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基于仿生嗅觉的味源定位系统研究

杨磊  
【摘要】:仿生嗅觉系统也叫做“电子鼻”,在国防、军事、工业、环保、卫生、安全等诸多领域具有广泛的应用前景。传统的电子鼻是通过对气体传感器阵列的信号响应进行分析从而获取待测气体的种类、浓度、成分等信息。仅仅实现这些功能尚不能满足人们对于电子鼻的需求。因此,近年来研究人员纷纷开始研究如何利用电子鼻来判断气味的方位或者利用搭载有电子鼻的移动机器人来寻找味源的位置。这类电子鼻也就是本文所要研究的味源定位系统。常见做法是设计一个带有分布气体传感器的气味罗盘,利用传感器信号响应差异来判断气味的方向。然而该方法面临的一个重要问题是如何减小烟羽角度的测量误差。 本文在现有的气体传感器技术的基础上,结合气味罗盘的定位原理,设计了一种新的类似于哺乳动物鼻子结构的味源定位系统。该系统带有两个互相垂直的气道,每个气道内部各装有一个气体传感器,能够在水平360°范围内自由转动。其与普通的气味罗盘的不同之处在于气体烟羽信息的采集方式上。普通的气味罗盘一般是停留在某一角度采集气体烟羽的信息,所采集的角度比较有限,因此误差较大;而该系统是在旋转的过程中连续采集气体烟羽的信息,模拟人或动物利用鼻子连续转动来判断气味的方向,所包含的气味信息更多,从而能够有效提高味源的定位精度。 其中气体传感器采用性能稳定的金属氧化物传感器TGS822,采样系统以高性能、低功耗的MSP430F5529为核心,提高了传感器和采样系统的兼容性,从而能够很好的满足实验的要求。以气体烟羽和气道的夹角作为偏转角,每次实验对初始角度从0°到30°每隔5°共七个角度的烟羽信息进行采集。利用K-L变换和Fisher判别法相结合的特征提取方法对训练样本数据进行分类,最后利用测试样本对分类结果进行测试,验证该系统及方案的可行性。 实验结果证明:实验室条件下,本系统采集的数据经过K-L变换和Fisher判别相结合的方法进行特征提取后分类效果较好,也就是说即使传感器的偏转角小到5°也是可以区分气体烟羽角度的。而一般的气味罗盘对于烟羽的区分度为30°,因此,本文设计的味源定位系统对于烟羽角度的定位更加精确,对角度精度要求较高的味源定位应用具有重要意义。


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