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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 多功能遠(yuǎn)距離主動(dòng)嗅覺機(jī)器人
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 主動(dòng)嗅覺機(jī)器人是根據(jù)仿生學(xué)原理，依靠自身電子鼻對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡上的多個(gè)點(diǎn)氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果結(jié)合搜尋算法決定下一步的運(yùn)動(dòng)方向直至找到氣源。主動(dòng)嗅覺機(jī)器人技術(shù)能夠解決爆炸物搜索、毒品檢測(cè)、災(zāi)后搜救、火災(zāi)報(bào)警、危險(xiǎn)氣體檢測(cè)等問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。多功能遠(yuǎn)距離主動(dòng)嗅覺機(jī)器人能夠根據(jù)實(shí)際環(huán)境，裝載不同的設(shè)備模塊，切換搜索模式。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和輔助機(jī)器人群的幫助下實(shí)現(xiàn)與控制基站的遠(yuǎn)距離通訊。
- 詳細(xì)介紹：
- 自然界中許多動(dòng)物能夠通過追蹤氣味源來(lái)完成覓食、尋偶及規(guī)避天敵等活動(dòng)。受這一現(xiàn)象啟發(fā)，上世紀(jì)90年代以來(lái)國(guó)外科研工作者開始研制能夠模仿生物嗅覺并進(jìn)行自主搜尋的主動(dòng)嗅覺機(jī)器人。主動(dòng)嗅覺機(jī)器人是根據(jù)仿生學(xué)原理，將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與電子鼻技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)氣源定位的。主動(dòng)嗅覺機(jī)器人涉及傳感器、無(wú)線通訊、移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)、嵌入式技術(shù)等前沿領(lǐng)域，并且在工業(yè)、國(guó)防、環(huán)境保護(hù)、防災(zāi)等方面擁有廣闊的應(yīng)用前景和極大市場(chǎng)潛能，具有重大的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 日本東京工業(yè)大學(xué)石田教授所領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)最早開始研究主動(dòng)嗅覺機(jī)器人，分別在1992年、2002年、2006年開發(fā)出了3代機(jī)器人。加州理工的Hayes在自制嗅覺機(jī)器人的基礎(chǔ)上，開發(fā)了能夠依靠蜂群算法進(jìn)行聯(lián)合定位的機(jī)器人群落。天津大學(xué)的孟慶浩教授開發(fā)出了由機(jī)載PC控制的主動(dòng)嗅覺機(jī)器人。各國(guó)科學(xué)家們研制出的還有6足機(jī)器蟻，移動(dòng)電子鼻、20mm的愛麗絲袖珍嗅覺機(jī)器人等各種各樣的機(jī)器人設(shè)備實(shí)現(xiàn)主動(dòng)嗅覺。 與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的主動(dòng)嗅覺機(jī)器人相比我們所設(shè)計(jì)的多功能遠(yuǎn)距離主動(dòng)嗅覺機(jī)器人有以下三個(gè)突出特點(diǎn)： （1） 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和輔助機(jī)器人編隊(duì)的幫助下實(shí)現(xiàn)與控制基站的遠(yuǎn)距離通訊，突破了信號(hào)傳輸距離的限制。 （2） 自主搜索和人工干預(yù)相結(jié)合，不但能在大范圍內(nèi)對(duì)氣源進(jìn)行自主搜索，也可以在無(wú)線視頻設(shè)備的支持下實(shí)現(xiàn)近距離精確定位。 （3） 設(shè)計(jì)了多功能便攜式車載設(shè)備模塊，能夠根據(jù)實(shí)際環(huán)境對(duì)機(jī)器人裝載不同的設(shè)備模塊，切換搜索模式。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 針對(duì)現(xiàn)有主動(dòng)嗅覺設(shè)備探測(cè)較短、探測(cè)精度較低、無(wú)法反饋檢測(cè)信息的不足，提出了一種將主動(dòng)嗅覺機(jī)器人與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合并配備其它功能模塊的多功能遠(yuǎn)距離嗅覺定位機(jī)器人，本作品以主動(dòng)嗅覺移動(dòng)機(jī)器人為基礎(chǔ),結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，集成了無(wú)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(xué)性、先進(jìn)性
