一种模仿动物嗅觉器官结构的立体电子鼻制造技术

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，它具有两个类似生物那样的“鼻”和“颈”：两“鼻道”内传感器能分别感应来自不同方位的气味分子浓度，“颈”可以带动“鼻”自由转动，扫描周围环境不同方位上气味分子空间分布信息，再利用神经网络对“鼻”所扫描到的周围环境不同方位上气味分子的分布信息进行分析，识别出气味来源。

【技术实现步骤摘要】
一种模仿动物嗅觉器官结构的立体电子鼻
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一危险物品泄漏源探测仪。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，设计专利技术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Figaix)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 信号处理部分在电子鼻中的地位相当于人的大脑，其性能优异直接影响到系统的味源方位识别能力。利用PCA主成分分析法把Cortex M3发送过来的原始特征矩阵进行降维处理，取其3个主元作为PNN识别模型的输入向量X=[xi,r2,---x?F。输出为T=【JL/2，…,待匹配的类别数n=L+l (L为探测仪前方划分的子区域个数)。输入层中的神经元数目等于学习样本输入向量数目P，各神经元是简单的分布单元，直接将输入变量传递给样本层。味源定位性能评估及优化 泄漏源实时探测仪在实际应用环境中完成味源定位所面临的情况是十分复杂的，如风速不是稳定的、场景也很复杂、味源也可能动态地发生变化、风向可能变化。所以，仅仅在静态情况下根据仿生立体电子鼻系统各次味源方位测量结果与实际位置比较来评估其定位性能是不够的。因此，本专利技术将在立体电子鼻系统静态识别味源方位性能达到指标要求后，再将立体电子鼻系统装载到移动玩具小车上，在不同实验场景中的任意一个位置开始，小车根据立体电子鼻系统识别的结果和搜索策略来搜寻场景中气味发散源(如往外挥发汽油的瓶子)，用小车搜寻过程中所走的路线及移动的速度来评估系统味源定位性能及根据实验情况对系统进行优化。与已有的探索性研究成果相比，本专利技术的特色与创新之处在于: I)传统的气体探测仪只是检测环境中气体的浓度，而本专利技术提出了一种新颖的可以用来检测确定气味发散源位置信息的仿生立体电子鼻。基于该仿生立体电子鼻研究开发的危险物品泄漏源探测仪，不仅能实时指示危害气体浓度，而且还可以给出泄漏源的位置信息，在管道气体泄漏、搜救遇难者、消防救援等等许多场合有广泛的应用前景。2)本专利技术提出了一种新颖的便于电子鼻确定味源方位的气味采样装置，该装置中有两个类似动物鼻孔的通气孔和模拟动物头颈的结构，两个通气孔中都安装了气体传感器。此仿生立体电子鼻可以模仿动物的转头寻味过程，两个“鼻孔”中传感器分别对来自不同方向的气氛进行监测，而这两个方向上的气味浓度及差异与气味烟羽分布相关，从而使仿生立体电子鼻能鉴别味源的方位。而有“颈”的存在，使“鼻”能自由地转动，可以连续地以不同的角度采集立体电子鼻周围环境中气味分子浓度信息，克服了传统寻味嗅觉系统无法采集足够多空间点的气味信息这一缺陷。本专利技术提出的气味采样装置可使仿生立体电子鼻的味源方位识别能力、适用性、稳定性和可靠性等各方面大大增强。3)本专利技术采用了概率神经网络PNN识别模型识别算法，并利用概率神经网络PNN识别模型可扩充分布式空间结构和丰富的时间动力特性来提取气敏传感器阵列的时空特性。使系统模式识别性能上比传统人工神经网络更近似于生物神经系统，同时又解决了传统电子鼻因对信号进行降维处理而导致信息丢失的问题，从而有利于提高电子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模仿动物嗅觉器官结构的立体电子鼻，其特征在于主要由气体传感器阵列、信号调理电路、A/D采样电路、马达、驱动电路、Cortex?M3?CPU、DSP处理器、电源、按键、LCD和通讯接口等模块组成，此外，还包括由聚乙烯材料制成的气体管道，每个气道一端封闭，并在密封端安装上气体传感器。

【技术特征摘要】
1.一种模仿动物嗅觉器官结构的立体电子鼻，其特征在于主要由气体传感器阵列、信号调理电路、A/D采样电路、马达、驱动电路、Cortex M3 CPU、DSP处理器、电源、按键、IXD和通讯接口等模块组成，此外，还包括由聚乙烯材料制成的气体管道，每个气道一端封闭，并在密封端安装上气体传感器。2.两气道之间成90°夹角，这样，当一个气道正对着气味烟羽时，气味分子可从管道外扩散到密封端的速度较快，而另一个气道则与气味烟羽垂直，气味分子可从管道外扩散到密封端的速度较慢，由于气体传感器阵列固定在马达的转轴上，马达可以带动气体传感器阵列在水平方向360°范围内转动，达到模仿哺乳动物颈部的功能，所述DSP处理器可以选用TI公司的C5000系列DSP芯片，其主要任务是根据所提取的特征值矩阵判断出味源方位，DSP处理器选用概率神经网络PNN识别模型，其结构由输入层、模式层、求和层和输出层等组成，DSP处理器首先利用PCA主成分分析法把Cortex M3发送过来的原始特征矩阵进行降维处理，取其3个主元作为PNN识别模型的输入向量 3.输入层中的神经元数目等于学习样本输入向量数目P，各神经元是简单的分布单元，直接将输入变量传递给样本层。4.根据权利要求1所述的立体电子鼻，其特征在于:模式层的节点数为输入样本和...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆方杰，罗婵媛，郑苏娅，
申请(专利权)人：杭州协正信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：