机器人多感知技术-嗅觉.ppt

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1、第五章 机器人嗅觉,第一节 嗅觉及嗅觉定位,在动物漫长的进化过程中，嗅觉作为最原始的感觉功能之一，一直伴随着动物的进化而发展，嗅觉是许多动物赖以生存的最重要的本领。对于动物来讲，嗅觉不仅仅用于捕食，在寻找伙伴、交配、标定领土、识别家庭成员、避免天敌攻击等方面也起着决定性作用。例如，雄蛾利用触角在几百米外就可以嗅到雌蛾释放出的一种信息素，从而通过跟踪信息素准确的确定雌蛾的具体位置1。海洋中的甲壳类动物通过气味来寻找食物2-3，啮齿动物和犬科动物可以依靠嗅觉找回储藏的食物4。近年来，一些研究学者从动物的嗅觉得到启发，开始进行机器人嗅觉相关问题的研究工作。,具有嗅觉功能的机器人能够从事与气味相关的各

2、个领域的工作。在国家安全方面，可以用来探测地雷，搜寻爆炸物，搜救遇难者；在社会治安方面，可以代替保安巡逻，完成检测有毒气体、火灾报警等工作；在工业生产中，可以检测和修补各类危险化学物质存储容器或输送管道的泄漏，还可以进行探矿工作。实际上，机器人在完成以上各项不同工作时，最关键的问题就是要对味源进行搜索、定位、识别。机器人通过跟踪烟羽便可找到味源，所谓烟羽，是指气味源释放的气味分子在空气中传播形成的羽毛般的轨迹。Hayes将此类问题分解为3个子任务，即烟羽发现、烟羽横越、气味源确认。,嗅觉功能是完善机器人智能化不可或缺的重要组成部分，然而，要想开发在自然环境中依靠嗅觉自主导航、定位的机器人，研究

3、人员将面临巨大挑战。与动物相比，目前机器人所具有的嗅觉能力还只是处于最初级的阶段。一方面是由用于实现机器人嗅觉功能的气体传感器本身特点所致，现有传感器大都存在灵敏度低、恢复时间长、选择性差等缺点，如常用的金属氧化物半导体传感器，其恢复时间大于60秒，远不能满足实时性的要求。另一方面的困难来源于气味在空气中传播的形式和条件。气味以分子状态向四周扩散形成烟羽，烟羽中气体运动由湍流和分子扩散运动组成。但是在真实环境中气味分子主要受湍流影响，使得其分布很不均匀，给机器人跟踪烟羽、确定味源带来极大麻烦。,机器人嗅觉应用于味源定位的研究最早可追溯到20世纪90年代初，欧美和日本等许多发达国家的科研团队都对

4、此项课题进行了较为深入的研究，目前国内尚少见此类问题研究成果的报道。随着其它技术特别是传感器和计算机技术的快速发展，该项研究也在不断发展和完善。,目前，对机器人嗅觉定位的研究，不仅仅局限于对空气中的味源进行定位，已经扩展到了对水下和地下的味源跟踪定位。所采用的机器人类型也趋于多样化，除了普通的移动机器人外，还有仿生机器人，如机器蚂蚁、机器飞蛾、机器龙虾等。研究中使用的嗅觉传感器总体分两类，即化学传感器和生物传感器。常用的化学传感器有金属氧化物半导体气体传感器、导电聚合物气敏传感器、石英微天平传感器等。生物传感器则是指直接取用某种动物的嗅觉器官，经过一定工艺制作成可安装在机器人上的传感器。另外，

5、很多研究者还同时使用风向传感器，获取风向信息，帮助机器人完成烟羽搜索和跟踪。,第二节 气敏传感器,接触燃烧式气敏元件金属氧化物半导体气敏元件氧化锆气敏元件,工作原理、主要类型及应用,一、接触燃烧式气体传感器 1、检测原理 可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10)，可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧)产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高)愈大，其电阻值增加的就越多。

6、因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(R)，就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。,接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。图中F1是检测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工作时，要求在F1和F2上保持100mA200mA的电流通过，以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应(接触燃烧)所需要的热量。当检测元件F1与可燃性气体接触时，由于剧烈的氧化作用(燃烧)，释放

