Ein autonomer mobiler Roboter mit elektronischer Nase

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This is the accepted version of a paper presented at Autonome Mobile Systeme, AMS 16,

Karlsruhe, Germany, November 20-21, 2000.

Citation for the original published paper:

Lilienthal, A J., Wandel, M., Weimar, U., Zell, A. (2000)

Ein autonomer mobiler Roboter mit elektronischer Nase

In: R. Dillman, H. Wörn, M von Ehr (ed.), Autonome Mobile Systeme 2000 (pp.

201-209). New York, USA

Informatik Aktuell

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AchimLilienthal, Andreas Zell/Michael Wandel, Udo Weimar Universität Tübingen, WSI-RA /Universität Tübingen,IPC

Köstlinstraÿe6, D-72074 Tübingen / Auf der Morgenstelle 8,D-72076 Tübingen {lilien,zell}@informatik.uni-tuebingen.de /{mw, upw}@ipc.uni-tuebingen.de

30.Juni 2000

Zusammenfassung

Dieser Beitrag stellterste Ergebnisse desProjekts Sinnesorganefür mobileRoboter vor. EinTeilziel dieser Gemeinschaftsarbeit istes,einenmobilenRobotermiteinerelektronischenNasezurDetektion,Lokalisierungund Kartographierung von Gasen zu entwickeln. Die mit dem Roboter ARTHUR durchgeführten Untersuchungen zeigen, daÿ miteinem solchenAufbaueineentfernteGasquelleineiner natürlichenUmgebungdetektiertwerden kann. Auÿerdem ergabensich Hinweise aufmöglicheOptimierungendes VerfahrensbezüglichderDurchführung derMessungensowiederAnbringungderSensorenamRoboter.

1 Einleitung

Seit einiger Zeitwerdenunter derBezeichnung elektronischeNase Systeme zur Detektionund Identizierung von üchtigenSubstanzenuntersuchtundunterLaborbedingungenangewandt[2]-[5],jedochbislangnochwenigauf Robo-terneingesetzt[1]. DerBegriderelektronischenNase[6]umfaÿtinseinerüblichenDenition [7]nebeneinemArray von chemischen Sensoren auch ein nachgeschaltetes Mustererkennungssystem, welches die Identizierung einzelner Gerücheermöglicht.

EinEinsatzeinessolcheninzwischenauchkommerziellerhältlichenSystemsaufeinemautonomenmobilenRoboter istbesondersimHinblickaufdieEntwicklungeineselektronischenWachmannswünschenswert,daaufdieseWeiseein Roboter befähigt werden könnte,beispielsweise ausströmendes Gas oder auslaufendes Lösungsmittel zu detektieren undeventuellauchzuorten. UmgrundlegendeErkenntniseüberdieMöglichkeiteinessolchenEinsatzeszugewinnen, wurde der autonome mobile Roboter ARTHUR mit einerelektronischen Nase ausgestattet und unter natürlichen Bedingungengetestet. Dies bedeutet, daÿ wichtige Versuchs-Parameterwie Temperatur, Luftfeuchtigkeitund Strö-mungsgeschwindigkeitimVergleichzu Durchführung im Laborrelativ groÿen,nichtkontrollierbarenSchwankungen unterworfensind

DieimRahmendesGemeinschaftsprojektesSinnesorganefürmobileRoboterdurchgeführtenExperimentesollten AufschluÿüberfolgendegrundsätzlicheFragengeben:

Ist esprinzipiellmöglich, mit einer aufeinem mobilen Roboter angebrachtenelektronischenNase eine erhöhte Konzentrationeinerüchtigen Substanzauchin einernatürlichen Umgebungnachzuweisen?

Ist unter den angeführten Bedingungendie Detektion einesKonzentrations-Gradientenund somit die Ortung derGasquellemöglich?

In welcher Weise kann durch die einstellbaren Versuchsparameter die Detektion und Ortung der Gasquelle optimiertwerden?

2 Systemaufbau

ZurDurchführung derExperimentewurdederauf derBasisdesmobilenOutdoor-RobotersATRV-JuniorderFirma RWIweiterentwickelteRoboterARTHURmiteinerelektronischenNaseausgestattet. Dieimfolgendenbeschriebenen Versuchezielten nicht auf eine Identizierung von Gasen ab. Daher wurde versucht, den Aufbau exibel zuhalten undhinsichtlichder Detektioneinesim Voraus festgelegtenStoes (Ethanol) zuoptimieren. Als Messsystemwurde daskommerziellerhältliche VOCmeter Vario gewählt[8]. Die Messungen selbstwurdenmit je zweiSchwingquarzen (QMB)undzweiMetalloxidsensoren(MOX),diesichbesonderszurDetektionvonEthanoleignen,durchgefürt,wobei dieSensormodule - jeweils in einerMOX,QMB-Kombination -am Ende zweier60cmlangen Führungsschienen aus Aluminiumangebrachtwurden.

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Die zylinderförmigen Sensoreinheiten sind in der linken Abbildung zu erkennen. Sie ragen leicht über die an der FrontseitedesRobotersangebrachtenFührungsschienenhinaus.

3 Versuchsdurchführung

UmdieAusbildungeinesKonzentrationsgradientenbeobachtenzukönnenunddabeidenEinussvonLuftströmungen möglichstgeringzuhalten,solltedasExperimentineinemgroÿen,nichtbelüftetenRaumstattnden. ZudiesemZweck konnteeinca. 20mlangerund2:5mbreiterFlurin einerleerstehendenWohnungbenutzt werden,wobeidie Fenster undTürenwährendderVersuchsdurchführunggeschlossenblieben.

