用于三维环境中气味源方向指示的检测方法与流程

本发明涉及一种气体检测装置及方法，特别是能指示三维环境中气味源的方向。

背景技术：

随着工业的发展和技术的进步，越来越多的化学危险品直接或间接地应用于生产生活中。一旦发生有毒、有害气体泄漏，则带来的危害是巨大的。历史上国内外发生过多次大型有毒有害气体泄漏事故，造成了重大的人员伤亡和财产损失。因此气味源的检测，尤其是有毒、有害气体泄漏源的检测在事故预警、环境监测、灾害救援等方面意义重大。

目前，气味源探测的研究主要集中在二维环境中机器人主动嗅觉查找，即采用单个或多个地面嗅觉机器人寻找气味源{孟庆浩，and李飞.”主动嗅觉研究现状.”机器人28.1(2006):89-96.}。这种方法有如下几种缺点：1)地面机器人的使用有较多限制，实用性差。如机器人速度较慢，对地形和环境要求较高，不适合应用于灾害救援等恶劣的环境中；2)地面机器人只能进行二维搜索，不适用于气体泄漏源处于半空中的情况。当泄漏源处于空中时，由于地面机器人不能进行三维搜索，所以给出的并不是正确的结果。

专利CN201410605741.2提出了一种用于指示气味源方向的便携式气体探测装置，但该装置有如下几方面缺点：1)只能对气味源方向进行二维检测，同样不适用于气味源处于空中的情况；2)方向估计的精度为30度，只能指出气味源方向在这30度范围内，精度较差。

Ishida等提出了一种气味罗盘来指示气味源方向{Ishida,Hiroshi,Takamichi Nakamoto,and Toyosaka Moriizumi.“Study of odor compass.”Multisensor Fusion and Integration for Intelligent Systems,1996.IEEE/SICE/RSYInternational Conference on.IEEE,1996.},该气味罗盘通过风扇和可控制传感器组旋转的伺服电机，来将各个方向的气味信息送到传感器组附近进行检测，根据传感器组的响应来得到气味源方向。该方法存在如下缺点：1)采用风扇旋转将气味信息吸到传感器附近，这种方式本身会对周围的气味分布产生较大的影响，会影响气味源的判断；2)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(主动式)，速度慢效率低；3)该方法采用复杂的结构，旋转部件、机械部件较多，易老化和损坏。

主动嗅觉当中一般需要知道风向信息，且多采用风向仪。风向仪主要有机械式风向标和超声风速风向仪两种，前者精度较低且不断旋转会产生气流影响气味的检测，后者精度较高但是体积、重量较大，对应用场合有一定的要求。所以，在检测气味源方向的过程中最好不要用到风向仪。

以上分析表明，目前气味源检测领域缺乏一种可应用于三维环境中、不需要风向信息的高精度的气味源方向检测装置及方法。

技术实现要素：

为弥补当前气味源检测技术在三维环境下的不足，本发明提出一种用于三维环境中气味源方向指示的检测方法，具有精度高、不需要知道风信息等特点。技术方案如下：

一种用于三维环境中气味源方向指示的检测方法，该方法将气味传感器安装于正多面体的顶点上，使传感器均匀的分布于一个球面上。求解一个气味包的来源方向的步骤如下：

[1]检测气味包；监测传感器输出的浓度值，高于设定的阈值则认为该传感器检测到了气味包，作为第一传感器，之后，会有第二传感器、第三传感器检测到气味包，记录下检测到气味包的时间差；

[2]判断是否满足“同包条件”：

①三个传感器先后检测到气味包的时间间隔小于预设的时间间隔，此时间间隔根据实验数据分析得出；

②三个传感器检测到的气味浓度，后一个要小于前一个；

当同时满足上述两个“同包条件”时，认为此次检测有效，否则，舍弃掉此次检测到的数据并不再对这三个传感器进行关注，重新开始气味包监测；

[3]根据检测到气味包时间差来计算气味包的三维来源方向；规定球面上一点指向球心的矢量作为气味包的来源方向，计算气味包的来源方向，需要计算方向矢量对应于球面上的一点，称为目标点，方法如下：首先，设目标点在球系下的坐标为(x₀,y₀,z₀)，气味扩散速度为v，选定检测到气味的三个传感器中的任意两个为一组，根据这两个传感器在目标点与球心连线方向上的位置差，以及记录下来检测到气味的时间差建立关系等式，求解出目标点的坐标，得到气味包的来源方向；

