本發(fā)明涉及一種氣味檢測裝置，特別是能進(jìn)行三維氣味來源方向的感知。
背景技術(shù)：
：：隨著工業(yè)化的發(fā)展，突發(fā)毒害氣體泄漏引發(fā)的惡性事故頻頻發(fā)生，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，使生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞，甚至還引發(fā)社會恐慌等問題。因此有毒有害氣味泄漏源的探測有著重要的意義。氣味來源的探測設(shè)備可以分為被動式和主動式。被動式探測設(shè)備是指探測儀器不具有自主移動能力，探測過程需要人工參與；主動式探測設(shè)備可以自主移動尋找氣味來源。目前氣味來源探測主要依靠的商業(yè)手持可燃/有毒氣體探測儀{專利CN200810059559.6}就是一種被動式探測儀器，它只能測量儀器所在位置的氣體濃度，操作人員通過測量多點(diǎn)的濃度，人工判斷氣味來源，這種方式搜尋效率低，且有毒有害氣體對操作人員有潛在危害。日本東京農(nóng)工大學(xué)的Ishida教授開發(fā)了一種可指示氣味來源方向的氣味羅盤{IshidaH,NakamotoT,MoriizumiT.Studyofodorcompass[C].IEEE/SICE/RSJInternationalConferenceonMultisensorFusionandIntegrationforIntelligentSystems.IEEE,1996:222-226.}，該氣味羅盤是一種機(jī)械式的氣味指示裝置，它使用風(fēng)扇和旋轉(zhuǎn)擋板來判斷氣味來源方向，由于采用的機(jī)械部件較多，難以做到小型化，同時(shí)也存在易老化易損壞的問題。孟慶浩等提供一種可指示氣味源方向的便攜式氣體探測裝置及方法{專利CN201410605741.2}，并設(shè)計(jì)了手持儀器{WeiY.-T.,MengQ.-H.,JingY.-Q.,etal.APortableOdor-TracingInstrument[J].IEEETransactionsonInstrumentation&Measurement,2016,65(3):631-642.}，該發(fā)明設(shè)計(jì)了一種將多個(gè)氣體傳感器連通的氣室，通過綜合多個(gè)氣體傳感器測得的濃度信息估計(jì)出氣味源方向，避免了機(jī)械式氣味羅盤的機(jī)械旋轉(zhuǎn)操作。但是該發(fā)明的不足之處是，它只能探測二維平面上的氣味來源方向，不能獲得氣味來源的高度信息，且必須在有風(fēng)環(huán)境中使用，另外，由于它是一種手持式設(shè)備，當(dāng)有毒有害氣體泄漏事件發(fā)生時(shí)，需要操作人員手持設(shè)備深入污染區(qū)域作業(yè)，這對操作人員的健康有潛在危害。移動機(jī)器人主動嗅覺{孟慶浩、李飛.主動嗅覺研究現(xiàn)狀[J].機(jī)器人28.1(2006):89-96}是利用機(jī)器人移動尋找氣味來源的一個(gè)研究方向，因此嗅覺機(jī)器人是一種主動式探測設(shè)備。但是這個(gè)方向的成果目前還處在二維(地面)氣味來源搜索{專利CN200810054299.3}的階段，采用的移動機(jī)器人為地面輪式機(jī)器人，搜索環(huán)境一般限制在結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，不適用于三維環(huán)境及復(fù)雜地形。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種可感知三維氣味來源方向的旋翼無人機(jī)機(jī)載氣味檢測方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種旋翼無人機(jī)機(jī)載三維氣味來源方向檢測方法，在所采用的旋翼無人機(jī)的中心安裝有慣性測量單元和磁力計(jì)，氣味傳感器均勻排布在以中心為圓形的圓周上，采用粒子濾波框架，粒子集為三維氣味來源的可能方向的集合，在計(jì)算中采用虛擬氣味源與無人機(jī)的相對位置矢量來描述氣味來源的可能方向，這樣每個(gè)粒子被視為一個(gè)虛擬氣味源，每個(gè)粒子連續(xù)不斷釋放虛擬氣味包，通過比較虛擬氣味包造成的氣味傳感器信號時(shí)間延遲、波動方差和實(shí)際測量的信號時(shí)間延遲、波動方差，得到每個(gè)粒子的似然度，即每個(gè)虛擬氣味源是真實(shí)氣味源的概率；在每個(gè)計(jì)算周期，粒子的權(quán)重根據(jù)其似然度進(jìn)行更新，似然度較高的粒子獲得較大的權(quán)重；為了實(shí)時(shí)跟蹤氣味來源方向，在每個(gè)算法周期內(nèi)都進(jìn)行一次重采樣，刪除權(quán)重過小的粒子，并分裂權(quán)重過大的粒子；氣味的來源方向?yàn)楦髁Ｗ游恢檬噶康募訖?quán)矢量和。