JP3623596B2

JP3623596B2 - におい源探知コンパス

Info

Publication number: JP3623596B2
Application number: JP12199696A
Authority: JP
Inventors: 豊栄森泉; 高道中本; 寛石田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1996-05-16
Filing date: 1996-05-16
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2016-05-16
Also published as: JPH09304319A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、におい源探知コンパスに係り、特にカイコガを模倣した、におい源コンパスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
生物の多くは、においをたどることによって、餌や仲間、異性の場所を発見することができる。このような能力を持つ工学的システムが実現できれば、危険ガスのガス漏れ場所の探索、火災発生箇所の早期発見などに有効である。
【０００３】
しかし、においをたどって発生源を探すことは容易ではない。においは風に運ばれ、煙突からたなびく煙のように広がる。このため、風と平行な方向の濃度勾配が非常に小さい。また、風には必ず乱れがあるため、においの分布は、むらのある非常に複雑な形状になり、その上、不規則に変動する。
【０００４】
したがって、局所的、瞬間的な濃度勾配は、必ずしもにおい源の方向を指さない。このため、におい源の方向を推定する方法が課題となる。
【０００５】
本願発明者等は、濃度勾配に加えて風向きを用いることによって、この問題を解決し、ガスセンサと風速センサを用いた、自走型におい源探知システムを開発した（特願平６−５５３８３号）。
【０００６】
また、Ｒｕｓｓｅｌｌらも同様のガス漏れ探知ロボットを開発した。しかし、室内の微風速を検出可能な風向きセンサが少なく、風向き検出のために特殊な構造のセンサを必要とするなどの欠点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本願発明者等は、新たなにおい源探知システムを開発するため、生物のメカニズムを模倣することが重要であると考え、カイコガの行動観察を行った。雄のカイコガは性フェロモンのにおいを頼りに歩行して雌を探すが、このとき必ず翅を激しく羽ばたく。前方に雌がいる場合には、羽ばたきによって生じた風がフェロモンを引き寄せる。
【０００８】
逆に、後方に雌がいる時はフェロモンを遠ざける。このため、触角で受容するフェロモン濃度は雌の方向を向いた時に最高となり、逆向きで最低となる。
【０００９】
本願発明者等は、カイコガの触角と翅の代わりにガスセンサ１つと小型ファンを用い、におい源の方向を判定する能動サンプリング型プローブを開発した（特願平７−６６１９９号）。
【００１０】
上記したプローブを用いると、風向きの情報を用いずに、におい源の方向を得ることができる。しかしながら、それによれば、プローブを１回転した後に方向を判定するため、判定に長時間を要するという欠点があった。
【００１１】
本発明は、上記問題点を除去し、２次元又は３次元のにおい源の探知の判定を迅速・かつ的確に行うことができる、におい源探知コンパスを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕におい源探知コンパスにおいて、支持板上に固定される複数のガスセンサと、この複数のガスセンサと一体的に設けられるとともに前記複数のガスセンサを隔てる仕切板と、前記支持板と一体的に設けられるとともに前記複数のガスセンサに対応して配置される小型ファンと、前記支持板を回転可能な駆動源とを備え、前記小型ファンで吸引する空気を前記複数のガスセンサに当てることにより、におい源の方向に対応するセンサ応答差を得て、この応答差を利用してにおい源を探知可能にするようにしたものである。
