旋翼式空地一体化两栖主动嗅觉机器人及其气味探测方法

摘要

本发明涉及一种旋翼式空地一体化两栖主动嗅觉机器人及其气味探测方法，旋翼电机和机桨安装在旋翼机架的端头，为机器人空中飞行提供动力；机架之间设置扩展杆，扩展杆上设置气体传感器和超声波传感器，各机架的另一端的顶端下方均设置一个驱动电机，驱动电机上安装主动轮，控制机器人地面运动；气体传感器检测三维空间的气体浓度，超声波传感器辅助机器人避开障碍物，并辅助机器人高度测量。利用空间趋激性气体跟踪算法和面向空地转换的嗅觉记忆算法进行寻源任务。本发明实现了三维空间全空域空地一体化的气味源搜索，提高了机器人的搜索效率，增强了机器人运行的安全性。

说明书

技术领域

本发明是一种旋翼式空地一体化两栖主动嗅觉机器人及其气味探测方法，属于智能机器人技术领域。

技术背景

目前国内外嗅觉机器人研究多集中于地面气味/气体源的二维探测搜索，而对空中气味/气体源的探测研究甚少。为应对日益严重的环境污染问题，利用可在三维环境下运行的主动嗅觉机器人对大气污染物进行监测及源定位，成为亟待研究解决的问题。

仅用无人机进行气味/气体源探测也有其不足之处，其续航能力较弱，不利于定点长时监测；同时大气污染源会物理依附于地面某处，而在地表附近探测时，嗅觉探测易受到推进气流地面效应干扰。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对单纯使用地面移动式或空中移动平台进行气体探测的不足，克服机桨产生的气流对气体传感器的影响，解决无人机进行气味/气源探测时续航能力较弱，不能定点长时监测的弊端，提供一种旋翼式空地一体化两栖主动嗅觉机器人及其气味探测方法，能够高效率完成全空域气体、气味源定位任务。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案；

一种旋翼式空地一体化两栖主动嗅觉机器人，其特征在于：包括主控板、机身、旋翼，扩展杆、气体传感器组、超声波传感器、驱动电机、主动轮，主控板安装在机身中央，多个旋翼对称分布在机身四周；各旋翼均包括机架、一个旋翼电机、和一对旋翼机桨，机架水平设置且机架一端与机身连接，另一端的顶端上方安装旋翼电机，旋翼机桨安装在旋翼电机上；其特征在于：

在每两个机架之间的水平空隙还设置一根扩展杆，扩展杆一端连接在机身上，另一端连接与扩展杆所在平面垂直的T型多头，该多头的上下两端各设置一个气体传感器，在该多头的水平方向还设置一个超声波传感器，该超声波传感器与扩展杆共轴设置；各机架的另一端的顶端下方均设置一个驱动电机，驱动电机上往下安装主动轮。

上述技术方案中，设置4-6个旋翼。

上述技术方案中，当旋翼为四个时，每两个扩展杆之间互相垂直，且扩展杆与机架成45度；八个气体传感器两个一对，每对安装杆垂直于扩展杆所在的平面。

上述技术方案中，所述主控板包括单片机模块、气体探测模块、避障模块，空中飞行航姿参考信息模块，地面电机驱动模块，单片机模块分别与气体探测模块、避障模块、空中飞行航姿参考信息模块、空中飞行模块、地面电机驱动模块电连接。

上述技术方案中，单片机模块的主芯片为STM32F103C8T6单片机；单片机芯片STM32F103C8T6的引脚1、引脚9、引脚24、引脚36、以及引脚48均与电源端VCC_3.3连接，芯片STM32F103C8T6的引脚8、引脚23、引脚35以及引脚47分别与GND连接，芯片STM32F103C8T6的引脚5和引脚6与晶振Y1的引脚1和引脚2对应连接，芯片STM32F103C8T6的引脚7与电阻R2和电容C1的一端连接，电阻R2和电容C1的另一端与GND连接，芯片STM32F103C8T6的引脚24与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与GND连接，电容C2与晶振Y1的引脚1和电阻R3的一端连接，电容C3的另一端与GND连接，电容C3与晶振Y1的引脚2和电阻R3的另一端连接，电容C3的另一端与地GND连接,芯片STM32F103C8T6的引脚14与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与电阻R6及电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与第GND连接，芯片STM32F103C8T6的引脚21与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端接电源VCC,引脚22与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端接电源VCC，单片机输入端TIM3_CH1、TIM3_CH2、TIM3_CH3、TIM3_CH4、分别与地面移动模块的输出端PWM7、PWM8、PWM9、PWM10，单片机的双向输入输出端I2C2_SCL、I2C2_SDA、UART1_TX、UART1_RX、INT6050分别与MPU-6065、MS5611-01BA03、HMC5883L双向输入/输出端I2C2_SCL、I2C2_SDA、UART1_TX、UART1_RX、INT6050对应连接。