[4]为捕捉下一个气味包，需要取消对当前第一传感器、第二传感器和第三传感器的关注，判断当前气味包是否满足“消失条件”：

①第一传感器的气味浓度下降；

②第一传感器的检测值经过多个检测周期依然不变；

只要满足上面条件中的任意一个，则认为该气味包已经消失，取消对这三个传感器的关注，重新开始新的气味包监测。

本发明的主要优点及特色体现在如下几个方面：

1、设计了一种可在三维环境中指示气味源方向的装置。该装置的核心传感部分将气味传感器安装于正多面体的顶点上，使传感器均匀的分布于一个球面上，能更好地检测从各个方向扩散来的气味信息。

2、提出的基于上述装置的高精度三维气味源方向估计方法。在一次方向估计中，此方法根据一个气味包到达传感器的时间差来计算得到气味源的方向，该方向是用正多面体外接球面上一点到球心的连线矢量表示，即可以精确到球面方程上的一个三维点，相较于其他方法精度高。

3、相较于其他气味源指示方法，本发明不需要知道风信息。本发明未采用较为昂贵、体积和重量都较大的风速风向仪来获得风信息，在降低成本的同时，应用会更加灵活。

附图说明

图1为检测装置中传感部件的主视图。

图2为检测装置中传感部件的俯视图。

图3为检测装置的硬件组成结构图。

图4(a)为经过球心的各个方向示意图，(b)为球坐标系示意图。

图5为两传感器在气味包来源方向上距离差的示意图。

图6为根据一个气味包判断气味包来源方向的算法流程图。

具体实施方式

本发明的核心部件为检测装置中的传感部件，该部件的设计思想受到正多面体内接于球时其顶点均匀分布于球面这一特性启发，因此传感器会更好地接收到来自各个方向的气味信息。气味传感器的型号与要检测的气味的类型有关。当一个气味包经过该传感器部件时，检测装置会检测到气味包的来源方向(三维)、气味浓度和气味扩散的速度。

传感部件呈正多面体结构(可选择正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体中的一个)，气味传感器分布在正多面体的顶点上，该结构保证了气味传感器均匀分布在一个球面上，有利于获取三维环境中各个方向的气味信息。气味传感器根据检测气体的不同可选用不同的型号。此外，该装置还包括获取传感器信号的AD采集部分、对信号进行处理的微处理器以及LCD显示部分。

本发明提出的精确计算气味源方向(三维)的方法。基于气味包扩散的思想：当一个气味包从某一个三维方向经过该装置时，会先后有几个传感器检测到该气味包，具体哪几个传感器可以检测到气味包以及检测到该气味包的时间差，则与该气味包扩散到该装置的方向有直接的关系(此思想基于在一个较小的空间内，风的大小和方向是一致的假设。所以顶点带有传感器的正多面体的外接圆的直径不能太大，如果小于1米，实验表明是可以满足假设的)。本发明只能在有风的环境中使用，这与实际中气味扩散主要受风的影响的事实相符合。将上述装置静止于有风的三维空间中，之后监测传感器的输出信号，当气味包到来时，根据传感器检测到气味包的先后顺序来确定第一传感器(第一个检测到气味)、第二传感器和第三传感器(理论上只需要三个传感器检测到气味就可以计算出气味源方向，在下面的实施例中给出说明)，根据这三个传感器检测到气味的时间差可以计算出此气味包的来源方向，此方向由传感部件外接球面上的一点到球心的矢量表示，精度很高，并通过LCD实时显示。之后判断这个气味包是否消失，当发现气味包消失时，重新对传感器进行监测。当循环多次上述过程后，会得到多个气味包的来源方向，最后求解它们的矢量和作为最终的气味源方向。