ImLaufeinerMessreihewurdeinderMittedesFluresmehrmalsmiteinerdeniertenGeschwindigkeit eindimen-sional auf- und abgefahrenund sowohl die aktuelle Position, alsauch die Messwerte der vierGassensoren und die mit einem ortsfesten Thermometer gemesseneTemperatur ständigprotokolliert. Am Anfang einer Messreihestand in jedem Fall eine Referenzmessung, bei der keine Ethanolquelle vorhanden war. Im Unterschied dazu wurde vor den folgendenFahrten(zum Zeitpunkt t =0s) einmit 0:5l EthanolgefülltesBecherglasmit einerGrundächevon etwa 130cm

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am Ende des Ganges (s = 0m) platziert. Aufgrund der aktivierten Hindernissvermeidung lag der UmkehrpunktderdurchgeführtenFahrten etwa50cmvorderEthanolprobe.

Als Analyt wurde Ethanol verwendet, da für diese Substanz sensitive Sensoren zur Verfügung standen und die Handhabungalsunproblematischanzusehenist.

4 Ergebnisse

InAbb.2sinddieWertederMOX-SensorengegendieseitdemÖnenderEthanolquellevergangeneZeitaufgetragen. AusserdemistindasDiagrammbezüglicheinerzweiten y-Achseauchdie BewegungdesRobotersin Formdergegen dieZeitaufgetragenenEntfernungvonderEthanolquelleeingezeichnet(gepunkteteLinie). Esistklarzuerkennen,daÿ dieMeÿkurvein derNähederGasquellestarkansteigt. WeiterhinistdielangsameErhöhungderBasisliniewährend derDauerderMessung(1:5h)zusehen. HierinzeigtsichdieallmählicheAusbreitungdesüchtigenEthanolsimFlur. Dagegenzeigtendie Referenzfahrtenein völliganderesBild. DieMesswertederMOX-Sensorenbliebenwährendder FahrtkonstantundeinAnstiegderBasisliniekonnte,nachdemdieGassensorenihrenGleichgewichtszustanderreicht haben,nichtbeobachtetwerden.

BeiderBetrachtungderMesswertezeigtesichweiterhin,daÿderbeiAnnäherungandieQuelleauftretendenePeak bei zugeringerFahrtgeschwindigkeitwenigerstark ausgeprägterscheint. Aus diesem Grund istesnicht verwunder-lich, daÿdieMesskurvenzusätzlichePeaksaufweisen,diebesondersbeistehendemRobotergehäuftauftreten. Esist anzunehmen, daÿ sie durch schwache Luftbewegungen hervorgerufenwerden, die auch bei geschlossenen Türenund Fenstern nicht zu vermeiden sind. Die Türen schlieÿen den Raum natürlich nicht hermetisch gegendie Auÿenwelt ab, so daÿ sich Strömungen durch Zugluft ergeben. Zudem wird diese unregelmäÿige Zugluft durch ortsfeste Kon-vektionsströmungenüberlagert,diedurch SchwankungenderlokalenTemperatur(etwaeineErwärmunguntereinem Dachfenster,durchdasdieSonneindenRaum scheint)bewirktwerden.

5 Ausblick

Dasin dieserArbeitvorgestelltemobileRobotersystemerlaubtdieDetektionüchtigerSubstanzenübereinegröÿere Entfernung. Auch die Ortungeiner Gasquelle erscheintnach den vorgestellten Ergebnissen durchaus möglich. Um diesenPunkt demonstrierenzukönnen,istvorgesehen,mitdemRoboterautomatischeineGeruchskarteeiner zweidi-mensionalenGrundächeerstellenzulassenundauf dieseWeise beispielsweiseeineEthanolquelle in einerTurnhalle

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einerGeschwindigkeitvon5cm=sbewegte. (BeschreibungsieheText)

Literatur

[1] T.Sharpe,B.Webb: Simulatedandsituatedmodelsof chemical trail following inants.FromAnimalstoAnimats 5: Proceedingsofthe5thConferenceonSimulationofAdaptiveBehaviour195-204

[2] K.Persaud,G.H.Dodd: Analysisofdiscriminationmechanismsofthemammalianolfactorysystemusingamodel nose,Nature 299(1982)352-355

[3] A. Ikegami, M. Kaneyasu: Olfactory detection using integrated sensors. Proceedings of the 3rd International ConferenceonSolid-StateSensorsandActuators(Transducers85),IEEEPress,NewYork(1985)136-139 [4] H. Ulmer,J.Mitrovics,GerdNoetzel,U. Weimar,W.Göpel: Odours andavours identiedwith hybrid modular

sensor systems.ACSSymposiumSeries: ChemicalSensorsandInterfacialDesign 31(1998)307-315

[5] J.Mitrovics,H.Ulmer, U.Weimar,W. Göpel: Modular Sensor Systemsfor Gas SensingandOdour Monitoring: The MOSESConcept.ACSSymposium Series: ChemicalSensorsandInterfacialDesign 31(1998)307-315 [6] J. W. Gardner: Pattern recognition in the Warwick electronic nose.8th InternationalCongressof theEuropean

ChemoreceptionResearchOrganisation,Coventry,UK(1988)9