陳寅生,趙文杰,宋 凱,王 祁(.哈爾濱理工大學(xué)測控技術(shù)與通信工程學(xué)院,哈爾濱 5000;.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院,哈爾濱 5000)

氣源搜尋結(jié)合了機器人技術(shù)和傳感器技術(shù),是當(dāng)前仿生嗅覺研究領(lǐng)域中的一個活躍的研究方向。嗅覺機器人在搜尋易燃易爆氣體、危險化學(xué)品泄漏、大氣污染源等方面具有潛在的應(yīng)用價值[1-3]。

為了對危險氣體泄露源進行準(zhǔn)確定位,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進行了大量的研究工作。Russell和Deveza利用樟腦鋪設(shè)了一條路線,設(shè)計了安裝了兩個氣體傳感器的嗅覺機器人沿著這條路線行走[4]。此外,Russell還提出了一種通過跟蹤氣味煙羽進行氣源定位的氣源搜尋算法[5]。Kuwana和Shimoyama將兩個昆蟲的觸角作為傳感器安裝在機器人上獲取空氣中的信息素,提出了一種仿生蠶蛾信息素?zé)熡鸶櫵惴?。Kazadi等采用相似的算法控制裝有聚合體傳感器的機器人跟蹤水蒸氣形成的煙羽[6]。Grasso等研制了仿生機器蝦用來研究龍蝦識別和跟蹤氣味的方式[7],該機器人能夠在水中移動,利用左右兩邊裝配的氣敏傳感器進行導(dǎo)航。Morse等人模仿蚯蚓的化學(xué)向性,并利用視覺傳感器感測光強的梯度來對機器人進行導(dǎo)航,實現(xiàn)了化學(xué)趨向性的算法[8]。Tom Ducket的團隊提出了一種新的理念,利用電子鼻測量氣體煙羽中與氣源不同距離和不同角度的位置,利用這些數(shù)據(jù)對電子鼻進行訓(xùn)練,使訓(xùn)練好的電子鼻可以預(yù)測氣源的距離、運動方向和氣源方向角等信息,從而迅速尋找到氣源[9]。Ishida H等人采用多個氣體傳感器構(gòu)成一個平面陣列,通過陣列感知的數(shù)據(jù)繪制煙羽或氣體濃度的分布圖,根據(jù)分布圖中不同位置的濃度差異,判斷氣源的方向,進而實現(xiàn)氣源定位[10]。浙江大學(xué)王平課題組通過實現(xiàn)大鼠嗅覺神經(jīng)元信號的分析解碼,實現(xiàn)氣味檢測與識別,取得了有效的成果[11]。通過以上的分析可知,當(dāng)前利用氣體傳感器檢測煙羽的濃度梯度逐步實現(xiàn)氣源搜尋是目前的經(jīng)濟、有效的實施方案[12]。但是,此類方法仍然存在設(shè)計復(fù)雜且搜尋成功率較低等問題。

鑒于此,本文設(shè)計一種安裝有多個氣體傳感器和風(fēng)速傳感器的嗅覺機器人來檢測濃度梯度和風(fēng)向,嗅覺機器人將融合氣體濃度和風(fēng)速信息決定移動方向,制定搜尋策略,最終實現(xiàn)對單一有害氣體泄漏源的定位。多個嗅覺機器人組成多機器人系統(tǒng),利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行協(xié)作,提高了氣源定位效率和準(zhǔn)確性。當(dāng)一個嗅覺機器人找到泄漏源時將發(fā)出警報聲,其他機器人利用裝配的麥克風(fēng)陣列結(jié)合聲源定位算法進行聲源定位,實現(xiàn)多機器人系統(tǒng)的協(xié)同工作,對泄露源進行間接定位。

為了驗證提出的多機器人系統(tǒng)氣源定位的有效性,本文設(shè)計了基于單一易燃?xì)怏w泄漏源搜尋實驗,對提出的氣源定位算法的有效性和準(zhǔn)確性進行驗證。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。每個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是以DSP TMS320F28335為控制核心的嗅覺機器人。嗅覺機器人上安裝有氣體傳感器、風(fēng)速傳感器、溫度傳感器及麥克風(fēng)陣列對環(huán)境信息進行監(jiān)測,經(jīng)過信號調(diào)理電路由DSP進行采集和處理,驅(qū)動電機并實現(xiàn)嗅覺機器人的導(dǎo)航。嗅覺機器人上裝配有無線傳輸模塊與上位機(PC機)構(gòu)成的Sink節(jié)點進行信息交互,組成氣源搜尋多機器人系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 硬件設(shè)計

