基于嗅觉信息的机器人味源定位策略及实验研究

摘要

随着各国对国家安全、社会治安等公共事业的高度重视，研究能在有毒、易燃易爆等危险环境中代替人类工作的危险作业机器人系统具有重要的理论和实际意义。目前，如何实现移动机器人对可疑目标的准确判断，迅速确定毒气泄漏源或可疑目标的具体位置，是应用移动机器人执行危险作业亟待解决的关键问题。 本论文在国家863计划项目“极限环境下面向危险品检测的多感官机器人系统”（项目编号：2006AA04Z221）的支持下，利用所研制的多感官拟人机器人头部系统，与移动机器人本体相结合，针对搜寻有毒气体泄漏源的应用，对机器人味源定位策略进行了深入研究。为应用移动机器人完成各种与气味相关的危险工作奠定了基础。 本文的创新性工作包括： 1、研制了一套具有视觉、嗅觉及听觉功能的多感官拟人机器人头部系统。在分析人的头部运动形式的基础上，综合考虑机器人头部的几何尺寸、运动学及动力学等因素，设计了4自由度拟人机器人头部结构。该结构采用一种变形的万向节式结构，通过串联式关节的形式实现了头部的三种运动，两级自由度完成的屈伸运动范围可达o 30±，旋转运动范围为o 90±，侧屈运动范围为o 20±。基于CAN总线设计了分布式控制系统，该系统具有结构简单、实时性好、可靠性高的优点。 2、基于仿生学原理，提出并设计了一种新的机器人仿生嗅觉系统，具有类似人的鼻腔结构及相当于人肺功能的吸气系统，能够同时检测CO、SO2、H2S、O2 及一种可挥发性有机化合物气体。采用电化学和光离子气体传感器，恢复时间快，选择性强，可大大提高机器人嗅觉能力，并且根据目标气体可方便的更换相应气体传感器。系统采用C8051F020 单片机实现，通过串口与机器人主控机通讯。该系统结构紧凑，性能不受安装位置影响，可作为机器人标准化组件组装到各种类型的机器人上，以帮助其完成与嗅觉有关的工作。 3、受动物捕食策略的启发，提出了一种基于动物捕食行为的机器人味源定位策略，融合了气体传感器、风向传感器、超声传感器等传感器信息，整合了“Z”形搜索、逆风搜索，模糊神经网络搜索等多种较优的搜索算法。采用了基于行为的包容式控制结构，设计了针对各种搜索算法的行为模块，使机器人在搜寻味源过程中自适应地选择较优的搜索策略。实验结果表明，该策略具有较强的鲁棒性，能够适应室内自然环境下的味源定位需要。 4、借鉴人类综合利用除嗅觉以外的其它感官功能进行味源定位的方法，提出了一种融合嗅觉、视觉信息的机器人味源定位策略，建立了基于气味信息、颜色信息和距离信息融合的味源模型库，帮助机器人进行味源的搜寻和确认。针对该策略，设计了基于多层黑板模型的机器人嗅觉定位控制系统，通过搜寻味源黑板和确认味源黑板协调工作实现机器人味源定位。通过实验验证了该策略具有最高的效率和成功率，具有较强的环境适应能力。