基于POMDP的仿生鼻主動感知研究.pdf

1、仿生鼻作為一種模擬生物嗅覺系統(tǒng)的仿生裝置，能夠識別簡單或復(fù)雜的氣體，是人工嗅覺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)、模式識別系統(tǒng)三大模塊構(gòu)成。與生物嗅覺系統(tǒng)相比，現(xiàn)有仿生鼻系統(tǒng)的實現(xiàn)過程主要是一種被動過程，而生物嗅覺作為一種主動的過程，根據(jù)所處環(huán)境的差異，調(diào)節(jié)流入鼻道氣體的速度，使鼻腔中嗅覺感受器細胞陣列呈現(xiàn)出最接近大腦中已經(jīng)存儲的模式。目前，主動感知在機器視覺等領(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)用價值和研究意義。
　　當前，對仿生鼻技術(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、改進模式識別算法及氣敏傳感器主動溫度調(diào)制等方面。這些研究，在提高仿生鼻的時間效率和識別效率方面還存在以下不足:
　　研究者一味地從主動溫度調(diào)制及優(yōu)化仿生鼻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度進行大量研究，忽略了生物嗅覺與生物行為的聯(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)識別對象的特性，對于仿生

3、鼻的識別任務(wù)失去了一定的利用價值。本文在對仿生鼻中主動感知研究現(xiàn)狀、仿生鼻原理、生物嗅探與嗅覺認知的關(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)的主動感知思想和基于POMDP的主動感知模型。本文的主要工作如下:
　　1，本文從生物主動感知角度介紹了主動感知的概念并研究了仿生鼻中主動感知研究現(xiàn)狀。對生物嗅探與嗅覺認知的關(guān)系、鼻粘膜的色譜

4、效應(yīng)進行了研究，提出了流速調(diào)制和鼻粘膜色譜效應(yīng)的仿生鼻主動感知思想。
　　2，在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計實現(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)。并通過仿生鼻流速調(diào)制試驗與分析，驗證了結(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)的仿生鼻主動感知思想，本文提出了一種仿生鼻主動感知模型ASM，即具有主動感知能力的仿生

5、嗅覺模型，模型結(jié)合了POMDP和HMM兩者的優(yōu)點，并集成了基于貝葉斯風險的主動感知策略，能夠根據(jù)所處環(huán)境及對環(huán)境的先驗知識主動動作或做出決策。此外，該模型與其它基于HMM的主動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)用到嗅覺識別中，分別對4種揮發(fā)性有機化合物(VOC)氣體進行識別實驗，并將ASM算法與仿生鼻中常用的模式識別算法進行比較。實驗結(jié)果表明本文的ASM算法具有很好