【００１３】
〔２〕上記〔１〕記載のにおい源探知コンパスにおいて、前記ガスセンサは２個のガスセンサである。
【００１４】
〔３〕におい源探知コンパスにおいて、基台に支柱を介して固定される第１の駆動源と、この第１の駆動源の回転により駆動されるＬ字型アームと、このＬ字型アームの先端に固定される第２の駆動源と、この第２の駆動源の回転によって駆動される支持台と、この支持台上に固定される複数のガスセンサと、この複数のガスセンサを隔てる仕切板と、前記支持台と一体的に設けられるとともに前記複数のガスセンサに対応して配置される小型ファンとを備え、前記小型ファンで吸引する空気を前記複数のガスセンサに当てることにより、におい源の方向に対応するセンサ応答差を得て、この応答差を利用してにおい源を探索可能にするようにしたものである。
【００１５】
〔４〕上記〔３〕記載のにおい源探知コンパスにおいて、前記ガスセンサは４個のガスセンサを備え、これらのガスセンサを個別に隔てる仕切板を配置するようにしたものである。
【００１６】
ところで、カイコガは片方の触角に強いフェロモン刺激を受けると、その方向へ体の向きを回転する。上記した本発明のにおい源探知コンパスは、この行動メカニズムを模倣し、複数のガスセンサを用い、その複数のガスセンサのセンサ応答を比較しながら回転することによって、におい源の方向を方位磁針のように指すことができる。
【００１７】
その結果、２次元的ににおい源を探知するコンパスを得ることができる。
【００１８】
更に、３次元におい源探知コンパスを得ることができ、３次元的な方向判定も可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の第１実施例を示す２次元におい源探知コンパスの概略構成図である。
【００２１】
この図において、１は基台であり、この基台１に駆動源であるステッピングモータ２が固定され、このステッピングモータ２によって駆動される支持板３が配置され、この支持板３上に支柱４，５が設けられ、この支柱４，５上に半導体ガスセンサ（ＴＧＳ８２２，Ｆｉｇａｒｏ技研製）６，７が、支柱４，５間に固定される仕切板８を挟んで左右に１対配置されている。また、支持板３上に支柱９を介して固定されるとともに、その仕切板８の側方に小型ファン（ＲＥ１４０，マブチモータ）１０が配置されている。
【００２２】
このように、この実施例の、におい源探知コンパスには、カイコガの触角に対応させて、左右に１対の半導体ガスセンサ（ＴＧＳ８２２，Ｆｉｇａｒｏ技研製）６，７を３．６ｃｍの間隔で取り付けた。
【００２３】
ここでは、ガス中でのセンサ抵抗Ｒｇａｓと清浄空気中でのセンサ抵抗Ｒａｉｒの比Ｓ＝Ｒｇａｓ／Ｒａｉｒをセンサ応答と定義した。このセンサ応答Ｓは、においやガスの濃度が低いときには、濃度の増加に対して線形的に減少するが、その傾きはセンサ毎に異なる。
【００２４】
におい源探知コンパスでは微少なセンサ応答差を検出する必要があるため、この線形性を用いて実験前にセンサ応答の校正を行い、センサ感度を揃える。
【００２５】
また、におい源探知コンパスでは、カイコガの翅の代わりに小型ファン１０を用いた。小型ファン１０を回転すると、図１中の矢印のような風が生じ、小型ファン１０が右から吸引する空気が右側の半導体ガスセンサ６に、小型ファン１０が左から吸引する空気が左側の半導体ガスセンサ７に当たる。このため、左右の半導体ガスセンサ６，７の応答を比較すれば、においが漂ってくる方向を判定することができる。
【００２６】
小型ファン１０による風の流れを整えるため、２つの半導体ガスセンサ６，７の間に、高さ１０ｃｍ、長さ８ｃｍのアクリル板を仕切板８として取り付けた。
【００２７】
小型ファン１０により生じる風の速さは、小型ファン１０の後方３０ｃｍの地点で２．８７ｍ／ｓであった。これはこの実験を行った室内の風速（約１０〜３０ｃｍ／ｓ）に比べて十分に大きい。このため、においの分布は小型ファン１０の起こす風により能動的に変更される。
【００２８】
