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1 引言 目前對于機器人嗅覺問題的研究工作中，主要采用了三種方法來實現機器人嗅覺功能：一是在機器人上安裝單個或多個氣體傳感器，再配置相應處理電路來實現嗅覺功能。研究者大都采用這種方法，如Ishida H 的氣體/氣味煙羽跟蹤機器人；二是研究者自行研制簡易的嗅覺裝置，例如Lilienthal A等研制的用于移動檢查機器人的立體電子鼻，Kuwana使用活的蠶蛾觸角配上電極構造了兩種能感知信息素的機器人嗅覺傳感器；三是采用商業的電子鼻產品，如A Loutfi用機器人進行的氣味識別研究。這些現有技術中，氣體傳感器的性能易受安裝位置的影響，而氣體傳感器的安裝位置恰恰與所采用機器人的特定結構相關，不宜變化，并且現有的嗅覺系統功能單一，穩定性差，不具有通用性。針對現有技術的不足，本文設計了一種新的機器人仿生嗅覺系統，該嗅覺系統集成度高，功能多，并具有簡便的機械接口和通訊接口，可加載到各種類型的機器人上實現其嗅覺功能。使用了4 個針對特定氣體檢測的電化學氣體傳感器和1 個檢測可揮發性氣體的光電離氣體傳感器，故可同時檢測5種有毒有害氣體。 2 系統概述 該嗅覺系統包括：腔體及封裝在其內的仿生鼻腔、吸氣系統和集成電路板。集成電路板分為信號采集板及主控板。信號采集板的信號調理模塊負責氣體信號、溫濕度信號的采集、濾波及放大，然后把調理好的信號傳送給主控板，氣體傳感器陣列通過插槽連接在該板上。主控板上集成了MCU 處理器單元、電源模塊、顯示模塊、吸氣泵控制模塊及通訊模塊。整個系統的組成如圖1 所示。 圖1 機器人仿生嗅覺系統 3 結構設計 3.1 仿生鼻腔及吸氣系統設計 為了結構的緊湊性及加工方便，仿生鼻腔采用簡易的仿人鼻腔結構，如圖1 中所示。腔體內部分成了兩部分，一半腔體是氣流經過的“鼻腔”，一側留有進氣口，如人的鼻前孔，與外界相通，是環境氣體進入“鼻腔”的通道，另一側設計了“鼻腔”的出氣口，如人的鼻后孔，與吸氣系統的吸氣管相通，使吸入到“鼻腔”的氣體經吸氣系統的排氣管排到外殼體外。吸氣系統如人肺一樣能把氣體吸入鼻腔內，由微型吸氣泵、吸氣管及排氣管構成，安裝在另一半腔體的適當位置。與只依靠氣體擴散作用使氣體與氣體傳感器接觸相比，吸氣系統能夠使兩者的接觸更快速、更充分。這樣，“鼻腔”的進氣口可外接軟體或硬體導氣管，使工作環境中的氣體與氣體傳感器的接觸不受整個系統安裝位置的影響，所以可根據機器人的實際結構，選擇合適的安裝位置。另外，可使用密封墊來增強“鼻腔”的氣密性，令氣流能夠在“鼻腔”內快速而集中的流向氣體傳感器探頭上的入氣孔。整個腔體的外形為長方體，外壁上留有電源接口、通訊接口及液晶顯示器接口。通過腔體蓋上的安裝孔，能夠方便的使用螺釘或螺栓把該嗅覺系統連接到機器人上。 3.2 氣體傳感器的選擇 機器人嗅覺研究中使用的嗅覺傳感器總體分兩類，即化學傳感器和生物傳感器。以往的機器人嗅覺研究中，研究者大都采用價格低廉，靈敏度高的金屬氧化物氣體傳感器，但此種傳感器存在對氣體選擇性差、恢復時間長的缺點，滿足不了機器人對實時性的要求。電化學氣體傳感器只對特定的氣體響應，對被測氣體具有良好的選擇性及線性輸出，因而在同時測量多種氣體時可省去模式識別算法，大大減少嗅覺系統的運算量，提高了準確率和檢測效率，滿足機器人對實時性的要求。這種傳感器與特定氣體發生電化學反應而產生電子轉移，根據電子轉移產生的電流大小，可以檢測出被測氣體的濃度，精度可達1ppm，且響應時間也很短。光電離氣體傳感器利用紫外光電離氣體分子，測量頭將此時測量到的紫外光輻射能轉化為氣體濃度，從而用于探測易揮發有機化合物(VOC)。這種氣體傳感器具有靈敏度高，響應快，無中毒現象等優點。故該嗅覺系統中選用了4 個英國城市技術公司生產的4 系列圓柱形電化學氣體傳感器，分別對CO、SO2 及H2S 三種有毒氣體和O2 種發生響應。選用了美國baseline 公司生產的光電離氣體傳感器，可檢測多種易揮發有機化合物，各傳感器檢測范圍如表1 所示。通過更換檢測不同氣體的氣體傳感器，則輕易地實現檢測氣體種類的變化，從而擴展機器人嗅覺系統的應用范圍。 4 系統設計 4.1 硬件電路設計 為了減小嗅覺系統的結構尺寸及考慮抗干擾等問題，把電路集成到了兩塊電路板上，即信號采集板及主控板。信號采集板進行氣體信號及環境溫濕度的采集、濾波及放大等工作。主控板具有電源模塊、通訊模塊、吸氣泵控制模塊及MCU 處理器單元等功能模塊，完成數據的轉換，傳輸、顯示等工作。