嗅覺機器人硬件設(shè)計框圖如圖2所示。由信號處理與控制單元(TMS320F28335)、無線收發(fā)模塊、磁阻傳感器、外部SD卡、實時時鐘及移動小車等組成機器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能部分。在虛線框1內(nèi)的氣體傳感器和風(fēng)速傳感器實現(xiàn)嗅覺機器人對氣體濃度、風(fēng)速信息的采集;虛線框2內(nèi)的觸點傳感器用于在定位氣源后觸發(fā)報警器;在虛線框3內(nèi)的麥克風(fēng)陣列實現(xiàn)機器人對聲音信號采集功能。

圖2 嗅覺機器人硬件設(shè)計框圖

1.1.1 處理與控制單元

本設(shè)計考慮到對多種傳感器數(shù)據(jù)的實時采集和氣源、聲源搜尋算法的實現(xiàn),選用TI公司的TMS320F28335浮點DSP控制器。該DSP具有精度高,成本低,功耗小,性能高,外設(shè)集成度高,數(shù)據(jù)以及程序存儲量大,A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等特點。

1.1.2 氣體傳感器

本設(shè)計采用日本Figaro公司TGS2620型金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器,具有對酒精和有機溶劑蒸汽靈敏度較高的特點,可以應(yīng)用于酒精、有機溶劑蒸汽等可燃性氣體檢測。當(dāng)檢測到可燃?xì)怏w存在時,由于氣體濃度越高,傳感器的電導(dǎo)率就越高。因此,可采用簡單測量電路對氣體濃度的變化進行測量。傳感器部分采用3個氣體傳感器(R1,R2,R3)安裝在彼此間隔120°的等長臂上,組成氣體傳感器陣列實現(xiàn)對氣體濃度的采集,獲取濃度差。氣體傳感器信號調(diào)理電路如圖3所示。圖4所示為嗅覺機器人上安裝的氣體傳感器的分布圖。

圖3 氣體傳感器信號調(diào)理電路

1.1.3 風(fēng)速傳感器

風(fēng)速測量電路中采用鉑電阻PT60作為風(fēng)速測量傳感器,使用45 mA～50 mA的恒流源為其提供工作電流,PT1000用于橋路的溫度補償,減小測量誤差。

風(fēng)速傳感器基于熱量轉(zhuǎn)移原理,加熱鉑電阻到約150 ℃,當(dāng)有風(fēng)吹過鉑電阻會帶走熱量,鉑電阻隨溫度的變化,阻值也隨之變化,實現(xiàn)了對風(fēng)速的測量。嗅覺機器人裝配2個風(fēng)速傳感器對風(fēng)速進行采集(如圖4中F1和F2所示),中間用擋板隔開,進而通過風(fēng)速的比較以確定風(fēng)向。

圖4 氣體傳感器和風(fēng)速傳感器分布圖

1.1.4 磁阻傳感器

本設(shè)計采用霍尼韋爾磁阻傳感器HMC1022,它是雙軸傳感器,可測量橫向、縱向兩個方向的磁感應(yīng)強度,通過比較兩路磁感應(yīng)強度信號,可用于機器人測量二維平面的方向,確定嗅覺機器人的航向角。該磁阻傳感器的信號調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 磁阻傳感器信號調(diào)理電路

1.1.5 音頻采集單元

本設(shè)計采用4個麥克風(fēng)組成陣列實現(xiàn)聲音采集與聲源定位,麥克風(fēng)陣列在機器人上的分布如圖6所示。音頻放大電路采用MAX9812專用音頻放大器實現(xiàn)對麥克風(fēng)輸出信號的放大,如圖7所示。音頻編碼電路采用TLV320AIC23B音頻編碼器實現(xiàn),原理如圖8所示。

圖6 麥克風(fēng)陣列在機器人上的分布

圖7 音頻放大電路

1.1.6 無線傳輸模塊

每個嗅覺機器人上都裝配有無線通信模塊并與上位機Sink節(jié)點一同組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行信息交互。用戶可通過上位機對嗅覺機器人進行控制,而嗅覺機器人的信息也可以反饋到上位機。本設(shè)計采用Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430無線通信模塊,是一種以經(jīng)典8051微處理器為內(nèi)核的無線單片機,如圖9所示。