- 基于長(zhǎng)期以來(lái)主動(dòng)嗅覺機(jī)器人技術(shù)在氣源定位方面的技術(shù)積累，以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架方面的成熟經(jīng)驗(yàn)，完成本作品的硬件、軟件算法和無(wú)線通訊等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；與傳統(tǒng)技術(shù)相比較而言，本作品具有操作性強(qiáng)、精度高、搜索距離廣闊的優(yōu)點(diǎn)；本作品的獨(dú)到之處在于多模式的輔助氣源定位、基于編隊(duì)式無(wú)線傳感的長(zhǎng)距離氣源定位、開放環(huán)境中氣體濃度的反饋與報(bào)警。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 子項(xiàng)目選入2011年全國(guó)虛擬儀器大賽綜合組決賽， 獲得優(yōu)秀獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)階段，尚未產(chǎn)品化
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物展示，機(jī)器人編隊(duì)協(xié)同作業(yè)
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本產(chǎn)品通過編隊(duì)模式無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，解決了現(xiàn)有主動(dòng)嗅覺機(jī)器人因搜索范圍小而無(wú)法轉(zhuǎn)化為工業(yè)產(chǎn)品的問題；同時(shí)通過增加視頻模塊配合無(wú)線控制提高了定位精度，再配合維修模塊達(dá)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(nèi)人工的氣源定位及修補(bǔ)，大幅提高了安全性同時(shí)降低了維修成本。
同類課題研究水平概述
- 國(guó)外研究現(xiàn)狀 日本東京工業(yè)大學(xué)石田教授所領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在1992年就開始對(duì)嗅覺定位問題進(jìn)行的研究。根據(jù)飛蛾的仿生學(xué)原理研制出了基于三維氣源定位探測(cè)器的搜索機(jī)器人，并制定了飛蛾仿生搜索策略、濃度梯度搜索策略、逆風(fēng)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(tuán)隊(duì)于2002年開發(fā)出了二代主動(dòng)嗅覺機(jī)器人GaPTR-II，又于 2006年在GaPTR-II的三輪機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)基礎(chǔ)上添加了無(wú)線攝像頭，并用性能更高的聲波風(fēng)速計(jì)取代了原來(lái)的機(jī)械風(fēng)速傳感器，開發(fā)出了新一代主動(dòng)嗅覺機(jī)器人。作為經(jīng)典樣本，其的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能模塊在以后的研究當(dāng)中被各國(guó)科學(xué)家廣泛借鑒。 加州理工大學(xué)的Hayes也是該領(lǐng)域里的具有代表性的學(xué)者。他提出了一種通過逆風(fēng)搜索方法判定氣味濃度變化率來(lái)跟蹤氣味煙羽并進(jìn)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(dòng)嗅覺機(jī)器人Moorebots。在Moorebots的基礎(chǔ)上Hayes建立了機(jī)器人群落，并采用蜂群算法開展了自主群機(jī)器人嗅覺定位的研究。仿真建模和搜索實(shí)驗(yàn)證明了多機(jī)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(diǎn)的主動(dòng)嗅覺機(jī)器人也有很多，如澳大利亞蒙納士大學(xué)的Russell于1998年開發(fā)出的六腳機(jī)器螞蟻，能夠追尋地上殘留的信息素軌跡進(jìn)行移動(dòng)。瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究院的Caprari教授研制出了只有2厘米長(zhǎng)的Alice袖珍型嗅覺機(jī)器人，并開發(fā)出了配套的嗅覺芯片。還有德國(guó)蒂賓根大學(xué)的Achim Lilienthal和瑞典厄勒布盧大學(xué)的Tom Duckett合作研制的Mark3型立式移動(dòng)電子鼻。該設(shè)備通過移動(dòng)平臺(tái)兩側(cè)的空氣進(jìn)行采樣制定相應(yīng)的搜索策略。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)學(xué)者在該領(lǐng)域起步較晚，但成果突出。2008年至今在氣源搜索算法和主動(dòng)嗅覺機(jī)器人設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，由中國(guó)學(xué)者發(fā)表的文章占據(jù)了EI收錄文獻(xiàn)的一半以上。天津大學(xué)的孟慶浩教授所在的科研團(tuán)隊(duì)取得的成果最為突出。他們開發(fā)出的主動(dòng)嗅覺機(jī)器人由內(nèi)置的PC（Pentium4，1.5GHz）控制，通過自帶的聲波風(fēng)速計(jì)和MiCS5135氣體傳感器采集周圍的風(fēng)速、風(fēng)向、氣體濃度等信息，通過對(duì)信息的綜合處理進(jìn)行氣源搜索。機(jī)器人帶有激光測(cè)距儀和CCD攝像頭，能夠?qū)λ阉髀窂缴系恼系K物作出規(guī)避反應(yīng)。該機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下以酒精蒸汽為目標(biāo)氣體進(jìn)行了氣源定位實(shí)驗(yàn)。