求解一个气味包的来源方向的具体步骤如下：

[1]检测气味包。监测传感器输出的浓度值，高于设定的阈值则认为该传感器检测到了气味包，作为第一传感器。之后，会有第二传感器、第三传感器检测到气味包。记录下检测到气味包的时间差。

[2]判断是否满足“同包条件”。因为只有检测到的气味来自同一气味包才可以根据时间差来计算气味源方向，所以必须加以判断。

[3]根据检测到气味包时间差来计算气味包的三维来源方向。由于传感器均匀分布于正多面体外接球面上，这里规定球面上一点指向球心的矢量作为气味包的来源方向，因此计算气味包的来源方向，主要是计算方向矢量对应于球面上的一点(称为目标点)。首先，假设目标点在球系下的坐标为(x₀,y₀,z₀)，设定气味扩散速度为v，选定检测到气味的三个传感器中的任意两个为一组，根据这两个传感器在目标点与球心连线方向上的位置差，以及记录下来检测到气味的时间差建立关系等式(由于三个传感器任意两个一组，可以有三组，因此可以建立三个关系等式)，求解出目标点的坐标。也就得到了气味包的来源方向。

[4]判断是否满足气味包“消失条件”(实施例中会详细给出)。为了进行下一次检测，需要取消对当前第一传感器、第二传感器和第三传感器的关注。因此，需要判断当前气味包是否满足“消失条件”，进而监测传感器，当下一个气味包到来时，得到新的第一传感器、第二传感器和第三传感器。

[5]LCD显示结果。把之前计算得到的气味包来源方向、气味扩散速度v、传感器采集到的气味浓度大小显示到液晶屏上，便于人机交互。

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不受限于下述实施例的描述。

本发明设计的核心传感部件由12个传感器1、30个长度为5cm的棱2和底座3组成(主视图如附图1所示，俯视图如附图2所示)，其中棱和底座均采用刚性较好的铝合金材料来保证整个传感部件的结构稳定性，传感器型号为mics-5521(可根据具体检测的气体进行更换)。采用镂空正二十面体结构，不会影响到气味的扩散，且本装置较小，认为在实际气味扩散环境中会有至少三个传感器先后检测到气味。传感器固定在正二十面体的顶点上，即均匀分布于正二十面体外接球的球面上，有利于检测来自三维空间中任意一个方向的气味信息。除了核心的传感部件，检测装置还包括用来获取传感器数据的AD采集电路、用来对数据进行处理的微处理器STM32、以及电源部分和LCD显示部分。检测装置的硬件组成结构如附图3所示。

根据上述检测装置对气味包的来源方向(三维)进行一次检测的具体实现如下：

[1]检测气味包。

将该装置放置于有风的三维环境中，通过微处理器STM32实时监测12个传感器的电压值并对检测到的数据进行低通滤波处理。当有传感器采集到的浓度值高于设定的阈值(从传感器背面扩散而来的气味浓度一般会低于此阈值)则认为该传感器检测到了气味包，记为第一传感器(若200个检测周期依然没有传感器检测到气味，则认为检测装置没有位于气味烟羽中，也就没有办法通过检测气味来确定气味源方向，因此需要移动该装置。移动路径采用“Z”字形，直到在某一路径节点有传感器检测到气味，停止移动)。之后，一般会有第二个、第三个传感器检测到气味包，本发明只需要三个传感器的信息来计算气味源方向，因此不再关注第四个及之后检测到气味包的传感器。如果经过100个检测周期或者第一传感器检测到的浓度值开始下降，而此时检测到气味的传感器个数仍然少于3个，则重新开始气味包检测。根据微处理器的时钟信息，记录下来前三个传感器检测到气味包的时间t₁,t₂,t₃。同时记录下三个传感器检测到的气味浓度q₁,q₂,q₃。

[2]判断是否满足“同包条件”。

只有上面三个传感器检测到的气味包是同一个，此次检测才有意义。“同包条件”如下：①三个传感器先后检测到气味包的时间间隔小于200ms(此时间间隔根据实验数据分析得出)；②三个传感器检测到的气味浓度，后一个要小于前一个(根据扩散规律气味包离气味源越远其浓度越低)。当同时满足上述两个“同包条件”时，认为此次检测有效。若不满足，则舍弃掉此次检测到的数据并不再对这三个传感器进行关注，重新开始气味包监测。

