基于嗅覺信息的機(jī)器人味源定位策略及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著各國(guó)對(duì)國(guó)家安全、社會(huì)治安等公共事業(yè)的高度重視，研究能在有毒、易燃易爆等危險(xiǎn)環(huán)境中代替人類工作的危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)具有重要的理論和實(shí)際意義。目前，如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人對(duì)可疑目標(biāo)的準(zhǔn)確判斷，迅速確定毒氣泄漏源或可疑目標(biāo)的具體位置，是應(yīng)用移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行危險(xiǎn)作業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。 本論文在國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“極限環(huán)境下面向危險(xiǎn)品檢測(cè)的多感官機(jī)器人系統(tǒng)”（項(xiàng)目編號(hào)：2006AA04Z221）的支持下，利用所研制的多感官擬人機(jī)器人頭部系

2、統(tǒng)，與移動(dòng)機(jī)器人本體相結(jié)合，針對(duì)搜尋有毒氣體泄漏源的應(yīng)用，對(duì)機(jī)器人味源定位策略進(jìn)行了深入研究。為應(yīng)用移動(dòng)機(jī)器人完成各種與氣味相關(guān)的危險(xiǎn)工作奠定了基礎(chǔ)。 本文的創(chuàng)新性工作包括： 1、研制了一套具有視覺、嗅覺及聽覺功能的多感官擬人機(jī)器人頭部系統(tǒng)。在分析人的頭部運(yùn)動(dòng)形式的基礎(chǔ)上，綜合考慮機(jī)器人頭部的幾何尺寸、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)等因素，設(shè)計(jì)了4自由度擬人機(jī)器人頭部結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用一種變形的萬(wàn)向節(jié)式結(jié)構(gòu)，通過(guò)串聯(lián)式關(guān)節(jié)的形式實(shí)現(xiàn)了頭部

3、的三種運(yùn)動(dòng)，兩級(jí)自由度完成的屈伸運(yùn)動(dòng)范圍可達(dá)o 30±，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍為o 90±，側(cè)屈運(yùn)動(dòng)范圍為o 20±。基于CAN總線設(shè)計(jì)了分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。 2、基于仿生學(xué)原理，提出并設(shè)計(jì)了一種新的機(jī)器人仿生嗅覺系統(tǒng)，具有類似人的鼻腔結(jié)構(gòu)及相當(dāng)于人肺功能的吸氣系統(tǒng)，能夠同時(shí)檢測(cè)CO、SO2、H2S、O2 及一種可揮發(fā)性有機(jī)化合物氣體。采用電化學(xué)和光離子氣體傳感器，恢復(fù)時(shí)間快，選擇性強(qiáng)，可大大提高

4、機(jī)器人嗅覺能力，并且根據(jù)目標(biāo)氣體可方便的更換相應(yīng)氣體傳感器。系統(tǒng)采用C8051F020 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)串口與機(jī)器人主控機(jī)通訊。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，性能不受安裝位置影響，可作為機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化組件組裝到各種類型的機(jī)器人上，以幫助其完成與嗅覺有關(guān)的工作。 3、受動(dòng)物捕食策略的啟發(fā)，提出了一種基于動(dòng)物捕食行為的機(jī)器人味源定位策略，融合了氣體傳感器、風(fēng)向傳感器、超聲傳感器等傳感器信息，整合了“Z”形搜索、逆風(fēng)搜索，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搜索等多種較優(yōu)的

5、搜索算法。采用了基于行為的包容式控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了針對(duì)各種搜索算法的行為模塊，使機(jī)器人在搜尋味源過(guò)程中自適應(yīng)地選擇較優(yōu)的搜索策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該策略具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠適應(yīng)室內(nèi)自然環(huán)境下的味源定位需要。 4、借鑒人類綜合利用除嗅覺以外的其它感官功能進(jìn)行味源定位的方法，提出了一種融合嗅覺、視覺信息的機(jī)器人味源定位策略，建立了基于氣味信息、顏色信息和距離信息融合的味源模型庫(kù)，幫助機(jī)器人進(jìn)行味源的搜尋和確認(rèn)。針對(duì)該策略，設(shè)計(jì)了基于多