基于POMDP的仿生鼻主動(dòng)感知研究.pdf

1、仿生鼻作為一種模擬生物嗅覺(jué)系統(tǒng)的仿生裝置，能夠識(shí)別簡(jiǎn)單或復(fù)雜的氣體，是人工嗅覺(jué)研究成果的集中體現(xiàn)，主要由氣敏傳感器陣列、數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)、模式識(shí)別系統(tǒng)三大模塊構(gòu)成。與生物嗅覺(jué)系統(tǒng)相比，現(xiàn)有仿生鼻系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要是一種被動(dòng)過(guò)程，而生物嗅覺(jué)作為一種主動(dòng)的過(guò)程，根據(jù)所處環(huán)境的差異，調(diào)節(jié)流入鼻道氣體的速度，使鼻腔中嗅覺(jué)感受器細(xì)胞陣列呈現(xiàn)出最接近大腦中已經(jīng)存儲(chǔ)的模式。目前，主動(dòng)感知在機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。但是在仿生鼻領(lǐng)域的應(yīng)用還處

2、于起步階段，相關(guān)研究很少，具有很大的發(fā)展?jié)摿?、?yīng)用價(jià)值和研究意義。
　　當(dāng)前，對(duì)仿生鼻技術(shù)的研究主要集中在優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提取特征向量、改進(jìn)模式識(shí)別算法及氣敏傳感器主動(dòng)溫度調(diào)制等方面。這些研究，在提高仿生鼻的時(shí)間效率和識(shí)別效率方面還存在以下不足:
　　研究者一味地從主動(dòng)溫度調(diào)制及優(yōu)化仿生鼻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行大量研究，忽略了生物嗅覺(jué)與生物行為的聯(lián)系以及氣體分子在鼻粘膜中的色譜效應(yīng)，所得信息不能從本質(zhì)上反應(yīng)識(shí)別對(duì)象的特性，對(duì)于仿生

3、鼻的識(shí)別任務(wù)失去了一定的利用價(jià)值。本文在對(duì)仿生鼻中主動(dòng)感知研究現(xiàn)狀、仿生鼻原理、生物嗅探與嗅覺(jué)認(rèn)知的關(guān)系、鼻粘膜的色譜效應(yīng)、部分可觀察馬爾可夫決策模型(POMDP)和隱馬爾科夫模型(HMM)理論基礎(chǔ)的研究基礎(chǔ)上，提出了流速調(diào)制和鼻粘膜色譜效應(yīng)的主動(dòng)感知思想和基于POMDP的主動(dòng)感知模型。本文的主要工作如下:
　　1，本文從生物主動(dòng)感知角度介紹了主動(dòng)感知的概念并研究了仿生鼻中主動(dòng)感知研究現(xiàn)狀。對(duì)生物嗅探與嗅覺(jué)認(rèn)知的關(guān)系、鼻粘膜的色譜

4、效應(yīng)進(jìn)行了研究，提出了流速調(diào)制和鼻粘膜色譜效應(yīng)的仿生鼻主動(dòng)感知思想。
　　2，在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于流速調(diào)制的仿生鼻硬件系統(tǒng)和基于本套硬件系統(tǒng)的信息采集軟件系統(tǒng)。并通過(guò)仿生鼻流速調(diào)制試驗(yàn)與分析，驗(yàn)證了結(jié)合流速調(diào)制和鼻粘膜色譜效應(yīng)的仿生鼻主動(dòng)感知研究具有充分的理論基礎(chǔ)及仿生鼻系統(tǒng)的可靠性。
　　3，基于流速調(diào)制和鼻粘膜色譜效應(yīng)的仿生鼻主動(dòng)感知思想，本文提出了一種仿生鼻主動(dòng)感知模型ASM，即具有主動(dòng)感知能力的仿生

5、嗅覺(jué)模型，模型結(jié)合了POMDP和HMM兩者的優(yōu)點(diǎn)，并集成了基于貝葉斯風(fēng)險(xiǎn)的主動(dòng)感知策略，能夠根據(jù)所處環(huán)境及對(duì)環(huán)境的先驗(yàn)知識(shí)主動(dòng)動(dòng)作或做出決策。此外，該模型與其它基于HMM的主動(dòng)感知模型的不同之處是將連續(xù)性的HMM離散化并用于傳感器陣列的建模。
　　4，最后，本文將ASM算法應(yīng)用到嗅覺(jué)識(shí)別中，分別對(duì)4種揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)氣體進(jìn)行識(shí)別實(shí)驗(yàn)，并將ASM算法與仿生鼻中常用的模式識(shí)別算法進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文的ASM算法具有很好