圖8 音頻編碼電路

圖10 電機驅(qū)動電路

圖9 無線傳輸模塊

1.1.7 電機驅(qū)動模塊

本設(shè)計中機器人的運動利用TI公司生產(chǎn)的L293D驅(qū)動芯片對兩個直流減速電機進行驅(qū)動,電機驅(qū)動電路如圖10所示。

1.2 軟件設(shè)計

1.2.1 嗅覺搜尋DSP軟件設(shè)計

圖11所示為機器人嗅覺搜尋DSP軟件流程圖。

1.2.2 聽覺搜尋DSP軟件設(shè)計

圖12所示為機器人聽覺搜尋DSP軟件流程圖。

圖11 嗅覺搜尋DSP軟件流程圖

圖12 聽覺搜尋DSP軟件流程圖

圖13 無線通信單元軟件流程圖

1.2.3 無線通信單元軟件設(shè)計

無線通信單元實現(xiàn)了機器人與上位機(Sink節(jié)點)的無線數(shù)據(jù)傳輸,構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò),傳輸信息包括移動機器人的航向角,氣體傳感器和風(fēng)速傳感器采集的數(shù)據(jù),聲源方向角,無線網(wǎng)絡(luò)信號強度,搜尋結(jié)果等,同時上位機利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對機器人進行控制。無線通信單元軟件流程如圖13所示。

2 氣源搜尋算法

2.1 半隨機移動法

半隨機移動法類似于細(xì)菌的化學(xué)趨向性,僅采用單獨一個氣體傳感器進行不同點的氣場濃度檢測,通過邏輯判斷,使機器人總向著濃度增大的方向運動。雖然采取類似細(xì)菌的化學(xué)趨向性的算法(機器人每走一步判斷當(dāng)前位置與前一步位置的濃度大小,以決定繼續(xù)前進或者調(diào)轉(zhuǎn)方向),可以大大降低硬件電路的復(fù)雜度,但搜尋時間長,成功率較低。半隨機移動法可以提高成功率,降低時耗,而占用的存儲空間也很小,只需存儲最近3個點的RS/R0。算法原理如下所述:

①無風(fēng)條件下

首先讓機器人隨機前行,測得一條直線上3個點處的RS/R0值(RS為在氣場中氣體傳感器的阻值,R0為在純凈空氣中的氣體傳感器阻值)。然后根據(jù)三點RS/R0的不同確定下一步小車的移動方向。機器人的運動方式只有4種,前進,后轉(zhuǎn)180°,左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。設(shè)三點濃度分別為a,b,c。

算法表述如下:

若ca,則后退到b點,左轉(zhuǎn),前行;

若c>b,則繼續(xù)前進;

若c

此算法能保證機器人一直向濃度增大的方向移動。

②有風(fēng)條件下

在有風(fēng)的情況下,氣體煙羽的形狀將有很大變化,雖然采用半隨機移動法仍然可行,但是效果與一些結(jié)合風(fēng)向信息的搜尋方法相比卻相差很遠(yuǎn)。例如在有風(fēng)的條件下,利用風(fēng)速或者風(fēng)向傳感器使機器人迎風(fēng)運行,即逆風(fēng)方向運動。因而在此條件下,對機器人的控制只要保證它在氣體煙羽范圍之內(nèi)運行就可以實現(xiàn)氣源搜尋。因此,在有風(fēng)條件下,結(jié)合氣體濃度信息和風(fēng)向信息進行算法設(shè)計是一個較好的選擇。當(dāng)風(fēng)向一定時,風(fēng)的方向大致就是氣體濃度梯度分布方向,故沿著逆風(fēng)方向能以最快的速度向氣源移動,其搜尋原理可以表述為:設(shè)置一個氣體傳感器靈敏度(RS/R0)域值,當(dāng)高于該值時,則認(rèn)為失去了煙羽。在機器人探測到RS/R0小于閾值時,機器人認(rèn)為自己處在煙羽中,它將根據(jù)風(fēng)速或者風(fēng)向傳感器沿著逆風(fēng)的方向運動,當(dāng)高于規(guī)定的域值時,就認(rèn)為丟失煙羽,通過繞圈等運動方式迅速地重新找到煙羽。這種搜尋算法用偽代碼表示為:

While(SearchFlag)

{

If(Concentration>LimitVal)

FollowWind;

Else

SearchPlume;

}

2.2 多傳感器融合控制法

①無風(fēng)條件下

無風(fēng)條件下,采用3個氣體傳感器陣列,均勻分布,并與機器人的運動方向垂直。在搜尋過程中,只要保證作為參考的傳感器輸出信號在不斷增大,基本就可以保證機器人能夠沿著煙羽的中心運動,并最終尋找到氣源。令3個傳感器的輸出信號依次為a,b,c,其控制原理可以表示如下:

While(SearchFlag)

{

if(b>a&&b>c)

MoveForward;

Else if(c>b>a)

TurnLeft(60°);

Else if(a>b>c)

TurnRight(60°);

