Development of an Odor Compass: 2D Thermal Anemometer with Olfactory Information

Abstract

Muitos animais usam o olfato como um sentido de orientação combinando a informação sobre a concentração de um odor específico, presente no ar, e a velocidade do vento. Este tipo de deteção está ligado aos conceitos de deteção baseados em quimiotaxia e anemotaxia, uma vez que se consideram as propriedades químicas e eólicas aquando da localização da origem de um odor. No entanto, o olfato é muitas vezes desprezado, pelos seres humanos, como um sentido de orientação, não sendo, portanto, objeto de profunda investigação e/ou desenvolvimento. Assim, esta tese pretende dar uma contribuição nesta área através do desenvolvimento de um compasso de odores baseado em métodos térmicos, para medir as propriedades de um fluido, e um sensor de gás eletroquímico, de forma a medir a concentração do odor. Os compassos de odor são adequados para o uso em robôs móveis, possibilitando o rastreamento ativo de um odor, e em redes de sensores ambientais, permitindo um rastreamento estático de odor. Estes podem, portanto, ser usados em aplicações como o controlo de ambientes de vida e de trabalho num edifício, inspeção de ambientes perigosos utilizando robôs móveis, deteção de drogas e explosivos, e deteção precoce de incêndios florestais. Para desenvolver tal dispositivo, foram colocados vários termístores, também designados de elementos aquecidos, em torno de uma estrutura triangular, permitindo que a relação entre as suas respostas possa ser utilizada para determinar a direção da origem de um odor enquanto se usa um sensor de gás de óxidos metálicos para medir a concentração do mesmo.Testes em laboratório realizados com etanol, de forma a produzir a quantidade desejada de odor, e um processo de calibração completamente automatizado, mostraram que o sensor desenvolvido consegue indicar a direção da origem de um odor com precisão, medindo a velocidade do fluxo de ar com um erro absoluto médio de 0,0245 m/s e a direção do fluxo de ar com um erro absoluto médio de 3%.

Many animals use olfaction as a sense of orientation by combining the information regarding the concentration of a specific odor present in the air and the velocity of the wind. This type of detection is linked to the concepts of chemotaxis and anemotaxis based detection, since both chemical and wind properties are considered when locating the source of an odor. However, olfaction is often disregarded by humans as a sense of orientation, thus not being subject of deep research and/or development. Therefore, this thesis intends to give a contribution in this area through the development of an odor compass based on thermal methods for measuring the flow properties of a fluid and an electrochemical gas sensor for measuring its odor concentration. Odor compasses are suitable for usage in both mobile robots, in order to perform an active odor tracing, and environmental sensor networks, allowing for a static odor tracing. They can, therefore, be used in applications like control of living and working environments in a building, inspection of dangerous environments with mobile robots, drugs and explosives detection and earlier detection of active wildfires. To develop such a device, multiple thermistors, also referred to as heated elements, were placed around a triangular structure, so that the relation between their responses can be used to determine the direction of the odor source, while a metal oxide gas sensor was used to measure the odor concentration.Indoor experiments realized with ethanol, in order to produce the desired amount of odor, and a fully automated calibration process showed that the developed sensor could indicate the direction of the odor source with precision, measuring the airflow velocity with a mean absolute error of 0.0245 m/s and the airflow direction with a 3% mean absolute error.