上述技术方案中，空中飞行航姿参考信息模块主要包括陀螺仪、磁强计、气压计；陀螺仪MPU-6065的引脚1接地GND，引脚8、引脚9与电容C6一端连接，引脚20与电容C4的一端连接，引脚10与电容C5的一端连接，电容的C4、C5、C6、C7的另一端接地GND，陀螺仪MPU-6065的引脚3，引脚13与电容C7的一端和电源VCC_3.3连接；磁强计HMC5883L的引脚6、引脚2及引脚13与电源VCC_3.3连接，电容C8一端与地GND连接，另一端与陀螺仪MPU-6065的引脚6连接，陀螺仪MPU-6065的引脚8和引脚12通过电容C9连接，陀螺仪MPU-6065的引脚11和引脚9与地GND连接；气压计MS5611-01BA03的引脚3、引脚4和引脚5与地GND连接，引脚1和引脚2与电源VCC_3.3连接。

上述技术方案中，地面移动模块中主要包括电机驱动芯片L298N，电机驱动芯片L298N的引脚12、引脚8及引脚15与地GND连接，电机驱动芯片L298N引脚4与电源VCC连接，电机驱动芯片L298N引脚9接12V，电机驱动芯片L298N引脚5引脚7、引脚10、引脚12接STM32F103C8T6单片机的控制信号，电机驱动芯片L298N引脚6和引脚11分别与单片机芯片STM32F103C8T6的引脚PWM8、PWM9、PWM10、PWM11连接，电机驱动芯片L298N引脚2和引脚3通过电机连接，电机驱动芯片L298N引脚13和引脚14通过电机连接。

上述技术方案中，气体探测模块中，8个气体传感器的输出引脚3分别与单片机芯片STM32F103C8T6的引脚PA0、PA1、PA2、PA3、PA4、PA5、PA6及PA7引脚连接，各气体传感器引脚1接5V，各气体传感器引脚2接地；避障模块各超声波传感器的引脚3和4分别与芯片STM32F103C8T6的引脚PA8、PA9、PA10、PA11、PA12、PA13、PA14、PA15、PB0、PB1、PB2、PB3、PB4及PB5引脚连接，各超声波传感器的引脚1接5V，各超声波传感器的引脚2接地。

采用上述旋翼式空地一体化两栖主动嗅觉机器人的气味探测方法，其特征在于：利用空间趋激性气体跟踪算法和面向空地转换的嗅觉记忆方法进行寻源任务；在空地转换阶段应用面向空地转换的嗅觉记忆方法进行任务搜索；嗅觉记忆方法过程如下：机器人在空地转换引起紊流期间，依据空地转换过程临界开始之前的嗅觉记忆信息，结合三维空间烟羽扩散模型，对气源位置进行判定，并根据判定结果引导机器人盲寻一段行程，以记忆性预测路径脱离紊流流场，随之启动地面寻源模式。

上述技术方案中，嗅觉记忆信息包括气体浓度及浓度梯度；路径脱离紊流流场也即流场浓度分布恢复有序及风速感知平稳。

在自适应空地转换过程中，由于机器人在靠近地面时，其旋翼气流的地面效应会对气体流场产生强干扰，导致机器人嗅觉“失灵”现象，无法继续寻源。针对这一空地两栖机器人运行时出现的特有问题，本发明提出了嗅觉记忆算法：机器人在空地转换引起紊流期间，依据空地转换过程临界开始之前的气体浓度及浓度梯度等嗅觉记忆信息，结合三维空间烟羽扩散模型，对气源位置进行判定，并根据判定结果引导机器人盲寻一段行程，以记忆性预测路径脱离紊流流场(流场浓度分布恢复有序及风速感知平稳)，随之启动地面寻源模式。该算法其优势在于：可快速脱离干扰区域，并能继续保持在原有气源流场中而不致重复搜索。这一特殊的嗅觉控制算法，与空地转换运动控制一道，成为全空域机器人实施中的独有及核心问题。

由此，针对单纯使用地面移动式或空中移动平台进行气体探测的不足，本发明通过新颖的机器人结构设计，对气体传感器探杆进行设计，对两栖机器人架构进行创新构想，构建了旋翼式空地一体化两栖主动嗅觉机器人，机身由四个机架组成，主控板安装在飞机的中心，放在垂直机架正中央防止碰撞震动和干扰，控制机器人的全部行为；旋翼电机和机桨安装在机器人机架的端头，为机器人空中飞行提供动力，八个气体传感器组分别安装在扩展杆的端头，两个一对垂直扩展杆所在的水平面，使得机器人全方位感知三维空间的气体浓度；四个超声波传感器安装在扩展杆端头，辅助机器人避开障碍物，三个超声波传感器安装在机身下部，辅助机器人高度测量，辅助机器人近地面的高度控制。四个主动轮安装在机架端头正下方，控制机器人地面运动。同时，为高效率完成全空域气体、气味源定位任务，提出了空间趋激性气体跟踪算法和面向空地转换的嗅觉记忆算法。

