移動機器人對氣體泄漏的搜尋和預(yù)警

朱鳳芝

摘 要：近年來，我國工業(yè)發(fā)展水平的不斷提高，使人們越來越重視工業(yè)生產(chǎn)安全，在工業(yè)生產(chǎn)中，危險氣體泄漏會帶來巨大的安全隱患，如果不及時找出氣體泄漏源，勢必會引發(fā)火災(zāi)、爆炸、中毒等重大安全事故，從而給人們造成嚴重的生命威脅。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使移動機器人在氣體泄漏搜尋和預(yù)警中有著廣闊的發(fā)展前景，將移動機器人用于氣體泄漏搜尋和預(yù)警中，能夠快速、準(zhǔn)確地找出氣體泄漏源，以此確保工業(yè)生產(chǎn)安全。鑒于此，該文對移動機器人對氣體泄漏的搜尋和預(yù)警進行深入的研究，以期能夠為我國工業(yè)領(lǐng)域的穩(wěn)定、安全生產(chǎn)提供幫助和借鑒。

關(guān)鍵詞：移動機器人 氣體泄漏 搜尋 預(yù)警

中圖分類號：TP24 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（a）-000-02

1 移動機器人對氣體泄漏源進行搜尋的定位模型

1.1 運動目標(biāo)控制

移動機器人在對氣體泄漏進行搜尋時，首先要對移動機器人控制模型進行深入的分析，假設(shè)其定位中心為（x0，y0），則可把目標(biāo)跟蹤定位按照以下兩個組成部分進行劃分：移動機器人向左或向右移動所產(chǎn)生的距離，即ΔX；移動機器人向前或向后移動時所產(chǎn)生的距離，即ΔY，其左右移動所產(chǎn)生的距離可通過帶有攝像機的成像模型來獲得，則可得出以下關(guān)系：

在該方程中，dx代表橫向的攝像機成像像素長度，而dy則代表縱向的攝像機成像像素長度，mx、my、f均為攝像機小孔成像模型中的參數(shù)。移動機器人向前或向后移動所產(chǎn)生的距離在計算上則比較復(fù)雜。由于在對移動機器人進行定位時，其目標(biāo)成像與實際圖像在面積比值上保持不變，因此利用定位目標(biāo)與圖像在成像上所具有的函數(shù)關(guān)系，即可計算出移動機器人在前后移動時所產(chǎn)生的距離ΔZ。在此需要分別將定位目標(biāo)的成像及圖像面積定義成s1與s2，假設(shè)移動機器人和定位目標(biāo)之間的距離是mz，則根據(jù)運動模型可以推斷出：

在該方程中，直角坐標(biāo)系內(nèi)定位目標(biāo)所處的位置由Yb（t）進行表示，在上述兩個公式中，均可通過Kalman濾波來對定位目標(biāo)所處的位置進行確定，從而獲得定位目標(biāo)在左右方向和前后方向所產(chǎn)生的距離。

1.2 嗅覺控制

移動機器人在氣體泄漏搜尋和預(yù)警中，主要是通過主動嗅覺來實現(xiàn)的，因此對主動嗅覺進行控制是非常重要的，而主動嗅覺需要利用動量方程與組分方程來予以確定。首先在動量方程模型上，氣體分子泄漏會使分子在擴散過程中始終遵循動量守恒定律，根據(jù)動量守恒定律，對分子在向x軸、y軸與z軸方向擴散所具有動量方程進行建立，可將其表述成：

在該動量方程中，氣體分子密度由p表示，在t時間內(nèi)氣體所具有的擴散系數(shù)由μi表示，氣體分子動量由ui表示，氣體分子壓力由gi表示。無論是在x軸上，還是在y軸、z軸上，動量方程模型都要滿足相應(yīng)的條件。在組分方程模型上，氣體分子在擴散過程中同樣會遵循組分質(zhì)量守恒定律，可依據(jù)組分質(zhì)量守恒定律來構(gòu)建氣體在擴散時的組分方程模型，即：