ここでは、ガス漏れ探知を想定し、クリーンルーム内で実験を行った。
【００２９】
そして、１／４インチステンレスチューブのノズルを用い、バブリングによって得たエタノール飽和蒸気を流量７５ｍｌ／ｍｉｎで噴出した。以降、このノズルの先端をにおい源と呼ぶ。
【００３０】
まず、小型ファンと仕切板の効果を確かめる実験を行った。
【００３１】
図２は本発明の実施例の小型ファンと仕切板の効果を示す図である。
【００３２】
この図に示すように、噴出したエタノールガス（におい源）は風に運ばれて広がり、におい源１１から風下に向けて雲状にたなびく。この雲はプルームと呼ばれる。ここでは、におい源１１から９０ｃｍ風下のプルーム中心部に、におい源探知コンパスを設置し、図中に示した方向に向けた。
【００３３】
まず、小型ファンを停止し、仕切板を取り外した場合は、図２（ａ）の左のグラフに示すように左右のセンサ応答にほとんど差がなかった。これは、風と平行な方向の濃度勾配が小さいためである。センサ応答の変動は、風の乱れによりプルームが蛇行し、ガスの濃度分布が不規則に揺らぐために生じたものである。
【００３４】
次に、小型ファンを停止したまま仕切板を取り付けた。この場合、左側のセンサにガスが到達するのを仕切板が妨げる。このため、図２（ｂ）の左のグラフに示すようにセンサ応答に差が生じたが、その大きさは小さい。しかし、小型ファンを回転させることにより、右から高濃度のガスを吸引し、図２（ｂ）の右のグラフに示すように大きな応答差が得られた。
【００３５】
したがって、小型ファン１０で起こした風には、センサ応答差を拡大する効果があることが分かる。
【００３６】
また、図２（ａ）の右のグラフに示すように、仕切板がない場合は、小型ファンを回転しても応答差が得られなかった。これは、小型ファンの回転に伴い、空気が渦を巻きながら吸引されるためである。この渦のために、右前方から吸引した空気が左右のセンサに均等に当たってしまい、応答差が生じない。
【００３７】
したがって、仕切板を用いて風の流れを整えることが必要であることが分かった。
【００３８】
次に、図２と同一の地点でコンパスを３６０°回転させ、センサ応答の差を測定した。この結果を図３に示す。
【００３９】
図３では、コンパスが、におい源を向いた時の方向をθ＝０°とし、左回りの角度を正とした。センサ応答差は、ΔＳ＝Ｓ_r−Ｓ_lと定義した。ただし、Ｓ_r、Ｓ_lはそれぞれ右側のセンサ、左側のセンサの応答を表す。
【００４０】
このように角度をとると、０°＜θ＜１８０°の時には、におい源がコンパスの右側に位置する。このため、左側のセンサの応答値が小さくなり、図３ではΔＳ＜０となっている。逆に、１８０°＜θ＜３６０°の時には、ΔＳ＞０となる。従来の能動サンプリング型プローブは、ガスセンサ１つのみを用いていたため、プローブを１回転しないと、におい源の方向を判定できなかった。
【００４１】
これに対して、本発明のにおい源探知コンパスでは、図３に示す応答差を利用してにおい源が左右どちらにあるか瞬間的に判定できる。
【００４２】
したがって、ΔＳ＜０の時は右回り、ΔＳ＞０の時は左回りにコンパスを回転すれば、ΔＳ＝０かつｄΔＳ／ｄθ＜０となるθ＝０°にコンパスの方向を収束させることができる。におい源と逆向きのθ＝１８０°でもΔＳ＝０となるが、この近傍では、ｄΔＳ／ｄθ＞０となる。このため、コンパスは１８０°の方向に停留せずに、この方向から離れる向きに回転する。
【００４３】
しかし、回転速度を増すとセンサ応答に図３に示すような遅れが生じ、センサ応答差が正しく検出できなくなる。半導体ガスセンサの応答は、濃度が高い方へ変化するときは秒オーダで追従するが、濃度が低い方へ変化するときの時定数は２分程度と非常に遅い。そこで、この応答特性を考慮し、以降の実験ではコンパスの回転速度を２°／ｓに固定した。
【００４４】
〔におい源の方向推定結果〕
