[發明專利]一種基于移動機器人的室內氣味源定位方法

在審

• 申請號: 201510784619.0
• 申請日: 2015-11-16
• 公開（公告）號: CN105277593A
• 公開（公告）日: 2016-01-27
• 發明（設計）人: 劉新華;胡夢珂;趙雪林;陳傳省;張濤;趙金海
• 申請（專利權）人: 江蘇拓新天機器人科技有限公司
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00
• 代理公司: 蘇州慧通知識產權代理事務所(普通合伙) 32239
• 代理人: 丁秀華

技術領域

本發明涉及機器人智能領域，特別涉及一種基于移動機器人的室內氣味源定位方法。

背景技術

機器人氣味源定位是機器人尋源問題，又稱為機器人主動嗅覺。自上世紀九十年代開始，一些學者從自然界生物依靠嗅覺找配偶、搜尋食物、躲避天敵等生活習性中受到啟發，將氣味傳感器與移動的機器相結合，“主動”的對氣味源進行定位，就是使用移動機器人，以主動的形式發現、跟蹤煙羽并確定位置對氣味源定位的過程。煙羽是指氣味/氣體分子從源頭被釋放出之后，在風的作用下其擴散的軌跡像羽毛一樣在空氣中飄揚。氣味源定位的應用廣泛地存在于生產生活中，特別是在惡劣環、有毒(污染)、存在易爆易燃品等危險環境中，輔助人類完成復雜與危險任務，例如，尋找有毒氣體泄漏源、災難中搜尋傷員、檢查違禁物品以及進行反恐排爆等。考慮到實際情況，室內機器人的主動嗅覺很有意義，因為氣味源定位多用于排除危險的有害氣體，在室內環境中，有害氣體的擴散較慢，滯留時間長，對室內氣味源的定位方法研究是至關重要的。

氣味源定位分為煙羽發現、煙羽跟蹤和氣味源確認三大部分，機器人開始工作時可能不在煙羽覆蓋區域，則檢查不到氣味信息，機器人從非煙羽覆蓋區域到煙羽覆蓋區域的過程為煙羽發現；從煙羽覆蓋區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。煙羽跟蹤與確認的過程比較復雜，是氣味源定位的重點與難點，現有的定位方法通常比較復雜，效率不高，在危險狀態下不能快速定位。

發明內容

為了解決氣味源定位復雜的問題，本發明提出了一種基于移動機器人的室內氣味源定位方法，移動嗅覺機器人選用基于飛思卡爾小車為移動平臺，搭建擴展處理器模塊、傳感器模塊、和電源模塊。使用遇邊界折回的Z字形算法進行煙羽發現，使用改進的加權矢量引導算法進行煙羽跟蹤，最后通過質量通量散度法進行氣味源確認。

附圖說明

圖1：移動嗅覺機器人系統框圖。

圖2：氣味傳感器系統結構圖。

圖3：本發明氣味源的定位流程。

圖4：實驗室場景布置。

具體實施方式

參見圖1，本發明的移動嗅覺機器人主要包括CPU控制模塊、車體機械模塊、傳感器模塊、電機控制模塊和電源管理模塊。

車體機械模塊采用飛思卡爾小車，飛思卡爾小車擁有良好的機動性能，選擇合適的處理器就能夠處理嗅覺定位問題。本發明采用飛思卡爾小車做為移動平臺載體，擴展了處理器模塊、傳感器模塊、和電源模塊。

電機控制模塊用于控制和驅動小車，電機控制模塊選用直流電動機，為單驅動小車，驅動方式選用最為常見的定頻脈寬調制(PWM)。電源模塊用于給機器人各個模塊供電。

CPU控制模塊是嗅覺機器人控制的核心，負責外部信號的數據處理以及決策算法的實現。本系統選用的處理器為飛思卡爾的S12xs系列的16位微控制器，用于實現數據或程序存儲。

傳感器模塊的傳感器主要有：氣味傳感器、避障傳感器和風速風向傳感器，此外還有機器人行走速度傳感器、機器人行走角度傳感器等。

氣味傳感器也就是所謂的電子鼻，目的是在功能和結構上模擬生物個體的嗅覺系統，能夠做到氣體或氣味的定性定量識別，圖2是電子鼻系統結構圖。本發明實施例以酒精作為對象，定位酒精氣味的來源，選用半導體氣味傳感器作為酒精氣味傳感器。

本發明有三個酒精氣味傳感器，其中兩個分別安裝于小車主動輪的兩側，第三個安裝于小車的正前方。安裝在主動輪位置的是為了小車能夠根據酒精氣味傳感器采集的信息及時準確的做出動作。小車正前方的傳感器作用一是跟另外兩個傳感器實現濃度梯度算法；二是決定小車目前的工作狀態。

由于氣體的擴散是不間斷的，所以氣味傳感器提供的數據不能直接使用。本發明對傳感器所采集數據進行二值化處理，常用的處理方法是固定濃度閾值法，但是當風速較大，氣流速度較快，傳感器接觸煙羽的時間往往很短，這時，固定濃度閾值法就很難起到效果，因此本發明提出加權累加法，可表示為：