一種基于移動(dòng)機(jī)器人的室內(nèi)氣味源定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及機(jī)器人智能領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于移動(dòng)機(jī)器人的室內(nèi)氣味源定位方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)器人氣味源定位是機(jī)器人尋源問題，又稱為機(jī)器人主動(dòng)嗅覺。自上世紀(jì)九十年 代開始，一些學(xué)者從自然界生物依靠嗅覺找配偶、捜尋食物、躲避天敵等生活習(xí)性中受到啟 發(fā)，將氣味傳感器與移動(dòng)的機(jī)器相結(jié)合，"主動(dòng)"的對(duì)氣味源進(jìn)行定位，就是使用移動(dòng)機(jī)器 人，W主動(dòng)的形式發(fā)現(xiàn)、跟蹤煙羽并確定位置對(duì)氣味源定位的過程。煙羽是指氣味/氣體 分子從源頭被釋放出之后，在風(fēng)的作用下其擴(kuò)散的軌跡像羽毛一樣在空氣中飄揚(yáng)。氣味源 定位的應(yīng)用廣泛地存在于生產(chǎn)生活中，特別是在惡劣環(huán)、有毒（污染）、存在易爆易燃品等 危險(xiǎn)環(huán)境中，輔助人類完成復(fù)雜與危險(xiǎn)任務(wù)，例如，尋找有毒氣體泄漏源、災(zāi)難中捜尋傷員、 檢查違禁物品W及進(jìn)行反恐排爆等?？紤]到實(shí)際情況，室內(nèi)機(jī)器人的主動(dòng)嗅覺很有意義，因 為氣味源定位多用于排除危險(xiǎn)的有害氣體，在室內(nèi)環(huán)境中，有害氣體的擴(kuò)散較慢，滯留時(shí)間 長，對(duì)室內(nèi)氣味源的定位方法研究是至關(guān)重要的。
[0003] 氣味源定位分為煙羽發(fā)現(xiàn)、煙羽跟蹤和氣味源確認(rèn)Ξ大部分，機(jī)器人開始工作時(shí) 可能不在煙羽覆蓋區(qū)域，則檢查不到氣味信息，機(jī)器人從非煙羽覆蓋區(qū)域到煙羽覆蓋區(qū)域 的過程為煙羽發(fā)現(xiàn)；從煙羽覆蓋區(qū)域到氣味源附近的過程為煙羽跟蹤；最后，確定氣味源 位置的過程為氣味源確認(rèn)。煙羽跟蹤與確認(rèn)的過程比較復(fù)雜，是氣味源定位的重點(diǎn)與難點(diǎn)， 現(xiàn)有的定位方法通常比較復(fù)雜，效率不高，在危險(xiǎn)狀態(tài)下不能快速定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決氣味源定位復(fù)雜的問題，本發(fā)明提出了一種基于移動(dòng)機(jī)器人的室內(nèi)氣味 源定位方法，移動(dòng)嗅覺機(jī)器人選用基于飛思卡爾小車為移動(dòng)平臺(tái)，搭建擴(kuò)展處理器模塊、傳 感器模塊、和電源模塊。使用遇邊界折回的Z字形算法進(jìn)行煙羽發(fā)現(xiàn)，使用改進(jìn)的加權(quán)矢量 引導(dǎo)算法進(jìn)行煙羽跟蹤，最后通過質(zhì)量通量散度法進(jìn)行氣味源確認(rèn)。
【附圖說明】 陽0化]圖1 :移動(dòng)嗅覺機(jī)器人系統(tǒng)框圖。
[0006] 圖2 :氣味傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0007] 圖3 :本發(fā)明氣味源的定位流程。 陽00引圖4 :實(shí)驗(yàn)室場景布置。
【具體實(shí)施方式】
[0009] 參見圖1，本發(fā)明的移動(dòng)嗅覺機(jī)器人主要包括CPU控制模塊、車體機(jī)械模塊、傳感 器模塊、電機(jī)控制模塊和電源管理模塊。
