一种气味来源三维方向检测方法技术

本发明专利技术涉及一种气味来源三维方向检测方法，将四个气味传感器布置在四面体的四个顶点上，方法如下：四枚传感器采集一段时间的气味，输出电压时间序列。将所输出的电压时间序列进行连续小波变换，得到多个尺度下的波动信号。提取各个尺度波动信号的模极大值，建立模极大值线。定义模极大值线的相似性，结合三种相似性并加以相应权重得到最终的全局相似性，权重根据各项差异的显著程度设定，从而识别出同一个气味到达或离开事件。根据模极大值线的相似性，将四个传感器的各个模极大值线作匹配，将全局相似性最高的模极大值线匹配成一组，以找到它们对同一气味到达或离开事件的响应。

A three-dimensional direction detection method for odor sources

The invention relates to a method for odor source three-dimensional direction detection, the following four odor sensor placement method in the four vertex tetrahedron, four sensor acquisition time odor, output voltage time series. The output voltage time series are continuous wavelet transform, and the fluctuation signals at different scales are obtained. The modulus maxima of each scale fluctuation signal are extracted, and the modulus maximum line is established. The definition of modulus maxima similarity line, with three similarity to the corresponding weights to obtain the final global similarity weight is set according to the significant degree of the difference, in order to identify the same odor events arrive or leave. According to the similarity of the modulus maxima line, each mode of four sensors maximum line matching, the highest similarity global maxima, into a group, to find their response to the same odor events arrive or leave.