7、出热量，使得检测元件的温度上升，电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差E。,A,F2,F1,M,R1,R2,C,B,D,W2,W1,E0,因为RF很小，且RF1R1=RF2R2,这样，在检测元件F1和补偿元件F2的电阻比RF2/RF1接近于1的范围内，A，B两点间的电位差E，近似地与RF成比例。在此，RF是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化(燃烧热)引起的，是与接触燃烧热(可燃性气体氧化反应热)成比例的。即RF可用下式表示,如果令,则有,检测元件的电阻温度系数；T由于可燃性气体接触燃烧所引起的检测元件的温度增加值；H可燃性气体接触燃烧的发热量；C检测元件的热容量；Q可燃性气

8、体的燃烧热；m可燃性气体的浓度(Vol)；由检测元件上涂覆的催化剂决定的常数。,，C和的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关。Q是由可燃性气体的种类决定。因而，在一定条件下，都是确定的常数。则,A、B间的电位差E，并由此求得空气中可燃性气体的浓度。若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。,接触燃烧式气敏元件的感应特性,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,50,100,150,输出电压/mV,丙烷,乙醇,异丁烷,丙酮,环己烷,气体浓度(XLEL),E=kmb,即A、B两点间的电位差与可燃性气体的浓度m成比例。如

9、果在A、B两点间连接电流计或电压计，就可以测得,2、接触燃烧式气敏元件的结构 用高纯的铂丝,绕制成线圈,为了使线圈具有适当的阻值(12),一般应绕10圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球,放在贵金属铂、钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处理,使在氧化铝(氧化铝一氧化硅)载体上形成贵金属触媒层,最后组装成气体敏感元件。除此之外,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧成后备用。另外，作为补偿元件的铂线圈,其尺寸、阻值均应与检测元件相同。并且,也应涂覆氧

10、化铝或者氧化硅载体层,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体,形成触媒层而已。,触媒,Al2O3载体,Pt丝,元件,(0.8-2)mm,(b)敏感元件外形图,接触燃烧式气敏元件结构示意图,(a)元件的内部示意图,二、半导体气体传感器气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。1、半导体气敏元件的特性参数（1）气敏元件的电阻值 将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件(电阻型)的固有电阻值，表示为。一般其固有电阻值在(1031

11、05)范围。测定固有电阻值时,要求必须在洁净空气环境中进行。由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。,（2）气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种,（a）电阻比灵敏度K（b）气体分离度RC1气敏元件在浓度为Cc的被测气体中的阻值：R2气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值。通常，C1C2。（c）输出电压比灵敏度KVVa:气敏元件在

12、洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；Vg:气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出,Ra气敏元件在洁净空气中的电阻值；Rg气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值,（4）气敏元件的响应时间表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号tr表示。,（3）气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件分辨率S表示为,Va气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；V

13、g气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压Vgi气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压,（5）气敏元件的加热电阻和加热功率 气敏元件一般工作在200以上高温。为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，用RH表示。直热式的加热电阻值一般小于5；旁热式的加热电阻大于20。气敏元件正常工作所需的加热电路功率，称为加热功率，用表示。一般在(0.52.0)W范围。,（6）气敏元件的恢复时间表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63时所需时间。,（7）初期稳定时间

14、 长期在非工作状态下存放的气敏元件,因表面吸附空气中的水分或者其他气体,导致其表面状态的变化，在加上电负荷后,随着元件温度的升高,发生解吸现象。因此,使气敏元件恢复正常工作状态,需要一定的时间,称为气敏元件的初期稳定时间。一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升,最后达到稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时间越长,其初期稳定时间也越长。在一般条件下,气敏元件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值。,2、烧结型SnO2气敏元件SnO2系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型应用最

15、广泛性。其敏感体用粒径很小(平均粒径m)的SnO2粉体为基本材料，根据需要添加不同的添加剂，混合均匀作为原料。主要用于检测可燃的还原性气体，其工作温度约300。根据加热方式，分为直接加热式和旁热式两种。,（1）直接加热式SnO2气敏元件(直热式气敏元件),由芯片(敏感体和加热器)，基座和金属防爆网罩三部分组成。因其热容量小、稳定性差，测量电路与加热电路间易相互干扰，加热器与SnO2基体间由于热膨胀系数的差异而导致接触不良，造成元件的失效，现已很少使用。,（2）旁热式SnO2气敏元件,加热器电阻值一般为3040,三、氧化锆氧气传感器 固体电解质是具有离子导电性能的固体物质。一般认为，固体物质(金