相比于现有技术，本发明使移动机器人具有空中和地面两栖嗅探功能，既能实现空中气味/气体源探测，又具有地面气味/气体源搜索能力，以更加有效实现三维环境下的气味/气体源探测。并能在主控板和传感器的作用下进行全空域气体跟踪，并确认泄漏源的能力，可对大气环境进行定点长时监测，因此嗅探技术的前景是非常广阔的。此外，本发明利用空间趋激性气体跟踪算法和面向空地转换的嗅觉记忆算法进行寻源任务，实现了三维空间全空域空地一体化的气味源搜索，提高了机器人的搜索效率，增强了机器人运行的机器人安全性能。

附图说明

图1是根据本发明实施的旋翼式空地一体化两栖主动嗅觉机器人的立体结构图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的主视图；

图4是本发明的电路结构原理框图；

图5是本发明的主芯片最小系统图；

图6是本发明的空中飞行航姿参考信息模块；

图7是本发明的地面移动模块图；

图8是本发明的气体探测模块图；

图9是本发明的避障模块图。

图10是本发明气味探测方法的空间趋激性气味跟踪原理图。

图1-3、8、9中附图标记如下：1、主控板；2、旋翼机桨；3、旋翼电机；4、机架；5、气体传感器；6、超声波传感器；7、主动轮；8扩展杆；9、驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行说明。

如图1-3所示，根据本发明实施的旋翼式空地一体化两栖主动嗅觉机器人，包括主控板1、旋翼机桨2、旋翼电机3、机架4、气体传感器5、超声波传感器6、主动轮7、扩展杆8、驱动电机9。主控板1安装在机身中央，四个旋翼对称分布在机身四周；各旋翼均包括机架4、一个旋翼电机3、和一对旋翼机桨2，机架4水平设置且机架4一端与机身连接，另一端的顶端上方安装旋翼电机3，旋翼机桨2安装在旋翼电机3上；

在每两个机架4之间的空隙还沿水平方向设置一根扩展杆8，每两个扩展杆8之间互相垂直；扩展杆8一端连接在机身上，另一端连接与扩展杆8所在平面垂直的T型多头(如图1所示)，该多头的上下两端各设置一个气体传感器5，在该多头的水平方向还设置一个超声波传感器6，该超声波传感器6与扩展杆8共轴设置；

各机架4的另一端的顶端下方均设置一个驱动电机9，驱动电机9上往下安装主动轮7。如图3，三个超声波传感器6安装在机身下部，辅助机器人高度测量，辅助机器人近地面的高度控制。

图4所示是本发明的主控板1的电路结构原理图，主控板1包括单片机模块、空中飞行航姿参考信息模块、地面移动模块、气体探测模块、避障模块，单片机模块分别与空中飞行航姿参考信息模块、地面移动模块、气体探测模块、避障模块电连接。单片机模块的主芯片优选为STM32F103C8T6单片机。

如图5所示，单片机芯片STM32F103C8T6的引脚1、引脚9、引脚24、引脚36、以及引脚48均与电源端VCC_3.3连接，芯片STM32F103C8T6的引脚8、引脚23、引脚35以及引脚47分别与GND连接，芯片STM32F103C8T6的引脚5和引脚6与晶振Y1的引脚1和引脚2对应连接，芯片STM32F103C8T6的引脚7与电阻R2和电容C1的一端连接，电阻R2和电容C1的另一端与GND连接，芯片STM32F103C8T6的引脚24与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与GND连接，电容C2与晶振Y1的引脚1和电阻R3的一端连接，电容C3的另一端与GND连接，电容C3与晶振Y1的引脚2和电阻R3的另一端连接，电容C3的另一端与地GND连接,芯片STM32F103C8T6的引脚14与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与电阻R6及电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与第GND连接，芯片STM32F103C8T6的引脚21与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端接电源VCC,引脚22与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端接电源VCC，单片机输入端TIM3_CH1、TIM3_CH2、TIM3_CH3、TIM3_CH4、分别与地面移动模块的输出端PWM7、PWM8、PWM9、PWM10，单片机的双向输入输出端I2C2_SCL、I2C2_SDA、UART1_TX、UART1_RX、INT6050分别与MPU-6065、MS5611-01BA03、HMC5883L双向输入/输出端I2C2_SCL、I2C2_SDA、UART1_TX、UART1_RX、INT6050对应连接。