[0010] 車體機(jī)械模塊采用飛思卡爾小車，飛思卡爾小車擁有良好的機(jī)動(dòng)性能，選擇合適 的處理器就能夠處理嗅覺定位問題。本發(fā)明采用飛思卡爾小車做為移動(dòng)平臺(tái)載體，擴(kuò)展了 處理器模塊、傳感器模塊、和電源模塊。
[0011] 電機(jī)控制模塊用于控制和驅(qū)動(dòng)小車，電機(jī)控制模塊選用直流電動(dòng)機(jī)，為單驅(qū)動(dòng)小 車，驅(qū)動(dòng)方式選用最為常見的定頻脈寬調(diào)制（PWM)。電源模塊用于給機(jī)器人各個(gè)模塊供電。
[0012] CPU控制模塊是嗅覺機(jī)器人控制的核屯、，負(fù)責(zé)外部信號(hào)的數(shù)據(jù)處理W及決策算法 的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)選用的處理器為飛思卡爾的S12XS系列的16位微控制器，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或 程序存儲(chǔ)。
[0013] 傳感器模塊的傳感器主要有：氣味傳感器、避障傳感器和風(fēng)速風(fēng)向傳感器，此外還 有機(jī)器人行走速度傳感器、機(jī)器人行走角度傳感器等。
[0014] 氣味傳感器也就是所謂的電子鼻，目的是在功能和結(jié)構(gòu)上模擬生物個(gè)體的嗅覺系 統(tǒng)，能夠做到氣體或氣味的定性定量識(shí)別，圖2是電子鼻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明實(shí)施例W酒精 作為對(duì)象，定位酒精氣味的來源，選用半導(dǎo)體氣味傳感器作為酒精氣味傳感器。
[0015] 本發(fā)明有Ξ個(gè)酒精氣味傳感器，其中兩個(gè)分別安裝于小車主動(dòng)輪的兩側(cè)，第Ξ個(gè) 安裝于小車的正前方。安裝在主動(dòng)輪位置的是為了小車能夠根據(jù)酒精氣味傳感器采集的信 息及時(shí)準(zhǔn)確的做出動(dòng)作。小車正前方的傳感器作用一是跟另外兩個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)濃度梯度算 法；二是決定小車目前的工作狀態(tài)。
[0016]由于氣體的擴(kuò)散是不間斷的，所W氣味傳感器提供的數(shù)據(jù)不能直接使用。本發(fā)明 對(duì)傳感器所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，常用的處理方法是固定濃度闊值法，但是當(dāng)風(fēng)速較 大，氣流速度較快，傳感器接觸煙羽的時(shí)間往往很短，運(yùn)時(shí)，固定濃度闊值法就很難起到效 果，因此本發(fā)明提出加權(quán)累加法，可表示為：
[0017]
[001引辦,）為tk時(shí)間段內(nèi)的煙羽濃度，在tk時(shí)間段內(nèi)，氣味傳感器器在η個(gè)點(diǎn)讀取氣味 濃度值，獲得η個(gè)值Cki，對(duì)其值累加，λki為各點(diǎn)濃度值的權(quán)重，其值跟機(jī)器人的移動(dòng)速度 成反比，其中i= 1，2,......，η。