【技术实现步骤摘要】
一种气味来源三维方向检测方法
本专利技术涉及一种气味来源方向检测装置及方法，特别是能检测气味来源的三维方向。
技术介绍
随着工业化的发展，越来越多的化学危险品直接或间接地应用于生产生活中，但在使用、生产、储存或运输毒害气体的过程中，由人为或客观因素造成的泄漏事件时有发生。毒害气体的泄露严重威胁着人民的生命安全、社会的财产安全以及经济发展。因此快速、准确、可靠地查到事先未知的泄漏源位置对后期的合理处置和抢救至关重要。目前，气味源探测方法主要包含两种范式，其中应用较为广泛的方法是从气味传感器和风测量设备的时间序列中挖掘气味源的方位信息，即检测到气味时利用风信息逆推出气味来源方位。这种方法依赖风向信息，需要风速测量设备，而高精度风速仪通常体积和重量较大，对应用场合有一定的要求。第二种范式则是从多个气味传感器的时空序列中挖掘出隐藏的气味源方位信息。由于不需要风速测量设备，这种范式更适用于便携设备及对尺寸或载重有要求的机器人(例如微型机器人、旋翼无人机等)。Ishida设计了机械式的气味罗盘来指示气味源方向{NakamotoT,IshidaH,MoriizumiT.Anodorcompassforlocalizinganodorsource[J].SensorsandActuatorsB:Chemical,1996,35(1):32–36.}{IshidaH,KobayashiA,NakamotoT,etal.Three-dimensionalodorcompass[J].RoboticsandAutomation,IEEETransactionson,1999,15(2):251–257.}，此罗盘由4个半导体气味传感器、风扇和电机等部件组成，罗盘探头不断旋转调整姿态以保持4枚气味传感器响应信号的平衡，罗盘探头指示方向即为气味来源方向。但该装置机械部件较多，难以做到小型化，也存在易老化易损坏的问题。另外，此方法需要伺服电机缓慢地带动传感器组来遍历各个方向，气味方位判断的效率较低。孟庆浩专利技术了一种可以指示气味源方向的气体探测装置及方法{专利CN201410605741.2}，并提出了一种相应的气味源方位判断方法{WeiY.-T.,MengQ.-H.,JingY.-Q.,etal.APortableOdor-TracingInstrument[J].IEEETransactionsonInstrumentation&Measurement,2016,65(3):631-642.}。此方法采用高斯差分算子(DifferentofGaussian,DoG)处理3个两两等距安装的气味传感器的时空序列，建立传感器变化信号的DoG尺度空间，之后从中提取时间差信息并通过统计计算得到气味来源方向。但此方法可调参数较多，参数调整多依赖经验，方法性能对参数敏感，且设备使用离不开人工决策，无法避免毒害气体对操作人员造成的潜在危害。另外，此装置及方法只能检测气味来源的水平二维方向，无法获知气味来源的高度信息。孟庆浩专利技术了一种用于三维环境中气味源方向指示的检测方法{专利CN201610815146.0}，该方法将气味传感器安装于正多面体的顶点上，使十二个传感器均匀的分布于一个球面上。监测传感器输出的浓度值，高于设定阈值则认为该传感器检测到了气味包，作为第一传感器，在第二传感器、第三传感器检测到气味包后，记录下检测到气味包的时间差；若不同传感器气味检测事件时间间隔小于200ms，且后一个检测到的气味浓度比前一个低，则满足传感器同包条件；最后根据检测到气味包的时间差计算气味包的三维来源方向。但此方法存在以下两点不足：1)判断同包条件直接使用传感器浓度值，而不同传感器的基线差别比较大，而且是随使用时间、传感器寿命、环境等因素不断变化，每次使用之前均需要校准传感器基线；2)当传感器距离较近时，常用的金属氧化物传感器不容易分辨出前后两个传感器的浓度差异，而增加传感器距离会使检测装置体积增大，影响便携性。
技术实现思路
本专利技术提供一种不依赖风信息，可调参数少，对可调参数不敏感，不依赖人工决策，检测速度快且准的气味来源三维方向检测方法。此外，该方法适用于便携设备、环境监测自动站、地面机器人、旋翼无人机等的气味检测，特别是能装备至体积和载重较小的微型机器人上。本专利技术的技术方案如下：一种气味来源三维方向检测方法，该方法将四个气味传感器布置在四面体的四个顶点上，检测方法如下：[1]气味浓度越高输出的原始电压越低，四枚传感器采集一段时间的气味，输出电压时间序列。[2]对每个气味传感器，将所输出的电压时间序列进行连续小波变换，得到多个尺度下的波动信号，变换后的波动信号中负值表示气味的到达，正值对应气味的离开，波动信号的极小值对应气味的最大聚集速率，极大值对应气味的最大耗散速率。[3]提取各个尺度波动信号的模极大值，建立模极大值线，在模极大值线中，极小值线对应气味到达事件，极大值线对应气味离开事件。