基本信息
- 項目名稱：
- 多功能遠距離主動嗅覺機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 主動嗅覺機器人是根據(jù)仿生學原理，依靠自身電子鼻對運動軌跡上的多個點氣體濃度進行檢測，根據(jù)檢測結果結合搜尋算法決定下一步的運動方向直至找到氣源。主動嗅覺機器人技術能夠解決爆炸物搜索、毒品檢測、災后搜救、火災報警、危險氣體檢測等問題，具有廣闊的應用前景。多功能遠距離主動嗅覺機器人能夠根據(jù)實際環(huán)境，裝載不同的設備模塊，切換搜索模式。在無線傳感器網(wǎng)絡和輔助機器人群的幫助下實現(xiàn)與控制基站的遠距離通訊。
- 詳細介紹：
- 自然界中許多動物能夠通過追蹤氣味源來完成覓食、尋偶及規(guī)避天敵等活動。受這一現(xiàn)象啟發(fā)，上世紀90年代以來國外科研工作者開始研制能夠模仿生物嗅覺并進行自主搜尋的主動嗅覺機器人。主動嗅覺機器人是根據(jù)仿生學原理，將移動機器人技術與電子鼻技術相結合實現(xiàn)氣源定位的。主動嗅覺機器人涉及傳感器、無線通訊、移動機器人設計、嵌入式技術等前沿領域，并且在工業(yè)、國防、環(huán)境保護、防災等方面擁有廣闊的應用前景和極大市場潛能，具有重大的理論意義和實際應用價值。 日本東京工業(yè)大學石田教授所領導的科研團隊最早開始研究主動嗅覺機器人，分別在1992年、2002年、2006年開發(fā)出了3代機器人。加州理工的Hayes在自制嗅覺機器人的基礎上，開發(fā)了能夠依靠蜂群算法進行聯(lián)合定位的機器人群落。天津大學的孟慶浩教授開發(fā)出了由機載PC控制的主動嗅覺機器人。各國科學家們研制出的還有6足機器蟻，移動電子鼻、20mm的愛麗絲袖珍嗅覺機器人等各種各樣的機器人設備實現(xiàn)主動嗅覺。 與國內外現(xiàn)有的主動嗅覺機器人相比我們所設計的多功能遠距離主動嗅覺機器人有以下三個突出特點： （1） 在無線傳感器網(wǎng)絡和輔助機器人編隊的幫助下實現(xiàn)與控制基站的遠距離通訊，突破了信號傳輸距離的限制。 （2） 自主搜索和人工干預相結合，不但能在大范圍內對氣源進行自主搜索，也可以在無線視頻設備的支持下實現(xiàn)近距離精確定位。 （3） 設計了多功能便攜式車載設備模塊，能夠根據(jù)實際環(huán)境對機器人裝載不同的設備模塊，切換搜索模式。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 針對現(xiàn)有主動嗅覺設備探測較短、探測精度較低、無法反饋檢測信息的不足，提出了一種將主動嗅覺機器人與無線傳感器網(wǎng)絡相結合并配備其它功能模塊的多功能遠距離嗅覺定位機器人，本作品以主動嗅覺移動機器人為基礎,結合無線傳感器網(wǎng)絡，集成了無線攝像與定位和泄漏氣源維修模塊模塊，并可加裝不同功能模塊完成更多功能。
科學性、先進性
- 基于長期以來主動嗅覺機器人技術在氣源定位方面的技術積累，以及無線傳感器網(wǎng)絡構架方面的成熟經(jīng)驗，完成本作品的硬件、軟件算法和無線通訊等系統(tǒng)的設計；與傳統(tǒng)技術相比較而言，本作品具有操作性強、精度高、搜索距離廣闊的優(yōu)點；本作品的獨到之處在于多模式的輔助氣源定位、基于編隊式無線傳感的長距離氣源定位、開放環(huán)境中氣體濃度的反饋與報警。
獲獎情況及鑒定結果
- 子項目選入2011年全國虛擬儀器大賽綜合組決賽， 獲得優(yōu)秀獎
作品所處階段
- 實驗階段，尚未產(chǎn)品化
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物展示，機器人編隊協(xié)同作業(yè)
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 本產(chǎn)品通過編隊模式無線傳感網(wǎng)絡構架，解決了現(xiàn)有主動嗅覺機器人因搜索范圍小而無法轉化為工業(yè)產(chǎn)品的問題；同時通過增加視頻模塊配合無線控制提高了定位精度，再配合維修模塊達到一次解決氣體泄漏的工業(yè)問題，投入生產(chǎn)后可基本替代封閉環(huán)境內人工的氣源定位及修補，大幅提高了安全性同時降低了維修成本。
同類課題研究水平概述
- 國外研究現(xiàn)狀 日本東京工業(yè)大學石田教授所領導的科研團隊在1992年就開始對嗅覺定位問題進行的研究。根據(jù)飛蛾的仿生學原理研制出了基于三維氣源定位探測器的搜索機器人，并制定了飛蛾仿生搜索策略、濃度梯度搜索策略、逆風搜索策略等經(jīng)典的氣味源搜索策略，其中不少搜索算法沿用至今。該團隊于2002年開發(fā)出了二代主動嗅覺機器人GaPTR-II，又于 2006年在GaPTR-II的三輪機器人移動平臺基礎上添加了無線攝像頭，并用性能更高的聲波風速計取代了原來的機械風速傳感器，開發(fā)出了新一代主動嗅覺機器人。作為經(jīng)典樣本，其的結構設計和功能模塊在以后的研究當中被各國科學家廣泛借鑒。 加州理工大學的Hayes也是該領域里的具有代表性的學者。他提出了一種通過逆風搜索方法判定氣味濃度變化率來跟蹤氣味煙羽并進行氣源定位的算法，引入了外螺旋搜索模式。并于2002開發(fā)出了自己的主動嗅覺機器人Moorebots。在Moorebots的基礎上Hayes建立了機器人群落，并采用蜂群算法開展了自主群機器人嗅覺定位的研究。仿真建模和搜索實驗證明了多機器人之間的基本通訊可以提高氣源定位的執(zhí)行效率。 其他有突出特點的主動嗅覺機器人也有很多，如澳大利亞蒙納士大學的Russell于1998年開發(fā)出的六腳機器螞蟻，能夠追尋地上殘留的信息素軌跡進行移動。瑞士聯(lián)邦技術研究院的Caprari教授研制出了只有2厘米長的Alice袖珍型嗅覺機器人，并開發(fā)出了配套的嗅覺芯片。還有德國蒂賓根大學的Achim Lilienthal和瑞典厄勒布盧大學的Tom Duckett合作研制的Mark3型立式移動電子鼻。該設備通過移動平臺兩側的空氣進行采樣制定相應的搜索策略。 國內研究現(xiàn)狀 我國學者在該領域起步較晚，但成果突出。2008年至今在氣源搜索算法和主動嗅覺機器人設計等領域，由中國學者發(fā)表的文章占據(jù)了EI收錄文獻的一半以上。天津大學的孟慶浩教授所在的科研團隊取得的成果最為突出。他們開發(fā)出的主動嗅覺機器人由內置的PC（Pentium4，1.5GHz）控制，通過自帶的聲波風速計和MiCS5135氣體傳感器采集周圍的風速、風向、氣體濃度等信息，通過對信息的綜合處理進行氣源搜索。機器人帶有激光測距儀和CCD攝像頭，能夠對搜索路徑上的障礙物作出規(guī)避反應。該機器人在實驗室環(huán)境下以酒精蒸汽為目標氣體進行了氣源定位實驗。