整個電路的框圖如圖2 所示。 圖 2 硬件電路框圖 系統采用C8051F020 芯片作為微處理器, C8051F020 單片機是完全集成的混合信號系統級芯片，具有與8051 兼容的高速CIP-51 內核，片內集成了數據采集和控制系統中常用的模擬、數字外設及其它功能部件[5]。氣體信號經信號采集板進行濾波、放大，調整到0 到3.3V 范圍內輸入給C8051F單片機的12 位模數轉換器ADC0，選擇單片機的AIN0.0-AIN0.3 和P3.0 口分別作為5 個氣體傳感器信號的模擬輸入通道，選用0P77 作為電壓放大器件。溫度測量模塊中采用DS18B20 溫度傳感器，輸出的數字信號經P3.7 口進入單片機。濕度傳感器為Honeywell 公司的HIH-4000 型濕度傳感器，具有低功耗，高精度的特點。通訊模塊中使用MAX232 芯片實現與機器人主控機的RS232 串口通信，把氣體濃度數據實時的傳輸給機器人主控機。系統的供電電壓為12V，通過電源模塊，轉換成各器件所需的輸入電壓。另外，MCU 單元與GXM12864 LCD 顯示模塊相連，可以實時顯示所測數據，便于調試或作為便攜式氣體檢測裝置。 4.2 軟件設計 仿生嗅覺系統的軟件設計包括單片機軟件設計和機器人主控機上的應用軟件設計。單片機軟件設計主要包括傳感器數據采集處理、串口通訊、數據顯示等部分。系統初始化后，單片機通過配置AMX0SL 寄存器輪流選擇每個氣體傳感器信號進入ADC0 轉換，得到氣體濃度測量數據。然后單片機根據測得的環境溫度及各個氣體傳感器受溫度影響的特性，對氣體濃度測量數據進行補償計算，得到準確的氣體濃度數據。最后將這些數據經串口傳輸給機器人的主控機，也可同時輸出到液晶顯示模塊實時顯示。另外在Visual C++6.0 環境下設計了運行在機器人主控機上的軟件系統，采用多線程技術實現串口數據的讀取及實時氣體濃度曲線的繪制。構建了基于ADO 技術和ACCESS 的數據庫，可在需要時對采集的數據進行存儲，并通過DataGrid 控件顯示歷史數據。數據的存儲功能則便于離線后對所測數據進行分析與管理。 5 試驗 為了使系統對目標氣體的檢測更為準確，分別針對所檢測5 種氣體對系統進行標定。所謂的標定是指使用已知濃度的標準氣對系統的響應進行校準。可選擇氣體傳感器測量范圍內的零點和最大濃度點進行標定。標定零點時均使用清潔的空氣。以標定CO 氣體傳感器為例，說明標定過程。整個標定過程在一個透明的密閉氣室中進行，氣室有操作口、進氣通道和通向室外的通風管，操作人員可通過操作口把手伸入到氣室內進行操作。先開啟系統20 分鐘，使傳感器達到穩定狀態，然后對著嗅覺系統的進氣口處吹入潔凈的空氣，持續3 分鐘，這時由于各種干擾的影響，系統顯示的氣體濃度并不為零，通過調節電路中的相關電位器使CO 氣體的濃度值為零，則零點標定完畢。接下來用500ppm 的CO 標氣標定另一個濃度點。標定完畢后，用100ppm 的CO 標氣對系統進行測試，結果如圖3 所示。使用同樣的方法，依次對其它4 種氣體的濃度點進行標定、測試。結果表明，系統對所測氣體的誤差均在±5ppm 之間，能夠滿足實現機器人嗅覺功能的需要。 圖 3 系統對100ppm CO 氣體的響應結果 6 結論 該機器人仿生嗅覺系統使用電化學和光電離氣體傳感器，能夠同時檢測5 種有毒氣體，且可根據需要方便的變換檢測不同氣體的氣體傳感器，從而擴展了機器人嗅覺系統的應用范圍。具有簡便的機械接口和通訊接口，可作為標準化組件組裝到各種機器人本體上（如移動機器人、仿人形機器人及仿生機器人等），幫助其完成與有毒有害氣體相關的危險性工作，為實現機器人模塊化設計奠定了一定基礎。對機器人系統的主控機而言，它只是接收檢測信息的最終結果，故節省了主控機的資源，有助于提高機器人的工作效率。也可作為便攜式嗅覺裝置獨立使用，可直接從液晶顯示屏上讀取檢測信息。在后續工作中，該系統的使用，將為課題組關于機器人搜尋危險氣體泄漏源的研究工作帶來幫助。 本文創新點在于設計了一種新的機器人仿生嗅覺系統，具有類似人的鼻腔結構，能夠同時檢測CO、SO2、H2S、O2 及一種可揮發性有機化合物氣體。結構緊湊，具有簡便的機械接口和通訊接口，即可作為便攜式嗅覺裝置使用，又可作為機器人標準化組件組裝到各種類型的機器人上，以幫助其完成與嗅覺有關的工作。 本文的研究成果機器人仿生嗅覺系統，可用于各種類型的機器人上，代替人類完成檢測有毒氣體泄漏、搜尋爆炸物、搜救遇難者等危險工作，具有良好的社會效益和經濟效益，預計可帶來一百萬元的經濟效益。 |