優(yōu)選地，在一個(gè)算法周期內(nèi)，采用如下的步驟：1)采用卡爾曼濾波對氣味傳感器采集的信號進(jìn)行預(yù)處理。2)對1)預(yù)處理后的信號進(jìn)行高頻率重新采樣，并使用高斯濾波器對最近一段時(shí)間的信號進(jìn)行平滑處理。3)對2)平滑處理后的信號求取高階導(dǎo)數(shù)信號。4)對3)的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。5)對4)的結(jié)果進(jìn)行滑動互相關(guān)運(yùn)算，求取傳感器信號之間的時(shí)間延遲信息，并且求取步驟2)平滑處理后的各個(gè)傳感器信號的波動方差。6)根據(jù)慣性測量單元和磁力計(jì)的歷史輸出計(jì)算傳感器歷史位置信息，采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器估計(jì)風(fēng)擾。7)假設(shè)每個(gè)粒子連續(xù)不斷釋放虛擬氣味包，結(jié)合旋翼無人機(jī)的下洗氣流特征和估計(jì)的風(fēng)擾，計(jì)算該粒子釋放的虛擬氣味包的運(yùn)動軌跡，并使用高斯核函數(shù)計(jì)算這些虛擬氣味包造成的傳感器信號時(shí)間延遲和波動方差。8)比較步驟[7]與步驟[5]的結(jié)果，計(jì)算各個(gè)粒子的似然度，結(jié)果較近似的粒子獲得較高的似然度。9)更新各個(gè)粒子的權(quán)重，具有較高似然度的粒子獲得較大的權(quán)重，氣味的來源方向?yàn)楦髁Ｗ游恢檬噶康募訖?quán)矢量和。10)重采樣粒子,設(shè)定權(quán)重閾值的上限和下限，將權(quán)重過小的粒子刪除，并將權(quán)重過大的粒子分裂為多個(gè)以高斯分布圍繞該粒子的新粒子?？梢允褂妙A(yù)定尾流模型(prescribedwakemodel)近似計(jì)算旋翼無人機(jī)的下洗氣流特征。本發(fā)明主要優(yōu)點(diǎn)及特色體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：1、本發(fā)明的氣味檢測方法利用旋翼無人機(jī)的下洗氣流誘導(dǎo)產(chǎn)生的局部氣味擴(kuò)散模式，通過融合多枚氣體傳感器、慣性測量單元和磁力計(jì)的信息，估計(jì)三維氣味來源方向。2、相較于傳統(tǒng)的可燃/有毒氣體探測儀，本發(fā)明不僅能夠提供被測點(diǎn)的氣味濃度信息，而且能夠提供三維氣味來源方向的信息。3、本發(fā)明不涉及傳統(tǒng)氣味羅盤的機(jī)械旋轉(zhuǎn)操作，而且相較于“可指示氣味源方向的便攜式氣體探測裝置及方法”{專利CN201410605741.2}，本發(fā)明不僅可以計(jì)算二維平面上的氣味來源方向，也可以估計(jì)氣味源與裝置的高度差，另外，由于利用了旋翼的泵吸作用，本發(fā)明在有風(fēng)環(huán)境和無風(fēng)環(huán)境均適用。4、相對于移動機(jī)器人主動嗅覺來說，本發(fā)明由于采用旋翼無人機(jī)作為運(yùn)動載體，在復(fù)雜環(huán)境和地形下，通過性更強(qiáng)。附圖說明圖1為本發(fā)明的氣味檢測裝置結(jié)構(gòu)示意俯視圖。圖2為本發(fā)明的氣味檢測裝置結(jié)構(gòu)示意側(cè)視圖。圖3為本發(fā)明的三維氣味來源方向感知算法流程圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明使用的氣體傳感器需要為相同型號，實(shí)際中根據(jù)待測氣體進(jìn)行選型。本發(fā)明對使用的慣性測量單元和磁力計(jì)的精度要求不高，實(shí)際中可采用最常用的集成式陀螺儀/加速度計(jì)/磁力計(jì)(電子指南針)芯片。本發(fā)明涉及的核心傳感部件由三枚氣體傳感器、慣性測量單元和磁力計(jì)組成(俯視圖參見圖1，側(cè)視圖參見圖2)。慣性測量單元和磁力計(jì)安裝在底板1的中心，底板1以捷聯(lián)方式安裝在旋翼無人機(jī)的中心，且與電機(jī)8、9、10、11構(gòu)成的平面平行。橫板2、3、4與底板1通過螺絲固定，它們以等角度間隔呈放射狀固定在與底板同一平面的四周，橫板2、3、4的末端分別放置氣體傳感器5、6、7，傳感器的放置方式是氣敏側(cè)朝向旋翼。