[发明专利]一种模仿动物嗅觉器官结构和信息处理机制的立体电子鼻

说明书

技术领域

本申请涉及一种气体检测装置，具体是一种模仿动物嗅觉器官结构和信息处理机制的立体电子鼻—危险物品泄漏源探测仪。

背景技术

气敏传感器的出现，使人们拥有了一种能简便地检测出环境中气体成分的方法。但是，单纯依靠气敏传感器，人们无法使机器向动物那样通过嗅觉判断气味来源的方向，然后根据此方向去捕食。近年来，许多科学家在努力寻找使机器能寻找味源的方法。Rozas等人于1991年开始了人工嗅觉导航相关的研究，自此以后，很多学者便开始孜孜不倦地开展利用移动机器人和气体传感器实现气味源定位的研究。发展到现在，嗅觉机器人不仅能搜寻空气中的味源，还实现对水下和地底味源进行跟踪定位，其形式也多样，如轮式移动机器人外，机器蚂蚁、机器飞蛾、机器龙虾等。虽然这些机器人能完成一些简单的与气味相关的工作任务，但实际上它们的嗅觉功能还很低级，远不及动物和人类的嗅觉功能。机器人嗅觉相关技术水平亟待提高，但这些技术的发展面临着巨大的困难：动物和人类的嗅觉机理人们尚未清楚理解，可借鉴之处不多；气体传感器技术不够成熟；机器人所处工作环境复杂且多变。

机器人是通过跟踪烟羽找到味源的，所谓烟羽，是指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将味源搜寻问题分解为烟羽发现、烟羽横越、味源确认。味源搜索策略主要依据化学趋向性和风趋向性两个原理来设计算法的。化学趋向性即利用气味浓度分布或梯度信息来搜寻，而风趋向性则是发现烟羽后是沿着逆风方向追踪并找到泄漏源。在实际环境中，湍流常会把烟羽分割成许多不规则的快，使得烟羽的瞬间分布很难预测，气体浓度分布非常复杂，味源点并非一定是浓度最高点。目前只能用一些统计模型来描述烟羽扩散，如高斯湍流扩散模型。在实际的自然环境中，气流状况非常复杂，甚至存在障碍物。所以机器人通过跟踪烟羽搜寻味源所要面临的困难还是挺大的。

气体传感器是机器人嗅觉系统的关键元件，然而现有气体传感器性能普遍不够好，不能很好的满足实时性、准确性方面的要求，还存在反应时间慢、恢复时间长、选择性差、稳定性差等缺点。除了受气体传感器性能制约以外，机器人嗅觉系统的性能还容易受传感器的安装位置影响。而气体传感器的安装位置恰恰与所采用机器人的特定结构相关，不宜变化，稳定性差，不具有通用性。使用商业电子鼻产品具有价格昂贵、针对性差等缺点。所以，在现有气体传感器水平的基础上，开发具有良好性能的机器人嗅觉系统，是味源搜索机器人研究的一个重要方面。

鉴于气体传感器性能远不能与动物嗅觉系统的性能相媲美，也没有较为精确的气味气体扩散模型可供参考，危险作业机器人味源搜索的研究大都集中在搜索策略算法。目前，研究者们已经采用了许多搜索算法，能够令机器人成功的搜索到味源，有些算法是从动物的嗅觉行为中得到灵感，也有些纯粹是从工程角度去考虑解决搜索味源问题。此类研究大部分还是在特定的室内实验环境中进行的，一般设定较小范围的实验场地、营造人工风场。诸多味源搜索策略虽有其独到一面，但大多只是针对味源搜寻的子问题，很难适应机器人实际工作的复杂环境。要真正实现利用机器在复杂的环境下搜寻味源，必须改进和提高人工嗅觉系统的性能，快速直接地判断出气味来源的方位，移动机器人再根据此方位移动寻找发现气味源。

发明内容

 

一般地，哺乳动物通过以下的方法判断气味来源的方位：首先，通过转动头部让鼻子闻气味不同方向上的强弱信息，将这些信息传输到大脑皮层，再经过分析判断处理后得出气味来源的方位。依据此原理，设计发明了模拟哺乳动物鼻子、颈部的装置，及在该装置基础上实现的味源探测仪。

气体传感器阵列选择

目前，可选择用来检测气味的传感器有很多，其中以金属氧化物半导体气敏传感器最为成熟。这种类型的传感器商业化已经非常成功，例如，日本Figaro公司生产的TGS系列气体传感器。气体传感器阵列可以直接选用市场上成熟的产品作为敏感元件。

气味采样传感装置

已有嗅觉定位机器人研究通常是简单地直接在机器人上安装单个或多个气体传感器，再配置相应处理电路来实现嗅觉功能。然而，气味传播烟羽是无法用精确的模型来描述，烟羽的瞬间分布很难预测。而且传感器的响应也很容易受环境因素影响。因此，采用这种方法安装气敏传感器的嗅觉机器人，在利用梯度信息搜索味源的时候因无法采集足够的空间点足够长时间浓度数据导致搜索失败。也有的是采用商业的电子鼻产品，但是价格昂贵、针对性差。为此拟仿造动物鼻子的结构设计气味采样传感装置。

模式识别处理算法