16、属或半导体)中，作为载流子传导电流的是正、负离子。可是，在固体电解质中，作为载流子传导电流的，却主要是离子。二氧化锆（ZrO2）在高温下(但尚远未达到熔融的温度)具有氧离子传导性。纯净的二氧化锆在常温下属于单斜晶系，随着温度的升高，发生相转变。在1100下，为正方晶系，2500下，为立方晶系，2700下熔融，在熔融二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇、氧化镁等杂质后，成为稳定的正方晶型，具有莹石结构，称为稳定化二氧化锆。并且由于杂质的加入，在二氧化锆晶格中产生氧空位，其浓度随杂质的种类和添加量而改变，其离子电导性也随杂质的种类和数量而变化。,在二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇等添加物后,其离子电导

17、都将发生改变。尤其是在氧化钙添加量为15mol左右时,离子电导出现极大值。但是，由于二氧化锆一氧化钙固溶体的离子活性较低，要在高温下，气敏元件才有足够的灵敏度。添加三氧化二钇的ZrO2Y2O3固溶体，离子活性较高，在较低的温度下，其离子电导都较大，如图。因此，通常都用这种材料制作固定电解质氧敏元件。添加Y2O3的ZrO2固体电解质材料，称为YSZ材料。,ZrO2系固体电解质的离子电导与温度关系,5,600,800,1000,1200,10-1,10-2,10-3,10-4,1,2,3,4,6,7,t/,离子电导/-1cm-1,1 添加8%molYb2O3；2 ZrO0.92 SC2O30.04

18、 Yb2O30.04 3 ZrO2；4 添加10%molY2O3；5 添加13%molCaO6 添加15%molY2O3；7 添加10%molCeO,四、气体传感器的应用 分为检测、报警、监控等几种类型。1、电源电路 一般气敏元件的工作电压不高(3V10V)，其工作电压，特别是供给加热的电压，必须稳定。否则，将导致加热器的温度变化幅度过大，使气敏元件的工作点漂移，影响检测准确性。,2、辅助电路,由于气敏元件自身的特性(温度系数、湿度系数、初期稳定性等)，在设计、制作应用电路时，应予以考虑。如采用温度补偿电路，减少气敏元件的温度系数引起的误差；设置延时电路，防止通电初期，因气敏元件阻值大幅度变化

19、造成误报；使用加热器失效通知电路，防止加热器失效导致漏报现象。下图是一温度补偿电路,当环境温度降低时，则负温度热敏电阻(R5)的阻值增大，使相应的输出电压得到补偿。,右图为正温度系数热敏电阻(R2)的延时电路。刚通电时，其电阻值也小，电流大部分经热敏电阻回到变压器，蜂鸣器(BZ)不发出报警。当通电12min后，阻值急剧增大，通过蜂鸣器的电流增大，电路进入正常的工作状态。,3、检测工作电路 这是气敏元件应用电路的主体部分。下图是设有串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃性气体浓度的增加，气敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的电流，足以推动其工作而发出报警信号。,220V,BZ,氖管,家用可燃性

20、气体报警器电路,气敏传感器,蜂鸣器,B,R,下图是差分式可燃性气体检测仪电路原理图。在此电路中，BG1、BG2的参数应力求一致，最好选用差分对管。采用这种差分电路，检测气体的灵敏度可达100 106。,K1,W11,W31,W41,W21,R3,R2,BG1,BG2,R4,R5,K2,3V,6V,A,差分式可燃性气体检测仪电路,R1,RQ,下图是家用煤气(CO)安全报警电路。一部分是煤气报警器，在煤气浓度达到危险界限前发生警报；另一部分是开放式负离子发生器，其作用是自动产生空气负离子，使煤气中主要有害成分一氧化碳与空气负离子中的臭氧(O3)反应，生成对人体无害的二氧化碳。,IC1,IC2,J,