}

機器人按照這一搜尋方式的行走路線類似于雄性飛蛾的“之”字形搜尋方法,具有較高的效率,但是3個傳感器之間的距離是一定的,不可變的,所以當(dāng)氣體濃度較高,在傳感器方向上沒有太大的濃度差時,此搜尋方法效果將會很差,而采用“之”字形搜尋方法,可以通過增加搜尋半徑的方式,尋找濃度差,避免此種情況的發(fā)生。

②有風(fēng)條件下

在有風(fēng)的情況下,在上述方法的基礎(chǔ)上再增加兩個風(fēng)速傳感器,機器人通過風(fēng)速,氣體濃度兩個信息來搜尋氣源?；痉椒ㄊ窍仍谝欢▍^(qū)域內(nèi)按照預(yù)先設(shè)定的濃度閾值尋找到氣體煙羽,然后逆風(fēng)運行,兩種搜尋狀態(tài)在機器人處于煙羽和離開煙羽時進行轉(zhuǎn)換。當(dāng)機器人處于煙羽中時,為提高氣源搜尋的準(zhǔn)確率,其運行方向由左右兩個氣體傳感器輸出差和兩個風(fēng)速傳感器的輸出差融合控制。

3 聲源搜尋算法

聲源定位分為麥克風(fēng)陣列的時延估計和基于時延的聲源定位兩個部分,采用廣義互相關(guān)法實現(xiàn)麥克風(fēng)間的時延估計,并結(jié)合麥克風(fēng)之間的相對物理位置,利用球形定位法求得聲源位置,下面分別介紹廣義互相關(guān)時延估計[13]和球形定位法[14]。

3.1 廣義互相關(guān)時延估計法

假設(shè)兩麥克m1和m2,在沒有混響的情況下,兩麥克接受到同一聲源的信號x1(n)和x2(n)為:

x1(n)=a1s(n-τ1)+w1(n)

(1)

x2(n)=a2s(n-τ2)+w2(n)

(2)

式中:τ1、τ2為兩麥克風(fēng)相對聲源的時延,w1(n)、w2(n)為不相關(guān)的高斯白噪聲。

聲源到兩麥克的信號x1(n)和x2(n)的互相關(guān)函數(shù)R12(τ)可表示為

R12(τ)=E[x1(n),x2(n)]

(3)

將式(1)和式(2)代入式(3),因為w1(n)和w2(n)是不相關(guān)的高斯白噪聲,s(n)和w(n)也是不相關(guān)的隨機信號,可得

R12(τ)=E[a1a2s(n-τ1)s(n-τ2-τ)]
=a1a2Rs[τ-(τ1-τ2)]

(4)

由相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)得,當(dāng)τ=τ1-τ2取最大值。因此求得R12(τ)的最大值對應(yīng)的τ就是兩麥克間的時延τ12。

由互相關(guān)函數(shù)與互功率譜的關(guān)系可得:

(5)

式中:G12(ω)為麥克信號x1(n)和x2(n)間的互功率譜,因此可通過先求得互功率譜,然后經(jīng)過逆變換求得互相關(guān)函數(shù)。

3.2 改進的廣義互相關(guān)法

噪聲和語音的短時處理導(dǎo)致R12(τ)的峰值不明顯,降低了時延τ12估計的精度。為了銳化R12(τ)的峰值,可通過在頻域內(nèi)對互功率譜G12(ω)加權(quán)來抑制噪聲和混響的影響,此時再反變換到時域求得時差τ12。

本系統(tǒng)每個機器人上采用了4個麥克風(fēng),對4個麥克任取一對,可求的6對時延,即麥克i對麥克j的時延dij,并將麥克1作為是否有語音的檢測麥克。現(xiàn)以麥克風(fēng)1和2為例,采用圖14的流程估計麥克1、2時延。

圖14 改進的廣義互相關(guān)法流程圖

3.3 球形插值定位法

利用廣義互相關(guān)法實現(xiàn)麥克風(fēng)陣列時延估計后,球形插值法根據(jù)多個麥克對的時延及物理位置求得一組方程,并在滿足最小均方誤差準(zhǔn)則下解這個方程組,就可得到聲源位置的估計值。

任取一對麥克mi、mj,其與聲源S的幾何關(guān)系如圖15所示。其中,ri是mj到mi的矢量,rs是mj聲源S的矢量,dij是聲源S到麥克mi和mj間的距離差(由時延估計計算),Ri=|ri|,Rs=|rs|。

圖15 麥克mi、mj和聲源S的幾何關(guān)系圖

由矢量幾何和三角形三邊關(guān)系可得

(6)

將式(6)展開并整理得

(7)

