仿人头像机器人人工鼻-肺系统及气味识别算法研究

摘要

随着生活环境的日益复杂，混合气体的识别与检测成为亟待解决的问题。而仿人头像机器人作为仿人全身机器人的一部分，其研究主要集中在表情、语音、视觉等方面，在嗅觉方面的研究较少。此外，虽然现有的嗅觉研究气体识别正确率比较理想，但所针对的实验气体种类少，混合气体识别其组份也少。本文的研究是在H&Frobot-Ⅲ型仿人头像机器人上添加嗅觉模块，以使仿人头像机器人具备嗅觉感知功能，并对酒精/硫化氢/氨气/烟雾/甲烷5种单一气体及硫化氢/烟雾/甲烷组成的4种混合气体共9种气体进行识别。最终完成仿人头像机器人嗅觉感知与表情输出的协调。
　　针对仿人头像机器人设计并研制人工鼻-肺系统软硬件。其中，“人工鼻”包括信号采集电路和测试容器，“人工肺”由微型真空泵实现其吸、呼气功能。在硬件基础上设计单片机软件和上位机软件以实现系统的信号采集与传输功能。
　　对气体识别算法进行对比研究和程序设计。首先利用K-均值聚类分析方法根据实验数据对气体进行分类处理。然后本文针对5种单一气体采用遗传算法与BP神经网络结合的算法,并针对9种气体（5种单一气体，4种混合气体）设计三级级联神经网络的算法。
　　实施气体识别实验。结果表明：利用K-均值聚类分析方法识别气体无效；遗传算法与BP神经网络结合的算法对5种单一气体的识别正确率为90％以上；利用三级级联神经网络的算法对9种气体的识别正确率除了硫化氢烟雾混合气体是70%外，其它八种气体的识别正确率为90%以上。
　　将人工鼻-肺系统集成到H&Frobot-Ⅲ型仿人头像机器人系统上，实施仿人头像机器人嗅觉与表情的协调实验。经反复实验可知在相同气味刺激下，机器人可实现与人类似的表情反应。
　　本文的研究将使仿人头像机器人H&Frobot-Ⅲ与人之间的距离更近、沟通更无障碍。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 分析与总结

1.4 本文主要研究内容

第2章 仿人头像机器人人工鼻-肺系统研制

2.1 引言

2.2 仿人头像机器人系统简介

2.3 人工鼻-肺系统的软硬件设计

2.4 人工鼻-肺系统硬件研制

2.5 本章小结

第3章 气体识别算法及程序设计

3.1 引言

3.2 遗传算法与神经网络算法基本原理

3.3 K-均值聚类分析

3.4 基于遗传算法和BP神经网络结合的气体识别算法程序设计

3.5 本章小结

第4章 人工鼻-肺系统气体识别实验

4.1 引言

4.2 实验数据预处理和特征值提取

4.3 K-均值聚类分析方法识别气体

4.4 单一气体气味识别实验

4.5 混合气体气味识别实验

4.6 本章小结

第5章 仿人头像机器人系统嗅觉与表情协调实验

5.1 引言

5.2 气体与仿人头像机器人表情协调对应

5.3 仿人头像机器人嗅觉与表情协调系统

5.4 仿人头像机器人嗅觉与表情协调实验与评价

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