21、BG3,220V,K,J1,R10,R12,R11,R1,R2,R3,R4,BG1,BG2,C1,C2,C3,C4,R5,R6,R7,R8,R13,R9,D1,D2,D3,D4,D5,Dw,W1,W2,C7,C5,C6,MT2,MT1,3CTS3,RQ,A,B,LED,6,2,1,3,7,4,8,5,2,13,8,7,B1,B2,D7,煤气安全报警器原理图,第三节 机器人嗅觉定位原理及关键技术,一、机器人嗅觉定位原理机器人嗅觉定位的实现其本质上就是机器人利用嗅觉或结合多种感觉器官，感知已知或未知环境的各种信息，通过”大脑”(即智能决策模块)对这些信息进行综合和分析，然后作出判断和决策，做出相应

22、动作最终到达味源目标。在机器人工作的真实环境中，并不都是空旷的，可能会存在各种障碍物，也会出现存在不同种类气味源的情况。所以，机器人嗅觉定位的任务中也包含着避障、气味类别辨识等子任务。,图 7 机器人嗅觉定位原理框图,二、关键技术 1.气体传感器技术 气体传感器是机器人的“鼻子”，嗅觉器官性能的优劣直接影响其功能的发挥。受传感器技术发展的制约，当前不论哪种类型的气体传感器都不能完美的满足实时性、准确性的需要，不同程度的存在反应时间慢、恢复时间长、选择性差等缺点。另外，若传感器长期处在一种气体环境中，它就会达到饱和状态，变得很“迟钝”而失去作用。所以气体传感器的稳定性、重复性、抗干扰性等特性都需

23、要改进。人们采用气体传感器阵列的方式组成了“电子鼻”应用到机器人上，多个传感器相当于嗅觉神经元，能够识别不同的气体，更接近真正意义上的嗅觉。因此，研究灵敏度高、鲁棒性好的气体传感器信号处理算法是研究机器人嗅觉技术的重要组成部分。,2.气味气体传播规律的研究 气味气体在空气中以分子状态向四周扩散形成烟羽，气体分布浓度主要由分子扩散和湍流决定。在风速较高且稳定的情况下，会产生较稳定的烟羽。而在微风或无风的情况下，由于气体分子的扩散速度比风速慢的多，烟羽的结构主要空气湍流决定。湍流在实际环境中经常存在，表现为运动流体中大小不同的漩涡，这样就会把烟羽分割成许多不规则的块，使得烟羽的瞬间分布很难预测，给

24、机器人的烟羽跟踪行为带来异常困难。目前，只能用一些统计模型来描述烟羽扩散，其中最常用的是高斯湍流扩散模型。,在三维空间坐标系内，风向沿着x轴且平均风速恒定，湍流是各向同性且均匀的，味源在原点，气体散发速率为q，在点（x,y,z）点测得平均浓度为：,高斯湍流扩散烟羽模型,式中 K是湍流扩散系数，是平均风速，,。,需要注意的是，这些模型是在长时间（几分中甚至几小时）统计气体浓度平均的结果，若要利用这些模型来寻着味源，机器人须在足够多的空间点上采集足够长时间的数据，这要耗费大量的时间，同时也未必一定能取得成功。由于实际情况中气体浓度分布非常复杂，味源点并非浓度最高点，所以简单的梯度搜索是无效的。鉴于

25、以上因素，目前的味源定位研究都是在室内稳定风场中进行的。,3.搜索策略 机器人搜索策略是嗅觉定位问题实现的重要环节。目前研究学者们从动物的嗅觉行为得到灵感，提出了一些仿生搜索策略，此外有的利用烟羽模型和传感器模型的方法，有的采用逻辑判断法完成烟羽搜索，还有人工神经网络法、多机器人协同等方法。但仍需要深入研究动物或人类的嗅觉机制，从中找出更加高效合理的搜索方法，真正让机器人在真实的环境中完成嗅觉定位工作。,4.模式识别方法 在气味搜索过程中，要让机器人能够正确辨识气味的种类，必然要用到模式识别技术。在其它人工嗅觉系统中，常用的模式识别方法有主成分析法（PCA）、偏最小二乘法（PLS）、聚类分析法（CA）和人工神经网络（ANN）等方法。这些方法同样可用到机器人嗅觉系统中。另外，一些应用小波变换、支持向量机等理论的模式识别算法可能会给机器人气味辨识开辟新的途径。,