由于dij是通過估計時延得到的,與實際值相比有一個偏差,因此式(7)不為零,其誤差為

(8)

假設(shè)有M個麥克,記為(0,1,…,M-l),則可以估計出第(l,…,M-1)個麥克到第0個麥克的距離差,從而得到M-1個方程,當(dāng)均方誤差為最小時,聲源的估計值rs即為聲源的最佳估計值。

圖16 多機器氣源搜尋系統(tǒng)實驗原理圖

4 實驗與分析

單一氣體泄漏源搜尋多機器人實驗系統(tǒng)工作過程如下:如圖16所示,在場地中擺放氣源,在氣源后方放置一臺風(fēng)扇,使揮發(fā)的氣體在風(fēng)扇氣流的作用下快速地形成一個比較穩(wěn)定的氣場(煙羽)。首先,嗅覺機器人根據(jù)3個方向上氣體傳感器采集氣體濃度的不同,向濃度較大的方向?qū)ふ覛鈭?煙羽)的方位。當(dāng)氣體傳感器檢測的氣體濃度達(dá)到所設(shè)濃度閾值時,可判定機器人處于氣場中。然后,通過嗅覺機器人將氣體傳感器和風(fēng)速傳感器的檢測數(shù)據(jù),按照既定策略進行融合處理,利用融合的結(jié)果對氣源方位做出初步判定并依此判定結(jié)果運動,直至找到氣源為止。當(dāng)嗅覺機器人尋找到氣源以后,安裝其前端的報警裝置會觸發(fā)報警,此時在距離報警聲源一定距離處的另外兩個機器人會利用聲源定位算法從不同方向?qū)缶曉次恢眠M行搜尋,以達(dá)到對嗅覺機器人“增援”的目的。在整個系統(tǒng)的工作過程中,3個機器人可以同時對各自所需的信號進行采集、處理、識別,并將檢測結(jié)果通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到Sink節(jié)點,PC機將采集處理的數(shù)據(jù)和搜尋結(jié)果顯示在控制面板上。圖17為氣體泄露源搜尋實驗現(xiàn)場。圖18所示為氣源搜尋多機器人系統(tǒng)上位機軟件界面。如19所示為嗅覺機器人典型氣源搜尋路徑。

圖19 嗅覺機器人典型氣源搜尋路徑

圖17 氣體泄漏源搜尋實驗現(xiàn)場

圖18 氣源搜尋多機器人系統(tǒng)上位機軟件界面

①氣場要求 氣場穩(wěn)定時間需要約5 min,風(fēng)速≥1.5 m/s。當(dāng)氣場使用15～20 min后,由于氣場中被測氣體濃度趨于一致,會使定位誤差較大。

②氣源搜尋 嗅覺機器人與氣源的距離最大為2 m,嗅覺機器人完成一次搜尋

移動距離約為20 cm,每次變向旋轉(zhuǎn)約45°,完成一次氣源搜尋時間約2 min～3 min,當(dāng)觸點傳感器接觸到氣源邊緣時,啟動報警功能,此時認(rèn)為嗅覺機器人找到氣源,氣源搜尋次數(shù)小于10就可找到氣源。

③聲源定位 機器人小車離聲源距離最大為2 m,聲源定位的角度范圍為-180°～+180°全向定位,聲源定位精度為±10°,當(dāng)有較強的語音干擾源時,定位誤差較大。

④聲源搜尋 機器人完成一次搜尋移動距離約為30 cm,聲源搜尋次數(shù)小于10就可找到聲源。

⑤實時性要求 嗅覺機器人移動到新位置會停止5 s,氣體和風(fēng)速傳感器采集數(shù)據(jù)的時間為10 s,通過CCS的Profile工具,完成算法的時間約為2 s,每次移動時間為3 s,故嗅覺機器人完成一次搜尋的時間約為20 s。機器人對聲源的語音信號采集時間為2 s,通過CCS的Profile工具,聽覺機器人完成算法的時間約為3 s,機器人每次移動時間為3 s,故聽覺機器人完成一次搜尋的時間約為8 s。通過對實驗結(jié)果的統(tǒng)計,在開始位置距離氣源2 m之內(nèi)的距離,泄露源定位的準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。

5 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種易燃?xì)怏w泄漏源搜尋多機器人系統(tǒng),研究了基于氣體傳感器和風(fēng)速傳感器相融合的氣源搜尋算法和基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位方法,利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)機器人之間的協(xié)同工作。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠有效地在工作距離為2 m之內(nèi)的空間有效地實現(xiàn)單一泄露源的定位,平均搜尋時間20 s以內(nèi),準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。