在該組分方程模型中，氣體各個組分所具有的質(zhì)量分數(shù)由w表示，流體擴散系數(shù)則由Di進行表示。

1.3 氣體泄漏源搜尋定位算法

移動機器人對氣體泄漏搜尋和預(yù)警時，是利用氣體定位算法來進行的，當(dāng)氣體濃度超出預(yù)警值時，移動機器人便會及時發(fā)出報警，并幫助管理人員找出氣體泄漏源，以此確保工業(yè)生產(chǎn)安全。氣體泄漏源搜尋定位算法的應(yīng)用流程如下：首先，移動機器人會對氣體的濃度閾值進行確定，以此判斷氣體的實際濃度是否超出閾值，如沒有超出閾值，則認為不存在氣體泄漏源，如果氣體的實際濃度比閾值高，則移動機器人會通過擴展半徑來對周邊可能存在的氣體泄漏源進行搜尋，其利用風(fēng)向傳感器來對氣體煙羽進行檢測，直到找出相應(yīng)的氣體泄漏源為止。

2 移動機器人對氣體泄漏搜尋和預(yù)警的實踐分析

2.1 仿真環(huán)境的構(gòu)建

為了分析移動機器人對氣體泄漏搜尋和預(yù)警的可行性，該文采用仿真軟件來建立相應(yīng)的實驗仿真環(huán)境。該仿真環(huán)境的相關(guān)參數(shù)具體設(shè)置如下：首先需要確定一個氣體泄漏源，該氣體泄漏源的氣體泄漏初始速度是5m/s，氣體泄漏物為甲烷，其質(zhì)量分數(shù)為1?？諝庠谌肟谔幍牧鲃铀俣仁?.5m/s，氣體泄漏源的出口直徑是0.25m，需要對氣體在開始泄漏的那一刻進行計算，計算的時間步長單位是2.5s，甲烷在開始泄漏時所具有的濃度是0，氣體泄漏時，其流動初始速度是5m/s。在移動機器人對氣體泄漏進行搜尋和預(yù)警時，主要是通過氣體定位算法來查找氣體泄漏源，并利用主動嗅覺控制來確定氣體的實際濃度，以此判斷其是否達到預(yù)警值。

2.2 氣體泄漏源搜尋定位算法及嗅覺實踐結(jié)果

甲烷在泄漏源中的持續(xù)時間分別達到52.5s、105s和157.5s時，利用移動機器人來對甲烷在空氣中的濃度進行檢測，以此實現(xiàn)對氣體泄漏點的搜尋，并判斷甲烷在空氣中的實際濃度是否在規(guī)定的閾值以內(nèi)，以便于在超出閾值時能夠進行及時的預(yù)警。通過對室內(nèi)空間中甲烷在52.5s、105s和157.5s這3個時間段內(nèi)的分布情況可以確定，移動機器人在利用目標(biāo)成像后可準(zhǔn)確顯示出甲烷煙羽在室內(nèi)空間中的濃度變化分布情況。由此可見，通過氣體泄漏源定位模型的應(yīng)用，可實現(xiàn)對氣體泄漏源的搜尋與定位。通過對移動機器人在應(yīng)用主動嗅覺算法后的仿真結(jié)果進行分析，可以了解到該文所采用的模擬環(huán)境在尺寸上和以上模擬范圍具有高度的一致性。從其仿真結(jié)果可以了解到，移動機器人在移動至不同位置時，需要對源碼文件中對應(yīng)位置的甲烷煙羽濃度值進行訪問，即可檢測到甲烷在局部位置中所具有的煙羽濃度。通過該方法的應(yīng)用，便可模擬出移動機器人的氣體煙羽濃度感知能力，從而使移動機器人能夠在模擬環(huán)境中進行運動檢測。

3 結(jié)語

總而言之，移動機器人對氣體泄漏的搜尋和預(yù)警是通過主動嗅覺定位技術(shù)來實現(xiàn)的，該技術(shù)可對空氣中的化學(xué)氣體進行感知，同時還能迅速確定氣體泄漏源，并根據(jù)氣體濃度及時發(fā)出預(yù)警，從而確保工業(yè)生產(chǎn)安全。雖然我國對該項技術(shù)的研究仍舊處于起步階段，但其在環(huán)境監(jiān)測、倉庫安保、危險物體檢測方面卻有著十分廣闊的發(fā)展前景。相信在不久的將來，隨著該技術(shù)的愈發(fā)成熟，移動機器人對氣體泄漏的搜尋和預(yù)警這一構(gòu)想必將真正實現(xiàn)。

參考文獻

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