基于多传感器融合的机器人嗅觉感知系统

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1、-------河北工业大学硕士学位论文第一章绪论§1-1人类的嗅觉感知原理人有5种基本感觉：视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉。相对于人的其它感觉，嗅觉无论是在感受机理上，还是在生物传导研究过程中我们的理解是最少的。我们对人类嗅觉了解不足的原因主要有以下四点[1,2]：第一，嗅觉系统的本质在所有感官系统中是最复杂的。第二，嗅觉所测试的对象在所有感觉中是最复杂的。第三，难于针对嗅觉信号制订出一套参考标准。第四，嗅觉信号产生的模式也各不相同。人能够分辨和记忆约1万种不同的气味，但人具有这种能力的基本原理是什么？20

2、04年度诺贝尔生理学或医学奖获奖者、美国科学家理查德·阿克塞尔和琳达·巴克，通过他们开拓性的工作找到了解开这一谜团的钥匙[3]。科学家们一直不知道嗅觉系统是如何把上千种的气味分子区分开来的；当然，也不知道大脑是如何处理不同的嗅觉信息并加以区分的。经过理查德·阿克塞尔和琳达·巴克的长期研究，他们发现有气味的物质首先会与嗅觉受体结合，这些嗅觉受体位于鼻上皮的嗅觉受体细胞中。嗅觉受体被气味分子激活后，嗅觉受体细胞就会产生电信号，这些信号随后被传输到大脑嗅球的微小区域中，进而传至大脑其它区域，结合成特定模式，唤醒

3、与此相同的气味记忆。如图1.1所示。图1.1人类的嗅觉感知系统[3]Fig.1.1Theolfactoryperceptionsystemofhuman1-----------基于多传感器融合的机器人嗅觉感知系统理查德·阿克塞尔和琳达·巴克发现，人体大约有1000个基因用来编码嗅觉受体细胞膜上的不同嗅觉受体，这大约占我们人体基因总数的3%。这些基因构成了相当数量的嗅觉受体种类。这些受体位于嗅觉受体细胞内，而这些细胞又位于鼻上皮的上端，可以轻而易举地探测到吸入的气味分子。人体的嗅觉系统具有高度的“专业化”特

4、征。比如，每个嗅觉受体细胞仅表达出一种嗅觉受体基因，嗅觉受体细胞的种类与嗅觉受体的种类完全相同。嗅觉受体细胞会将神经信号传递至大脑嗅球中被称为“嗅觉小球”的微小结构中。人的大脑中约有2000个“嗅觉小球”，数量是嗅觉受体细胞种类的2倍，“嗅觉小球”的“专业化”程度也非常高。携带相同受体的嗅觉受体细胞会将神经信号传递到相应的“嗅觉小球”中，也就是说，来自具有相同受体细胞的信息会在相同的“嗅觉小球”中集中。嗅觉小球随后又会激活被称为僧帽细胞（僧帽状的细胞）的神经细胞，每个“嗅觉小球”只激活一个僧帽细胞，使人的

5、嗅觉系统中信息传输的“专业性”仍得到保持。僧帽细胞然后将信息传输到大脑其它部分。结果，来自不同类型嗅觉受体的信息，组合成与特定气味相对应的模式，大脑最终有意识地感知到了特定的气味。两位科学家在研究中还发现，每个嗅觉受体细胞只会对有限的几种相关分子做出反应，但这并不影响嗅觉辨别众多的不同气味。因为绝大多数气味都是由这几种气体分子组成的，其中每种气体分子会激活相应的多个嗅觉受体，并会通过“嗅觉小球”和大脑其它区域的信号传递，组合成不同的气味模式。尽管嗅觉受体只有大约1000种，但它们可以产生大量的组合，形成大

6、量的气味模式，这就是人们能够准确地辨别和记忆上万种不同气味的原因。§1-2人工嗅觉感知系统的发展人工嗅觉感知系统即电子鼻，它是通过模仿人类的嗅觉感知原理建立的一种较快速、直观的辨别气体成分的分析仪器。它将仿生学、传感技术、信号处理、模式识别和计算机科学等多种学科融于一体，由一个具有部分专一性的电子化学传感器阵列和一个合适的模式识别系统组成,能够识别单一的或复合的气味，还能够用于识别单一成分的气体、蒸汽或其它混合物。1-2-1电子鼻的发展简介客观的需要、传感器技术的发展和人对嗅觉过程的理解决定了电子鼻的产生

7、和发展。1982年英国 Warwick大学的Persuad等人[4]首次提出智能化学传感器阵列的概念，用来分别气体的种类，他们的电子鼻系统包括气敏传感器阵列和模式识别系统两部分。其中传感器阵列部分由三个半导体气敏传感器组成。这一简单的系统可以分辨桉树脑、玫瑰油、丁香牙油等挥发性化学物质的气味。1987年在英国Warwick大学召开的第八届欧洲化学传感研究组织年会上，以Gardner为首的Warwick大学气敏传感研究 小组发表了传感器在气体测量方面应用的论文，并重点提出了模式识别的概念[5]，1989年，

8、北大西洋公约研究组织（NATO,NorthAtlanticTreatyOrganization）专门召开了化学传感器信息处理高级专题讨论会，致力于人工嗅觉及其系统设计这两个专题。1991年8月，北大西洋公约研究组织在冰岛召开了第一次电子鼻专题会议。电子鼻研究从此得到快速发展。1994年Gardner发表了关于电子鼻的综述性文章，正式提出了“电子鼻”的概念[6]，标志着电子鼻技术进入到成熟、发展阶段。1994年以来，电子鼻的研究