[0019] 避障傳感器也就是測距傳感器，本發(fā)明選用超聲波傳感器作為測距傳感器，型 號(hào)是URF04,該模塊性能穩(wěn)定，測度距離精確，盲區(qū)為2畑1，精度可達(dá)0. 3畑1，探測距離為 2cm-450cm。本發(fā)明有Ξ個(gè)超聲波傳感器，其中兩個(gè)分別安裝于小車前輪的兩側(cè)，一個(gè)安裝 于小車頭部前中央處。當(dāng)機(jī)器人開始行走時(shí)，超聲波只向正前方發(fā)送脈沖，當(dāng)發(fā)現(xiàn)障礙物 時(shí)，超聲波傳感器進(jìn)行扇形掃描，根據(jù)掃描結(jié)果，通過余弦定理計(jì)算，可W判斷障礙物的水 平方向的大小半徑，當(dāng)障礙物的半徑超過5cm時(shí)，認(rèn)為前方障礙物為邊界，不再進(jìn)行掃描判 斷，改為發(fā)送正向脈沖，判斷是否與障礙物的距離小于15畑1，小于15cm小車90度方向掉頭。 當(dāng)掃描發(fā)現(xiàn)障礙物的半徑?jīng)]有超過5cm，在掃描障礙物特征消失時(shí)，立即反方向掃描，確定 障礙物目標(biāo)，認(rèn)為該障礙物為可疑氣味源。
[0020] 風(fēng)速風(fēng)向傳感器可W測量風(fēng)向和風(fēng)速，輸出電壓或電流信號(hào)，還能支持RS485總 線，本發(fā)明選用電壓型輸出信號(hào)。
[0021] 圖3是本發(fā)明氣味源的定位流程，定位流程主要包括煙羽發(fā)現(xiàn)、煙羽跟蹤和氣味 源確認(rèn)Ξ個(gè)過程，啟動(dòng)機(jī)器人到發(fā)現(xiàn)氣體濃度闊值A(chǔ)為煙羽發(fā)現(xiàn)階段，然后進(jìn)行煙羽跟蹤 到發(fā)現(xiàn)氣體濃度闊值B，最后進(jìn)行氣味源確認(rèn)。 陽0巧 1.煙羽發(fā)現(xiàn)
[0023] 煙羽發(fā)現(xiàn)過程是機(jī)器人從啟動(dòng)開始到發(fā)現(xiàn)煙羽之前的過程，在此過程中，需要用 最短時(shí)間發(fā)現(xiàn)煙羽的痕跡，所W關(guān)于該過程算法的設(shè)計(jì)要滿足盡可能短的時(shí)間能夠捜索更 多的區(qū)域，本發(fā)明的機(jī)器人使用遇邊界折回的Z字形算法進(jìn)行煙羽發(fā)現(xiàn)，在機(jī)器人行進(jìn)過 程中，氣味傳感器不斷檢測氣體濃度，將氣體濃度信息傳輸給CPU控制模塊，當(dāng)檢測到的氣 體濃度達(dá)到闊值A(chǔ)時(shí)，CPU控制模塊確定發(fā)現(xiàn)煙羽，進(jìn)入煙羽跟蹤階段。遇邊界折回的Z字 形算法是本領(lǐng)域的公知算法，此處不再寶述。
[0024] 2.煙羽跟蹤
[0025] 煙羽跟蹤使用能夠利用風(fēng)向信息和氣味濃度梯度信息的改進(jìn)加權(quán)矢量引導(dǎo)算法 其標(biāo)準(zhǔn)的公式為：
[0028] 在進(jìn)入煙羽跟蹤階段后，機(jī)器人CPU控制模塊首先建立一個(gè)室內(nèi)的X-Y軸坐標(biāo)系， 通過上述兩個(gè)公式?jīng)Q定小車的運(yùn)動(dòng)，煙羽跟蹤可W分為連續(xù)的多個(gè)階段，du和diy是第i個(gè) 階段機(jī)器人在X軸和y軸方向運(yùn)動(dòng)分量，機(jī)器人根據(jù)上述兩個(gè)運(yùn)動(dòng)分量行走完后，就進(jìn)入第 i+1個(gè)階段，然后重新根據(jù)上述兩個(gè)公式計(jì)算運(yùn)動(dòng)分量，如此重復(fù)，直到煙羽跟蹤階段結(jié)束。 其中，a為氣體濃度梯度權(quán)重，q為氣體實(shí)時(shí)濃度，t為煙羽跟蹤進(jìn)行的時(shí)間，D為機(jī)器人步 長，V。和VU分別為風(fēng)速y軸和X軸方向的分量。ε為一個(gè)很小的值，本發(fā)明取最小有效 風(fēng)速的十分之一。
[0029] a是一個(gè)變量，當(dāng)濃度值較小時(shí)，風(fēng)速信息起主導(dǎo)作用，a-般取較小值，有助于機(jī) 器人快