[5]从三个方面定义模极大值线的相似性：1)模极大值随尺度的变化趋势；2)极值点对应时间随尺度的变化趋势；3)模极大值线延伸的最大尺度；对于极大值线l1，l2，前两者的相似性χw(l1,l2)和χt(l1,l2)由皮尔逊相关系数算得；第三者的相似性即最大尺度相似性χs(l1,l2)＝1-|N1-N2|/Ns，其中N1，N2为极大值线l1，l2延伸到的最大尺度；结合三种相似性并加以相应权重得到最终的全局相似性，权重根据各项差异的显著程度设定，从而识别出同一个气味到达或离开事件。[6]根据模极大值线的相似性，将四个传感器的各个模极大值线作匹配，将全局相似性最高的模极大值线匹配成一组，以找到它们对同一气味到达或离开事件的响应。[7]根据四个传感器对同一个气味到达或离开事件的响应时间差计算得到气味来源方位。[8]采用步骤[1]至[7]的方法检测多次气味来源方位，求取矢量和作为最终的气味源方向。本专利技术主要优点及特色体现在如下几个方面：1.该方法用尽量少的传感器直接检测到包含气味流动特性的时空信息。四枚传感器的摆放方式提供了气味来源检测的最优方案，在检测从各个方向扩散来的气味信息的同时，避免了信息的冗余。2.相较于传统的气体探测方法，此方法不依赖风信息，无需风速测量装置。在降低成本的同时，此方法使用更灵活，应用更广泛，尤其更适用于微小机器人或无人机等对载重有要求的气味搜寻设备。3.本方法消除了不同气味传感器基线差异的影响，不需要在使用之前进行校准。4.在一次方向估计中，此方法根据气味到达/离开四个传感器的时间差来计算得到气味源的方向，其中采用模极大值线的思想进行传感器响应信号的匹配，提高了匹配成功率，使得此方法计算快速且精度更高。5.此方法中的可调参数较少，且方法性能对参数不敏感，方法性能及稳定性得以保障。6.本方法在气味来源方位指示上避免了人工决策，结合机器人在危险环境中作业，可避免毒害气体对操作人员造成的健康危害。附图说明图1为本专利技术的气味来源三维方向检测装置的主视图。图2为检测装置的硬件组成结构图。图3为本专利技术的气味来源方向推理算法流程图。具体实施方式本专利技术涉及的核心传感部件由同一型号的四枚气体传感器组成，使用支架和支撑杆支撑，形成正四面体结构，实际中根据待测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气味来源三维方向检测方法，该方法将四个气味传感器布置在四面体的四个顶点上，检测方法如下：[1]气味浓度越高输出的原始电压越低，四枚传感器采集一段时间的气味，输出电压时间序列；[2]对每个气味传感器，将所输出的电压时间序列进行连续小波变换，得到多个尺度下的波动信号，变换后的波动信号中负值表示气味的到达，正值对应气味的离开，波动信号的极小值对应气味的最大聚集速率，极大值对应气味的最大耗散速率；[3]提取各个尺度波动信号的模极大值，建立模极大值线，在模极大值线中，极小值线对应气味到达事件，极大值线对应气味离开事件；[5]从三个方面定义模极大值线的相似性：1)模极大值随尺度的变化趋势；2)极值点对应时间随尺度的变化趋势；3)模极大值线延伸的最大尺度；对于极大值线l1，l2，前两者的相似性χw(l1,l2)和χt(l1,l2)由皮尔逊相关系数算得；第三者的相似性即最大尺度相似性χs(l1,l2)＝1‑|N1‑N2|/Ns，其中N1，N2为极大值线l1，l2延伸到的最大尺度；结合三种相似性并加以相应权重得到最终的全局相似性，权重根据各项差异的显著程度设定，从而识别出同一个气味到达或离开事件；[6]根据模极大值线的相似性，将四个传感器的各个模极大值线作匹配，将全局相似性最高的模极大值线匹配成一组，以找到它们对同一气味到达或离开事件的响应；[7]根据四个传感器对同一个气味到达或离开事件的响应时间差计算得到气味来源方位；[8]采用步骤[1]至[7]的方法检测多次气味来源方位，求取矢量和作为最终的气味源方向。...

【技术特征摘要】
1.一种气味来源三维方向检测方法，该方法将四个气味传感器布置在四面体的四个顶点上，检测方法如下：[1]气味浓度越高输出的原始电压越低，四枚传感器采集一段时间的气味，输出电压时间序列；[2]对每个气味传感器，将所输出的电压时间序列进行连续小波变换，得到多个尺度下的波动信号，变换后的波动信号中负值表示气味的到达，正值对应气味的离开，波动信号的极小值对应气味的最大聚集速率，极大值对应气味的最大耗散速率；[3]提取各个尺度波动信号的模极大值，建立模极大值线，在模极大值线中，极小值线对应气味到达事件，极大值线对应气味离开事件；[5]从三个方面定义模极大值线的相似性：1)模极大值随尺度的变化趋势；2)极值点对应时间随尺度的变化趋势；3)模极大值线延伸的最大尺度；...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆浩，王佳瑛，罗冰，康张琦，曾明，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12