クリーンルームに設置したにおい源の方向を、ΔＳ＝０かつ、ｄΔＳ／ｄθ＜０の条件の下に推定した。このクリーンルームの天井には、２つの給気口が、図４の右下と左下の位置に取り付けられており、ここから風が吹き下ろす。におい源は、図４の右下隅に設置し、床からの高さは２３．５ｃｍとした。図中に示したプルームの包絡線は、この高さにおいてガスセンサ応答の平均値（５分間）が０．８となった等濃度線を表す。しかし、におい源付近では風が上から吹き下ろすため、プルームは床面に近い高さ１２ｃｍ付近を中心に二次元的に広がった。
【００４５】
図４（ａ）は、この高さ１２ｃｍにコンパスを置き、方向を推定した結果を示す。
【００４６】
各測定点において、毎秒ガスセンサ応答を比較し、濃度の高い方向へ２°／ｓでコンパスを回転した。ｘ軸の正の方向を０°として左回りに角度をとり、コンパスが指した方向θを１０分間測定した。コンパスの初期方向はθ₀＝１８０°とした。図４中の矢印は後半５分間におけるθの平均値θ_avを示し、扇形はその間のθの最大変位を表す。矢印が示すように、プルーム外ではプルームに向かう方向、プルーム内ではにおい源の方向が得られた。扇形の角度は広いが、繰り返し判定を行ってプローブを移動させれば、方向の瞬時値を用いても、におい源に到達することが可能である。
【００４７】
図４（ａ）のＡ、Ｂ点におけるガスセンサの応答とコンパスの動作を、図５に示す。
【００４８】
Ａ点はプルーム内、Ｂ点はプルーム外の点である。図５より、コンパスの方向θが数分でθ_av付近に収束し、その後およそ±６０°の範囲で変動していることが分かる。収束に要した時間は、Ａ点では、図５（ａ）に示すように、約１分であった。この実験ではコンパスの初期方向θ₀を、におい源と逆向きの１８０°としたために、収束に長時間を必要とした。しかし、実際ににおい源の探索を行う際は、初めに一度だけ数分間、収束を待てばよい。その後、コンパスを少し動かして方向判定を行う作業を繰り返せば、コンパスの指す方向が少しずつしか変化しないので短い時間で方向が収束できる。
【００４９】
また、図５（ｂ）に示すように、Ｂ点でコンパスの角度が収束するのに要した時間は約３分であり、Ａ点の場合よりもさらに長い時間を要した。Ｂ点では、図５（ｂ）に示すように、ガス濃度が低く、センサ応答の差が小さいことが分かる。このため方向判定を誤り易く、ｔ＝１２０ｓ付近では、収束方向θ_avから離れる向きに回転してしまった。しかし、風の乱れによりｔ＝１５０ｓ付近でＢ点までプルームが蛇行してきた結果、大きなセンサ応答のディップが観測された。この時のセンサ応答差により、コンパスは正しい方向へ向いた。
【００５０】
このように、ガス濃度が低い場所では方向判定が困難になる。実際に、Ｂ点よりも更にプルームから離れたＣ点〔図４（ａ）参照〕では、ガスがほとんど検出されなかったため、図４（ａ）に示すように、におい源の方向が誤って判定された。実際に使うときには、センサ応答がない場合に方向判定不能である旨を表示する必要がある。
【００５１】
さらに、図４（ｂ）に示すＤ点のようにプルームと異なる高さにコンパスを置いた場合も、におい源の方向が推定できなかった。このような場合には、三次元的に方向を推定する必要があることが分かる。
【００５２】
このように、現実の環境ではガスが３次元的に広がるため、３次元的なにおい源探知が必要になることがある。そこで、第１実施例の２次元的におい源探知コンパスを発展させ、三次元におい源探知コンパスを作製した。
【００５３】
図６は本発明の第２実施例を示す３次元におい源探知コンパスの概略構成図である。
【００５４】
この図において、２１は基台であり、この基台２１上に支柱２２が設けられ、この支柱２２上に第１の駆動源である第１のステッピングモータ２３が配置され、この第１のステッピングモータ２３の回転駆動により、Ｌ字形状のアーム２４がＸ軸の回りに回転可能に構成されている。このＬ字形状のアーム２４の先端には第２の駆動源である第２のステッピングモータ２５が配置され、この第２のステッピングモータ２５の回転駆動により、支持板２６がＹ軸の回りで回転可能に構成されている。
【００５５】
その支持板２６には支柱２７，２８が設けられ、これらの支柱２７，２８によって仕切板２９，３０が固定されている。これらの仕切板２９，３０間に個別的に第１の半導体ガスセンサ３１、第２の半導体ガスセンサ３２、第３の半導体ガスセンサ３３、第４の半導体ガスセンサ３４が隔てて配置されている。