[3]根据检测到气味包时间差来计算气味包的三维来源方向。

首先，对气味源的方向进行定义：当n股不同方向的风吹过一个球体，可用n条指向球心的矢量来表征风向，呈放射状，如附图4(a)所示。因此，规定气味包的来源方向为经过球面一点指向球心的方向矢量，所以求气味包来源方向即为求这个方向矢量与球面的交点，称为目标点。以球心为原点建立坐标系，如附图4(b)所示。设目标点坐标为(x₀,y₀,z₀)。

得到正二十面体顶点坐标(即传感器坐标)：当建立上述球坐标系后，可得球面方程

(1) x²+y²+z²＝R

球的半径为(已知)。根据正二十面体的特性可以知道12个顶点在球坐标系下坐标(即12个传感器的三维坐标)如下。此三维坐标与传感器的编号一一对应。

接下来对气味包的来源方向进行计算：

由于之前在检测气味包时知道各个传感器的编号(与三维坐标对应)，因此之前关注的第一、第二和第三传感器的三维坐标一定是已知的。为方便后面说明，这里假设已知的三个传感器的坐标为(a₁,b₁,c₁),(a₂,b₂,c₂),(a₃,b₃,c₃)。假设气味扩散的速度为v(未知)。

下面选择三个传感器中的任意两个，根据这两个传感器在目标点与球心连线方向上(即气味包来源方向)的距离差，和两传感器检测到气味的时间差来建立关系。如附图5所示，图中实心黑点表示球心，两个星号表示传感器1和传感器2，球面上的空心圆表示目标点(坐标为(x₀,y₀,z₀))，α为目标点-传感器1连线方向与气味包来源方向夹角的余角，β为目标点-传感器2连线方向与气味包来源方向夹角的余角。由于两传感器的三维坐标已知，则两个角α,β可用求解两向量夹角的方法求解出来，是带有未知数x₀,y₀,z₀的表示。因此可建立如下关系(即两传感器在气味包来源方向上投影的距离差＝速度×时间差)：

由于一共有x₀,y₀,z₀,v四个未知量，因此需要四个方程来求解。又因为目标点在球面上满足球面方程，因此只需要3个时间差来建立另外三个方程来求解，所以最少需要3个传感器来检测到同一气味包就可以计算气味包三维的来源方向。

总的方程如下所示：

上述方程中有三组α,β，是因为三个传感器两两一组共有三组，最终得到三个关系方程。t₁,t₂,t₃分别为三个传感器检测到气味的时间。根据上述方程可以求得目标点坐标，即气味包的来源方向。以及气味包的扩散速度。将检测到气味包的三个传感器的值求平均，作为此气味包的气味浓度值。

[4]判断是否满足气味包“消失条件”。

为了捕捉下一个气味包，需要取消对当前第一传感器、第二传感器和第三传感器的关注。因此，需要判断当前气味包是否满足“消失条件”。

“消失条件”如下：

①第一传感器的电压值上升(即气味浓度下降)。

②第一传感器的电压值经过100个检测周期依然不变。(当两浓度相近的气味包衔接过于紧密，且方向大致相同时，会出现第一传感器检测到的电压值不变的情况)

只要满足上面条件中的任意一个，则认为该气味包已经消失，取消对这三个传感器的关注，重新开始新的气味包监测。

[5]LCD显示结果。

将上面最新一次计算得到的气味包来源方向，即球心坐标与球面上目标点坐标相减所得到的三维空间矢量气味包扩散速度v、气味包浓度显示在液晶屏上，之前得到的气味包信息存储。

检测装置对气味包的三维来源方向进行一次检测的流程图如附图6所示。

由于实际环境中湍流的影响，气味扩散具有一定的不确定性，所以仅根据一个气味包的来源方向来确定最终的气味源方向显然是不合适的。在综合考虑气味源方向精度高和检测耗时短这两个要求的基础上，这里循环上述过程30次，即得到30个气味包的三维来源方向，求取它们的矢量和作为最终的气味源方向。