面向環境感知的機器嗅覺系統——氣體檢測電子鼻及其模式識別技術與應用 | 博士後文庫

2025年05月31日06:30:18 科學 5719

機械人能夠像人類一樣對世界做出反應，離不開以傳感器為基礎的環境感知系統，該系統通過應用各類傳感器來模擬人類感覺，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等。

人類的嗅覺系統主要由嗅覺受體、嗅球、大腦皮層等組成。嗅覺受體感受空氣中不同的氣味分子，經過初步處理後，傳到嗅球。嗅球是大腦皮質的一部分，視為嗅神經的終止核與嗅覺的初級中樞。氣味信息在嗅球中經過加工，傳到大腦皮層並在其中進行解碼和深度分析，最終實現氣味的判別。機器的嗅覺系統也與此類似。

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▲ 電子鼻與人類嗅覺系統的比較

作為一種模擬生物嗅覺感知機理的新型仿生傳感技術，機器嗅覺系統（machine olfaction system）主要由交叉敏感的化學氣敏傳感器陣列和用於氣體或氣味識別的計算機模式識別算法構成，因此，機器嗅覺系統主要目的是模擬生物嗅覺。機器嗅覺作為一個廣義的概念，包含了各種人工或機器的仿生，如植物或動物嗅覺。

▲ 機器/人工嗅覺系統

構建一個機器嗅覺系統，主要涉及傳感器陣列單元、信號處理單元和模式識別單元。機器/人工嗅覺系統的研究按照生物嗅覺的組成：嗅覺受體、嗅球和大腦皮質做類比

而在實際生產生活中，機器嗅覺系統的典型代表為電子鼻（electronic nose, e-nose）技術，該技術主要用於檢測、分析和鑒別各種氣體或氣味。一般情況下，氣體或氣味分子被電子鼻的氣敏傳感器陣列吸附併產生物理或化學反應的電信號；該信號經過各種方法或算法的加工處理後，最終由計算機模式識別系統做出氣體或氣味的識別判斷。

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面向環境感知的機器嗅覺系統

——氣體檢測電子鼻及其模式識別技術與應用

馮李航, 李斐著

北京 : 科學出版社, 2024.10

(博士後文庫)

isbn 978-7-03-079529-8

《面向環境感知的機器嗅覺系統 —— 氣體檢測電子鼻及其模式識別技術與應用》圍繞面向環境感知的機器嗅覺系統，以氣體檢測電子鼻及其模式識別算法來構建了機器嗅覺環境感知的整體理論和技術體系。本書內容、章節之間的關係及其整體結構如下圖所示。研究過程中將採取軟件與硬件結合，理論與實際案例相結合的方式，展示了電子鼻在多個領域的應用前景和挑戰，為讀者提供了一套系統的機器嗅覺解決方案。

▲ 本書主要內容安排

主要內容包括如下6個部分。

第1章主要概述了機器嗅覺的研究背景、意義以及主要內容。
第2章以本書作者實際搭建的低濃度氣體檢測電子鼻系統為例，給出電子鼻系統分析和設計方法，使讀者能夠對電子鼻配氣系統、腔體結構、傳感器陣列、數據採集模塊、交互軟件模塊等電子鼻儀器設計有深入的認識。
第3章着重介紹電子鼻核心器件即傳感器的關鍵技術，包含響應特性、數據預處理和特徵提取等工作，為後續的電子鼻模式識別算法研究打下基礎。
第4章針對嗅覺傳感器陣列的噪聲干擾和複雜動態特徵問題，提出了一種基於多特徵融合和增強卷積神經網絡的機器嗅覺模式識別方法。
第5章進一步針對嗅覺傳感器性能退化引起的漂移問題，提出了多種不同的深度學習算法框架來降低或抑制電子鼻長期漂移，並通過公開數據集和實際數據集進行了對比測試，這些方法為利用先進模式識別方法來改進現有機器嗅覺系統性能提供了思路。
第6章根據一種實際中存在的機械人視覺和嗅覺感知場景，對移動機械人地面污跡識別應用進行了研究，通過利用機器嗅覺來增強或彌補視覺感知的不足，搭建了機械人的視嗅融合感知系統，提出一種改進移動機械人地面污跡識別性能的視嗅融合感知模型，並通過靜態和動態實驗對比，對所提方法有效性進行了驗證。

本書由南京工業大學電氣工程與控制科學學院馮李航和南京工業大學城市建設環境學院李斐共同撰寫，其中，馮李航負責儀器系統軟硬件設計、傳感器數據解析及融合感知模型等內容，李斐負責技術現狀調研、環境電子鼻監測算法及機械人應用研究等內容。本書的電子鼻儀器設備研發工作得到了安徽六維傳感科技有限公司的支持。在此特別感謝章偉教授的大力支持，還要感謝碩士研究生陳升、曹正陽、張龍等對本書做的圖文校對與修改工作。

本書的研究內容來源於中國博士後基金項目（2018m632292）「面向環境監察的機器嗅覺及電子鼻技術研究」、國家自然科學基金項目（82061138004）「通過呼氣分析快速準確檢測covid 新技術研究」和安徽省重大科技專項（202103a07020014）「基於新型仿生鼻技術的新一代網格化環境檢測技術」的支持。