【００５６】
更に、支持板２６には支柱３５が設けられ、その支柱３５上に小型ファン３６が固定されるとともに、第１の半導体ガスセンサ３１、第２の半導体ガスセンサ３２、第３の半導体ガスセンサ３３、第４の半導体ガスセンサ３４に対応して配置されている。
【００５７】
このように、４つの半導体ガスセンサが取り付けられており、隣接する半導体ガスセンサの間隔は３ｃｍである。また、第１実施例の２次元コンパスと同じ大きさの仕切板２９，３０を２枚取り付けた。
【００５８】
この３次元におい源探知コンパスでは、半導体ガスセンサの応答差からガス濃度勾配を検出し、この方向に２つのステッピングモータを用いてコンパスを三次元的に回転可能にしている。すなわち、
まず、基台２１の支柱２２に固定された第１のステッピングモータ２３により、コンパスと第２のステッピングモータ２５を一緒に仰角方向に回転する。さらに、第２のステッピングモータ２５を回転することにより、コンパスを三次元の任意の方向へ向けることができる。
【００５９】
ここでは、コンパス先端に固定された座標系（ｘ_c、ｙ_c）におけるガス濃度勾配ベクトルｖ_gを、
【００６０】
【数１】

と定義した。以下の実験では、１秒毎にガス濃度勾配ベクトルｖ_gを測定し、その方向にコンパスを２°／ｓで回転することによって、におい源の方向判定を行った。
【００６１】
〔におい源の方向推定結果〕
３次元におい源探知については、におい源を図４の座標系（ｘ，ｙ）＝（１００，２０）に置き実験を行った。この位置では、図４（ａ）に示すように、２つの給気口から吹き出した風が衝突するため、噴出したガスは上方へ舞い上がる。このため、ｚ軸を床から垂直上向きにとり、ｙｚ平面上に図４と同様に、プルームの包絡線を描くと、図７に示すようになる。
【００６２】
この図７に示すように、プルームが上方に延びるため、２次元におい源探知コンパスを用いて床面付近を移動しても、におい源を発見できなかった。また、従来のガスセンサと風速センサを用いた、におい源探知システムでも、におい源探知に失敗した。
【００６３】
図７の実験環境で３次元的にプローブの位置を変え、におい源の方向推定を行った結果を図８に示す。この図８内の枠線は座標系を表すもので、実験に枠が存在するわけではない。図８中の矢印は図４と同様に測定の後半５分におけるコンパスの方向の平均値を指し示している。コンパスの初期方向はｘ軸の正の向きとした。図８に示すように三次元コンパスを用いた場合には、左隅から上方に向かうベクトルが得られた。この方向は図７に示すプルームの方向に一致する。
【００６４】
一方、このプルームの中では、におい源付近で下降するベクトル列が得られた。したがって、このベクトル列をたどることによって、におい源に到達することができる。
【００６５】
典型的な動作例として、図８中のＥ点におけるコンパスの動作とセンサ応答を図９に示す。図中のΔθは、コンパスの瞬間的な方向と、図８に示した矢印の方向のなす角度を表す。図９では約４分でコンパスの方向が収束しており、コンパスの方向の変動は、図５に示した二次元の場合と同じく±６０°程度であった。
【００６６】
従来の能動サンプリングプローブで３次元方向推定を行う場合には、プローブを水平方向と垂直方向に２回転する必要があった。これに対し、３次元コンパスの場合には、濃度勾配を検出して直接におい源の方向へコンパスが回転するので、２次元の場合と同程度の時間で方向を推定することができた。
【００６７】
なお、上記実施例においては、ガスセンサとしては、半導体ガスセンサについて述べたが、これに限定されるものではなく、弾性波デバイス、導電性高分子、電気化学電極などからなるガスセンサがあり、これらのガスセンサを用いるようにしてもよい。
【００６８】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００６９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００７０】
