基本信息
- 项目名称：
- 多功能远距离主动嗅觉机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 主动嗅觉机器人是根据仿生学原理，依靠自身电子鼻对运动轨迹上的多个点气体浓度进行检测，根据检测结果结合搜寻算法决定下一步的运动方向直至找到气源。主动嗅觉机器人技术能够解决爆炸物搜索、毒品检测、灾后搜救、火灾报警、危险气体检测等问题，具有广阔的应用前景。多功能远距离主动嗅觉机器人能够根据实际环境，装载不同的设备模块，切换搜索模式。在无线传感器网络和辅助机器人群的帮助下实现与控制基站的远距离通讯。
- 详细介绍：
- 自然界中许多动物能够通过追踪气味源来完成觅食、寻偶及规避天敌等活动。受这一现象启发，上世纪90年代以来国外科研工作者开始研制能够模仿生物嗅觉并进行自主搜寻的主动嗅觉机器人。主动嗅觉机器人是根据仿生学原理，将移动机器人技术与电子鼻技术相结合实现气源定位的。主动嗅觉机器人涉及传感器、无线通讯、移动机器人设计、嵌入式技术等前沿领域，并且在工业、国防、环境保护、防灾等方面拥有广阔的应用前景和极大市场潜能，具有重大的理论意义和实际应用价值。 日本东京工业大学石田教授所领导的科研团队最早开始研究主动嗅觉机器人，分别在1992年、2002年、2006年开发出了3代机器人。加州理工的Hayes在自制嗅觉机器人的基础上，开发了能够依靠蜂群算法进行联合定位的机器人群落。天津大学的孟庆浩教授开发出了由机载PC控制的主动嗅觉机器人。各国科学家们研制出的还有6足机器蚁，移动电子鼻、20mm的爱丽丝袖珍嗅觉机器人等各种各样的机器人设备实现主动嗅觉。 与国内外现有的主动嗅觉机器人相比我们所设计的多功能远距离主动嗅觉机器人有以下三个突出特点： （1） 在无线传感器网络和辅助机器人编队的帮助下实现与控制基站的远距离通讯，突破了信号传输距离的限制。 （2） 自主搜索和人工干预相结合，不但能在大范围内对气源进行自主搜索，也可以在无线视频设备的支持下实现近距离精确定位。 （3） 设计了多功能便携式车载设备模块，能够根据实际环境对机器人装载不同的设备模块，切换搜索模式。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 针对现有主动嗅觉设备探测较短、探测精度较低、无法反馈检测信息的不足，提出了一种将主动嗅觉机器人与无线传感器网络相结合并配备其它功能模块的多功能远距离嗅觉定位机器人，本作品以主动嗅觉移动机器人为基础,结合无线传感器网络，集成了无线摄像与定位和泄漏气源维修模块模块，并可加装不同功能模块完成更多功能。
科学性、先进性
- 基于长期以来主动嗅觉机器人技术在气源定位方面的技术积累，以及无线传感器网络构架方面的成熟经验，完成本作品的硬件、软件算法和无线通讯等系统的设计；与传统技术相比较而言，本作品具有操作性强、精度高、搜索距离广阔的优点；本作品的独到之处在于多模式的辅助气源定位、基于编队式无线传感的长距离气源定位、开放环境中气体浓度的反馈与报警。
获奖情况及鉴定结果
- 子项目选入2011年全国虚拟仪器大赛综合组决赛， 获得优秀奖
作品所处阶段
- 实验阶段，尚未产品化
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物展示，机器人编队协同作业
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本产品通过编队模式无线传感网络构架，解决了现有主动嗅觉机器人因搜索范围小而无法转化为工业产品的问题；同时通过增加视频模块配合无线控制提高了定位精度，再配合维修模块达到一次解决气体泄漏的工业问题，投入生产后可基本替代封闭环境内人工的气源定位及修补，大幅提高了安全性同时降低了维修成本。
同类课题研究水平概述
- 国外研究现状 日本东京工业大学石田教授所领导的科研团队在1992年就开始对嗅觉定位问题进行的研究。根据飞蛾的仿生学原理研制出了基于三维气源定位探测器的搜索机器人，并制定了飞蛾仿生搜索策略、浓度梯度搜索策略、逆风搜索策略等经典的气味源搜索策略，其中不少搜索算法沿用至今。该团队于2002年开发出了二代主动嗅觉机器人GaPTR-II，又于 2006年在GaPTR-II的三轮机器人移动平台基础上添加了无线摄像头，并用性能更高的声波风速计取代了原来的机械风速传感器，开发出了新一代主动嗅觉机器人。作为经典样本，其的结构设计和功能模块在以后的研究当中被各国科学家广泛借鉴。 加州理工大学的Hayes也是该领域里的具有代表性的学者。他提出了一种通过逆风搜索方法判定气味浓度变化率来跟踪气味烟羽并进行气源定位的算法，引入了外螺旋搜索模式。并于2002开发出了自己的主动嗅觉机器人Moorebots。在Moorebots的基础上Hayes建立了机器人群落，并采用蜂群算法开展了自主群机器人嗅觉定位的研究。仿真建模和搜索实验证明了多机器人之间的基本通讯可以提高气源定位的执行效率。 其他有突出特点的主动嗅觉机器人也有很多，如澳大利亚蒙纳士大学的Russell于1998年开发出的六脚机器蚂蚁，能够追寻地上残留的信息素轨迹进行移动。瑞士联邦技术研究院的Caprari教授研制出了只有2厘米长的Alice袖珍型嗅觉机器人，并开发出了配套的嗅觉芯片。还有德国蒂宾根大学的Achim Lilienthal和瑞典厄勒布卢大学的Tom Duckett合作研制的Mark3型立式移动电子鼻。该设备通过移动平台两侧的空气进行采样制定相应的搜索策略。 国内研究现状 我国学者在该领域起步较晚，但成果突出。2008年至今在气源搜索算法和主动嗅觉机器人设计等领域，由中国学者发表的文章占据了EI收录文献的一半以上。天津大学的孟庆浩教授所在的科研团队取得的成果最为突出。他们开发出的主动嗅觉机器人由内置的PC（Pentium4，1.5GHz）控制，通过自带的声波风速计和MiCS5135气体传感器采集周围的风速、风向、气体浓度等信息，通过对信息的综合处理进行气源搜索。机器人带有激光测距仪和CCD摄像头，能够对搜索路径上的障碍物作出规避反应。该机器人在实验室环境下以酒精蒸汽为目标气体进行了气源定位实验。
