基于STM32的空氣污染物搜索機器人設計

熊國虹 王陽 王勤 楊巧 邵壯

摘要 針對室內(nèi)空氣污染物的檢測問題，設計了一款輪式空氣污染物搜索機器人。機器人以STM32為控制核心，搭載多種氣體檢測傳感器，可通過NRF24L01無線模塊將氣體信息傳送到電腦，并設計了基于仿生行為的視嗅覺融合污染源搜索策略。實驗驗證了該機器人能夠在無光情況和光線良好情況搜索到室內(nèi)氣體污染源。

【關鍵詞】空氣污染物搜索 機器人 視嗅覺融合 仿生行為

隨著科技發(fā)展，人們研究出嗅覺機器人代替人或動物進行危險氣體檢查。嗅覺機器人載有氣體傳感器，可對氣體或揮發(fā)性成分做定性或定量的檢測。

早在1964年，Wilkens和Hatman設計了世界上第一個嗅覺設備。1992年Ishida等人研究出根據(jù)風向和濃度信息結(jié)合的搜索算法，提高了機器人的搜索效率。2007年Vergassola等人在仿真環(huán)境中驗證了信息趨向性算法的有效性。國內(nèi)研究相對較晚，孟慶浩團隊在多機器人主動嗅覺領域取得了一系列研究成果;2017年李寧等人設計了基于越野小車的可燃氣體檢測機器人。

本文針對室內(nèi)空氣污染物的檢測問題，設計了一款輪式空氣污染物搜索機器人。

1 硬件系統(tǒng)

機器人硬件系統(tǒng)由電源模塊、MCU模塊、氣體檢測模塊、顯示報警模塊、運動控制模塊、無線通信模塊和上位機軟件構(gòu)成。

其中，控制模塊為STM32單片機;氣體檢測模塊包括CO傳感器、粉塵傳感器和vOc傳感器;運動控制模塊包括電機驅(qū)動和三個紅外測距傳感器;無線通信模塊為NRF24L01，將氣體信息實時傳輸?shù)诫娔X;上位機軟件實時接收、保存和圖形化顯示機器人傳來的氣體信息。

2 搜索策略

部分鳥類捕食過程中眼睛能夠發(fā)現(xiàn)目標時，會采用直線接近目標的方法。據(jù)此，根據(jù)光照情況設計搜索策略：

2.1 無光照

在未發(fā)現(xiàn)煙羽時，采用z字形運動以覆蓋搜索區(qū)域，然后采用螞蟻的半8字形運動方式進行煙羽跟蹤，使機器人保持與煙羽的接觸，同時向污染源趨近。過程中，若出現(xiàn)障礙物且氣體濃度超過閡值，則執(zhí)行環(huán)繞行為進行污染源確認。若所測氣體濃度的最大值是開始搜索任務后的最大值，則停止搜索并發(fā)出警報，否則執(zhí)行避障行為。若煙羽信號丟失則返回隨機搜索。

2.2 光照良好

隨機搜索和煙羽跟蹤與無光情況相同，但在運動過程中若識別到與污染源相同顏色的物體，則執(zhí)行直線靠近行為進行污染源確認，否則繼續(xù)進行隨機搜索或煙羽跟蹤。

3 測試結(jié)果與分析

實驗環(huán)境選擇在一個地面平整、空氣潔凈的房間中，污染源采用藍色瓶裝酒精模擬，白色紙板圍成3*5m的矩形作實驗區(qū)，另在味源1.5m范圍內(nèi)隨機置一干擾物。實驗環(huán)境示意圖及機器人搜索路徑如圖1所示。

機器人搜索路徑在光照良好與無光時不同的是：在z字形運動后遇到黑色物體直接避開，發(fā)現(xiàn)藍色干擾物直接進行污染源確認，若發(fā)現(xiàn)不滿足條件后不再環(huán)繞，若確認是污染源則停止運動。

不改變污染源及起始位置，只改變障礙物、干擾物的位置進行10組無光和有光的對照實驗，無光時機器人搜索成功率約60%，平均用時8分14秒，而有光時成功率100%，平均用時5分36秒。結(jié)果顯示，視覺與嗅覺融合的搜索方法可提高污染源搜索準確率和效率。

4 總結(jié)

本文分別進行了空氣污染物搜索機器人的硬件及搜索算法設計。機器人能夠在無光照和光線良好的情況下搜索到氣體污染源。實驗表明視覺和嗅覺融合搜索策略的可行性。

對以后的研究有以下展望：

（1）增加風向傳感器，使機器人更能適應有風環(huán)境;

（2）繼續(xù)研究氣體擴散規(guī)律及模型，在室內(nèi)搜索的基礎上增加室外搜索的功能。

參考文獻

[1]閆李慧等，仿生電子鼻及其在食品工業(yè)中的應用研究[J].食品與機械，2010， 26 （06）：156-159.

[2] Hiroshi Ishida， TakamichiNakamoto，Toyosaka Moriizumi. Remotesensing of gas/odor source locationand concentration distribution usingmobile system[J].Sensors &Actuators：B. Chemical， 1998， 49 （01）.

[3] Vergassola Ma s s imo， VillermauxEmmanuel， Shraiman Boris I.Infotaxisas a strategy for searching withoutgradients [J]. Nature， 2007， Vol. 445（7126）.

[4]孟慶浩，李飛，張明路，湍流煙羽環(huán)境下多機器人主動嗅覺實現(xiàn)方法研究[J].自動化學報，2008， 34 （10）：1281-1290.

[5]李寧，邱選兵等，工業(yè)可燃氣體泄漏源搜索機器人設計[J].化工自動化及儀表，2017， 44 （06）： 586-590.