カイコガの行動を模倣し、におい源探知コンパスを開発した。複数のガスセンサを仕切板で隔て、そこに小型ファンで吸引した空気を当てることにより、におい源の方向に対応するセンサ応答差が得られた。におい源探知コンパスは、この応答差を利用してにおい源の方向を指し示す。
【００７１】
カイコガと同様に二次元的に動作するコンパスと、三次元的に回転するコンパスの２種類を製作した結果、どちらのコンパスを用いた場合でも、クリーンルーム内のにおい源の方向を推定することができた。コンパスを人間が持って移動するか、あるいは移動ロボットに取り付けることにより、におい源を発見することができる。特に、三次元的にガスが広がる場合に、その発生源を探知することは従来困難であったが、本発明の三次元コンパスにより三次元的な方向判定が可能となり、探知能力の向上を図ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す２次元におい源探知コンパスの概略構成図である。
【図２】本発明の実施例の小型ファンと仕切板の効果を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例を示す図２と同一の地点でコンパスを３６０°回転し、センサ応答の差を測定した結果を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例を示すにおい源の方向推定結果を示す図である。
【図５】図４に示すＡ、Ｂ点におけるガスセンサの応答とコンパスの動作を示す図である。
【図６】本発明の第２実施例を示す３次元におい源探知コンパスの概略構成図である。
【図７】本発明の第２実施例を示すプルームの包絡線を示す図である。
【図８】本発明の第２実施例を示す実験環境で３次元的にプローブの位置を変え、におい源の方向推定を行った結果を示す図である。
【図９】図８中のＥ点におけるコンパスの動作とセンサ応答を示す図である。
【符号の説明】
１，２１基台
２ステッピングモータ
３，２６支持板
４，５，９，２２，２７，２８，３５支柱
６，７半導体ガスセンサ
８，２９，３０仕切板
１０，３６小型ファン
１１におい源
２３第１のステッピングモータ（第１の駆動源）
２４Ｌ字形状のアーム
２５第２のステッピングモータ（第２の駆動源）
３１第１の半導体ガスセンサ
３２第２の半導体ガスセンサ
３３第３の半導体ガスセンサ
３４第４の半導体ガスセンサ

Claims

（ａ）支持板上に固定される複数のガスセンサと、
（ｂ）該複数のガスセンサと一体的に設けられるとともに前記複数のガスセンサを隔てる仕切板と、
（ｃ）前記支持板と一体的に設けられるとともに前記複数のガスセンサに対応して配置される小型ファンと、
（ｄ）前記支持板を回転可能な駆動源とを備え、
（ｅ）前記小型ファンで吸引する空気を前記複数のガスセンサに当てることにより、におい源の方向に対応するセンサ応答差を得て、該応答差を利用してにおい源を探知可能にすることを特徴とするにおい源探知コンパス。
請求項１記載のにおい源探知コンパスにおいて、前記ガスセンサは２個のガスセンサであることを特徴とするにおい源探知コンパス。
（ａ）基台に支柱を介して固定される第１の駆動源と、
（ｂ）該第１の駆動源の回転により駆動されるＬ字型アームと、
（ｃ）該Ｌ字型アームの先端に固定される第２の駆動源と、
（ｄ）該第２の駆動源の回転によって駆動される支持台と、
（ｅ）該支持台上に固定される複数のガスセンサと、
（ｆ）該複数のガスセンサを隔てる仕切板と、
（ｇ）前記支持台と一体的に設けられるとともに前記複数のガスセンサに対応して配置される小型ファンとを備え、
（ｈ）前記小型ファンで吸引する空気を前記複数のガスセンサに当てることにより、におい源の方向に対応するセンサ応答差を得て、該応答差を利用してにおい源を探索可能にすることを特徴とするにおい源探知コンパス。
請求項３記載のにおい源探知コンパスにおいて、前記ガスセンサは４個のガスセンサを備え、これらのガスセンサを個別に隔てる仕切板を配置するようにしたことを特徴とするにおい源探知コンパス。