图6所示是本发明所涉及的空中飞行航姿参考信息模块的硬件电路图，空中飞行航姿参考信息模块主要通过陀螺仪、磁强计、气压计来获取航姿信息。陀螺仪MPU-6065的引脚1接地GND，引脚8、引脚9、与电容C6一端连接，引脚20与电容C4的一端连接，引脚10与电容C5的一端连接，电容的C4、C5、C6、C7的另一端接地GND，陀螺仪MPU-6065的引脚3，引脚13与电容C7的一端和电源VCC_3.3连接；磁强计HMC5883L的引脚6、引脚2及引脚13与电源VCC_3.3连接，电容C8一端与地GND连接，另一端与陀螺仪MPU-6065的引脚6连接，陀螺仪MPU-6065的引脚8和引脚12通过电容C9连接，陀螺仪MPU-6065的引脚11和引脚9与地GND连接；气压计MS5611-01BA03的引脚3、引脚4和引脚5与地GND连接，引脚1和引脚2与电源VCC_3.3连接。

图7所示是本发明涉及的地面移动模块的硬件电路图，电机驱动芯片L298N的引脚12、引脚8及引脚15与地GND连接，电机驱动芯片L298N引脚4与电源VCC连接，电机驱动芯片L298N引脚9接12V，电机驱动芯片L298N引脚5引脚7、引脚10、引脚12接STM32F103C8T6单片机的控制信号，电机驱动芯片L298N引脚6和引脚11分别与单片机芯片STM32F103C8T6的引脚PWM8、PWM9、PWM10、PWM11连接，电机驱动芯片L298N引脚2和引脚3通过电机连接，电机驱动芯片L298N引脚13和引脚14通过电机连接。

图8所示是本涉及的气体探测模块结构图，同一个多头上下的两个气体传感器一对，8个气体传感器5的输出引脚3分别与单片机芯片STM32F103C8T6的引脚PA0、PA1、PA2、PA3、PA4、PA5、PA6及PA7引脚连接，各气体传感器5引脚1(VCC)接5V，各气体传感器5引脚2(GND)接地。

图9所示是本发明涉及的避障模块硬件电路图，各超声波传感器6的引脚3(Tring)和4(Echo)分别与芯片STM32F103C8T6的引脚PA8、PA9、PA10、PA11、PA12、PA13、PA14、PA15、PB0、PB1、PB2、PB3、PB4及PB5引脚连接，各超声波传感器6的引脚1(VCC)接5V，各超声波传感器6的引脚2(GND)接地。

本发明通过单片机与各传感器构成控制回路，主控板1负责机器人在寻找气味源时的全部数据处理和命令安排。在旋翼式空地一体化两栖主动嗅觉机器人四个机架4顶端，安装旋翼电机3和旋翼机桨2，为机器人提供空中飞行动力。四个机架4端头的底部安装四个驱动电机9和主动轮7,为机器人地面运行提供动力。在扩展杆8的端头安装超声波传感器6，辅助嗅觉机器人在自主寻找气味源时避开障碍物。在机身底部安装超声波传感器6，辅助机器人在近地面空地模式切换时的高度测量。机器人在自主寻找气味/气体源时，八个气体传感器5，分别把检测到的气体浓度反馈给主控板1，经主控板分析，形成嗅觉引导信息，控制机器人向靠近气味源的方向运动。

此外，本发明利用空间趋激性气体跟踪算法进行气体、气味源定位。“趋激性”是低等生物(如昆虫)通过同时比较若干自身感知器，产生一个与浓度梯度相同或相反的方向瞬时估计，该机制对气体流场的分布连续性无特定要求；通过模拟该机制，机器人可利用有限浓度信息产生气味跟踪的控制矢量势场，以离散浓度梯度的反方向为基准，引导机器人进行寻源运动；若判定进入伪气源流场，则以逆趋激行为为基础摆脱势阱影响，正逆趋激行为结合形成双重趋激性气源跟踪行为算法。在系统实现上，为模拟昆虫通过瞬态获取烟羽浓度变化率来寻找味源的机制，将电化学传感器安装在机器人水平纵向、水平横向、垂直向两端(如前述图8所示)，传感器感应电压差值即反映机器人在空间三轴向上的浓度差值，三轴梯度矢量合成引导机器人空间趋激性跟踪行为。以气源在机器人G1所对方向(此时G1方向为机器人的机头)为例，图10为机器人利用空间趋激性算法进行气味跟踪流程图。该算法其优势在于：可快速脱离干扰区域，并能继续保持在原有气源流场中而不致重复搜索。这一特殊的嗅觉控制算法，与空地转换运动控制一道，成为全空域机器人实施中的独有及核心问题。