An electronic nose system for urban search and rescue operations

Abstract

In this thesis the successful testing of an electronic nose system is presented, as well as all the required research to achieve that goal. This electronic nose is intended to detect the presence of trapped humans in confined spaces and, also, air-related hazardous conditions in collapsed buildings during search and rescue operations in an urban environment. Initially, the field of interest for which this work provides a solution is presented. Existing methods, with and without gas sensors, are presented and the environment in which the electronic nose is intended to work in is investigated from a measurement and detection perspective. Various sensing technologies and their capabilities are presented. Also, the anticipated target gases/compounds which are indicators of human presence are listed and an estimation regarding the feasibility of detecting them is produced, given some specific constraints that must be met in order for the end result to be practically usable in real conditions. The research and resulting developments were performed incrementally by first confirming, theoretically and then experimentally, the feasibility of the proposed approach – which is to use sensors for the measurement of gas concentrations, temperature, humidity and air pressure. After the successful completion of the feasibility test of the proposed approach, an electronic nose system capable of detecting human presence in confined spaces was designed and successfully tested under near realistic conditions. The testing method of this system confirmed the ability of the system to detect human presence by performing a search on the surface of the building debris. Given this success, a new electronic nose system, which was designed and tested under realistic conditions, was installed on a robotic platform capable of moving inside collapsed building structures. This system can detect human presence and many typical air related hazards inside building rubble. While the functionality of the system was increased and its volume reduced, the operator interface was drastically improved with the introduction and implementation of logic that produces simple outputs/indicators regarding the detected conditions. Finally, alternative uses of the system are investigated, as well as the required adjustments in each case.

Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται η επιτυχημένη δοκιμή ενός συστήματος ηλεκτρονικής μύτης, καθώς και όλη η έρευνα που χρειάστηκε για να προκύψει αυτή, και η οποία έχει ως σκοπό την ανίχνευση παγιδευμένων ανθρώπων καθώς και επικίνδυνων ατμοσφαιρικών καταστάσεων στα ερείπια κτηρίων σε περιπτώσεις επιχειρήσεων έρευνας και διάσωσης σε αστικά περιβάλλοντα. Εισαγωγικά παρουσιάζεται το πεδίο εφαρμογής στο οποίο προσπαθεί να δώσει λύσεις αυτή η εργασία, οι υπάρχουσες λύσεις και μέθοδοι με ή χωρίς αισθητήρες αερίων, καθώς επίσης αναλύεται το περιβάλλον από τη σκοπιά της ανίχνευσης. Παρουσιάζονται οι τεχνολογίες ανίχνευσης και οι δυνατότητές τους. Επίσης παρουσιάζονται οι τυπικές και αναμενόμενες ουσίες/αέρια που είναι δείκτες της ανθρώπινης παρουσίας και παράγεται μια εκτίμηση για την δυνατότητα ανίχνευσής τους με κάποιους δεδομένους περιορισμούς στους οποίους πρέπει να ακολουθεί η λύση ώστε αυτή να μπορεί να χρησιμοποιηθεί πρακτικά σε πραγματικές συνθήκες. Η έρευνα έγινε με σταδιακή εμβάθυνση στο πρόβλημα, αρχικά επιβεβαιώνοντας, πρώτα θεωρητικά και μετά εργαστηριακά, την βιωσιμότητα της προτεινόμενης προσέγγισης - τη χρήση αισθητήρων για τη μέτρηση συγκέντρωσης αερίων, θερμοκρασίας, υγρασίας και ατμοσφαιρικής πίεσης. Μετά την επιτυχημένη δοκιμή της ακολουθούμενης προσέγγισης, σχεδιάστηκε και δοκιμάστηκε επιτυχημένα σε κλειστούς χώρους με συνθήκες αρκετά κοντινές στις πραγματικές, ένα σύστημα ηλεκτρονικής μύτης που έχει τη δυνατότητα ανίχνευσης της ανθρώπινης παρουσίας. Η μέθοδος της δοκιμής επιβεβαίωσε τη δυνατότητα ανίχνευσης ανθρώπινης παρουσίας με μέθοδο αναζήτησης από την επιφάνεια των ερειπίων. Δεδομένης αυτής της επιτυχίας, σχεδιάστηκε και δοκιμάστηκε σε σχεδόν πραγματικές συνθήκες νέο σύστημα ηλεκτρονικής μύτης το οποίο τοποθετήθηκε πάνω σε ρομποτική πλατφόρμα η οποία έχει τη δυνατότητα να κινείται μέσα στα ερείπια. Αυτή η ηλεκτρονική μύτη έχει τη δυνατότητα να ανιχνεύει ανθρώπινη παρουσία καθώς επίσης και διάφορες τυπικές επικίνδυνες ατμοσφαιρικές καταστάσεις μέσα στα ερείπια. Ταυτόχρονα, με την μείωση του όγκου της νέας και τελικής ηλεκτρονική μύτης και την αύξηση των δυνατοτήτων ανίχνευσης, βελτιώθηκε δραστικά η διεπαφή του χειριστή του συστήματος με την υλοποίηση και ενσωμάτωση λογικής που παράγει απλές εξόδους/ενδείξεις για τις ανιχνευόμενες καταστάσεις. Τέλος, μελετούνται άλλες περιπτώσεις χρήσης αυτής της ηλεκτρονικής μύτης καθώς και οι απαραίτητες προσαρμογές που θα χρειάζονταν για κάθε περίπτωση. Το κείμενο της διατριβής είναι στην Αγγλική γλώσσα.