同時(shí)需要控制橫板2、3、4的厚度，使傳感器氣敏側(cè)的高度小于旋翼無人機(jī)的電機(jī)高度，以使傳感器不阻擋旋翼的正常旋轉(zhuǎn)，且離旋翼的旋轉(zhuǎn)平面有一定的微小距離。本發(fā)明利用上述的氣味檢測裝置實(shí)現(xiàn)的三維氣味來源方向感知方法，利用旋翼下洗氣流特征和多枚氣體傳感器信號的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)三維氣味來源方向感知。更具體地說，本方法將三維氣味來源方向分解為水平(二維)分量和豎直分量，這是因?yàn)?，不同水平分量方向擴(kuò)散而來的氣味會造成多枚氣體傳感器不同的信號時(shí)間延遲模式，根據(jù)信號時(shí)間延遲可以逆推氣味來源方向的水平分量，另外，由于旋翼對其上方空氣的泵吸作用和對其下方空氣的下洗作用，氣味擴(kuò)散軌跡在旋翼附近會產(chǎn)生扭曲，這會造成多枚氣體傳感器不同的信號波動方差，根據(jù)信號波動方差可以估計(jì)氣味來源方向的豎直分量。由于旋翼下洗氣流特征具有非線性的特點(diǎn)，而且旋翼無人機(jī)在正常飛行時(shí)，它的姿態(tài)、位置是不斷變化的，很難建立氣體傳感器信號時(shí)間延遲、波動方差與氣味來源方向的解析表達(dá)，因此本發(fā)明采用粒子濾波框架，將三維氣味來源的可能方向建模為粒子集，每個(gè)粒子連續(xù)不斷釋放虛擬氣味包，這樣通過比較虛擬氣味包造成的氣體傳感器信號時(shí)間延遲、波動方差和實(shí)際測量的信號時(shí)間延遲、波動方差，可以得到每個(gè)粒子的似然度。本發(fā)明的三維氣味來源方向感知方法如下所述(參見圖3)：[1]旋翼無人機(jī)上電時(shí)，氣味檢測裝置也上電開始初始化。慣性測量單元和磁力計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，氣體傳感器開始預(yù)熱，不同的氣體傳感器的預(yù)熱時(shí)間不同。[2]旋翼無人機(jī)起飛時(shí)，氣味檢測裝置的處理器開始執(zhí)行算法循環(huán)，初始化粒子集，每個(gè)粒子表示氣味源的可能方向，粒子保持在以旋翼無人機(jī)為中心的一定范圍內(nèi)，此時(shí)粒子在以旋翼無人機(jī)為中心的球面上均勻分布。算法的執(zhí)行頻率可根據(jù)所采用的處理器性能有所調(diào)整，本實(shí)例的算法執(zhí)行頻率為10Hz。[3]在一個(gè)算法周期內(nèi)，處理器首先采用卡爾曼濾波處理氣味傳感器的電壓信號，以抑制旋翼無人機(jī)的電機(jī)產(chǎn)生的電磁噪聲影響。[4]對步驟[3]的結(jié)果進(jìn)行高頻率重新采樣(本實(shí)例使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的采樣率較低，如果采樣率較高則不需要重新采樣)，并使用高斯濾波器對最近一段時(shí)間(本實(shí)例為10s)的信號進(jìn)行平滑。[5]對步驟[4]的結(jié)果求取高階導(dǎo)數(shù)信號，本實(shí)例采用二階導(dǎo)數(shù)。[6]對步驟[5]的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。[7]對步驟[6]的結(jié)果進(jìn)行滑動互相關(guān)運(yùn)算，求取傳感器信號之間的時(shí)間延遲信息。并且求取步驟[4]結(jié)果的各傳感器信號的波動方差。[8]根據(jù)慣性測量單元和磁力計(jì)的歷史輸出計(jì)算傳感器歷史位置信息并估計(jì)風(fēng)向。[9]假設(shè)每個(gè)粒子連續(xù)不斷釋放氣味包，結(jié)合旋翼無人機(jī)的下洗氣流特征和估計(jì)的風(fēng)向，計(jì)算該粒子釋放的氣味包的運(yùn)動軌跡，并使用高斯核函數(shù)計(jì)算這些氣味包造成的傳感器信號時(shí)間延遲和波動方差。本實(shí)例使用預(yù)定尾流模型(prescribedwakemodel)近似計(jì)算旋翼無人機(jī)的下洗氣流特征。[10]比較步驟[9]與步驟[7]的結(jié)果，計(jì)算各個(gè)粒子的似然度。結(jié)果較近似的粒子獲得較高的似然度。[11]根據(jù)步驟[10]的結(jié)果更新各個(gè)粒子的權(quán)重，計(jì)算氣味的來源方向?yàn)楦髁Ｗ臃较虻募訖?quán)矢量和。本實(shí)例采用旋翼無人機(jī)的機(jī)體坐標(biāo)系，氣味的來源方向?yàn)楦髁Ｗ游恢檬噶康募訖?quán)矢量和。[12]在必要時(shí)進(jìn)行粒子的重采樣。[13]在下一個(gè)算法執(zhí)行周期，返回步驟[3]。當(dāng)前第1頁1 2 3 當(dāng)前第1頁1 2 3