Detektion und Lokalisierung einer Geruchsquelle mit einem autonomen mobilen Roboter

Achim Lilienthal Universität Tübingen Wilhelm-Schickard-Institut http://www-ra.informatik.uni-tuebingen.de

Inhalt 1. Einsatzgebiete ƒ ƒ

Passiv (keine Geruchserzeugung) Aktiv (Erzeugen einer Geruchsspur)

2. Sensorik („Elektronische Nase“) ƒ ƒ

Metalloxid-Sensoren (MOX) Schwingquarze (QMB)

3. Einsatz in der Robotik (Literatur) ƒ ƒ ƒ

Spurverfolgung Einsatz bei gegebener Strömung mit dominanter Vorzugsrichtung Einsatz in „natürlicher“ Umwelt

4. Experimente in „natürlicher“ Umgebung ƒ ƒ

2D-Versuche Experimente mit Randbedingungen

5. Ausblick Achim Lilienthal: Detektion und Lokalisierung einer Geruchsquelle mit einem autonomen mobilen Roboter

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Passiver Einsatz: Elektronischer Wachmann „ Detektion (Unregelmäßigkeiten im „Geruchsraum“): ƒ auslaufendes Lösungsmittel ƒ ausströmendes Gas (Inspektion von Gasleitungen) ƒ ausbrechendes Feuer ƒ (Suche nach Betäubungsmitteln, ...)

„ Lokalisierung der Gasquelle „ Differenzierung bzw. Identifikation

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Aktiver Einsatz, Szenarien „ Repellent Marking Scenario (vgl. Bienen) ƒ Erzeugen einer abstoßenden Geruchsspur (temporäres Markieren befahrener Fläche) ƒ z.B.: Reinigung

Ö Engelberger Ö Russell et al.

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Sensorik, Metalloxid-Sensoren (MOX) „ Funktionsprinzip ƒ Änderung der Leitfähigkeit (Oxidations-/Reduktionsreaktionen) ƒ Dotiertes Metalloxid, poröse Oberfläche

„ Eigenschaften ƒ Betriebstemperatur: 100°C – 500 °C ƒ Hohe Sensitivität ƒ Relativ geringe Selektivität „ Verwendete MOX-Sensoren (Figaro) ƒ Hohe Sensitivität gegenüber Alkoholen (Ethanol) Achim Lilienthal: Detektion und Lokalisierung einer Geruchsquelle mit einem autonomen mobilen Roboter

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Schwingquartz (QMB) „ Funktionsprinzip ƒ Einlagerung der Moleküle in die Oberfläche ƒ Änderung der Eigenfrequenz (Masseneffekt)

„ Eigenschaften ƒ Betrieb bei Raumtemperatur (thermostatisiert) ƒ Relativ hohe Sensitivität (für Moleküle mit rel. großer Masse) ƒ Relativ geringe Selektivität ƒ Geringe Ansprechzeit

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3

Einsatz in der Robotik Verfolgen einer Geruchsspur (Odour Trail) „ Alkoholspur

Ö Sharpe & Webb

„ MOX-Sensoren „ Abstand zur Geruchsspur ~ 10 – 30 cm „ Fühlerpaar links und rechts der Geruchsspur (Osmotropotaxis) „ Neuronales Netz (Feedforward)

d klein

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3

Einsatz in der Robotik Kontrollierte Luftströmung & hohe Konzentration „ QMB ƒ

Quelle: Auf Kartons aufgesprühter Kampfer (C10H16O)

ƒ

vWind ~ 0.5 - 1 m/s m/s

ƒ

Einfache Bestimmung der Windrichtung (wind vane)

Ö Russell et al.

„ MOX ƒ

Quelle: Gasförmiges Ethanol aus Düse (vgl. Gasleck)

ƒ

vWind ~ 0.3 - 0.5 m/s

ƒ

Anemometer zur Bestimmung der Windrichtung

ƒ

Detektion der Gasfahne (plume) und Upwind Search

Ö Moriizumi et al.

vWind >> vTurbulenz

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3

Einsatz in der Robotik Unbekannte Strömungssituation, Turbulenz „

MOX, Stereo Nose Architecture (2 x 4 MOX und Lüfter)

„

Quelle: Flüssiges Ethanol/Aceton

„

Orientierung zur Quelle mit neuronalem Netz (rekurrent)

„

Strömungssituation unbekannt Ö Duckett et al.

„

MOX, 8x variabel, Ansaugpumpe, ...

„

Quelle: Flüssiges Ethanol/Aceton

„

Detektion und Lokalisierung

„

Keine dominante Strömung

Ö Lilienthal et al.

vWind ~ vTurbulenz bzw. vWind unbekannt Achim Lilienthal: Detektion und Lokalisierung einer Geruchsquelle mit einem autonomen mobilen Roboter

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Aufbau, Roboter

6 5 7

8 4

3

2

75 cm

1

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4

2D-Experiment, Aufbau

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2D-Experiment, Ablauf

„ Versuch ƒ Dauer ca. 2 h

„ Fahrt ƒ vLin = 5 – 20 cm/s ƒ vRot = 20 – 120 °/s

„ Quelle ƒ Ethanol ƒ Zu Beginn befüllt Achim Lilienthal: Detektion und Lokalisierung einer Geruchsquelle mit einem autonomen mobilen Roboter

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2D-Experiment: Sommer

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2D-Experiment: Winter

Februar 2002

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2D-Experiment: Sommer

Mai 2001

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Lokalisierung mit Randbedingungen

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Lokalisierung mit Randbedingungen

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1D-Lokalisierung Ethanol

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Ausblick „ Lokalisierungsstrategien ƒ

Modell-basiert

ƒ

Verhaltensbasiert

„ Umgebung ƒ

Belebte Indoor-Umgebung

ƒ

Outdoor

„ Identifizierung von Gasen ƒ

Gepumpte Messzelle (200 ml/min)

ƒ

MOX und QMB

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