化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人及監(jiān)控平臺(tái)建設(shè)研究

摘? 要：近年來，我國化工行業(yè)的高速發(fā)展，為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了巨大的促進(jìn)作用。對(duì)于化工企業(yè)經(jīng)常需要生產(chǎn)、存儲(chǔ)和運(yùn)輸易燃、易爆、有毒等危險(xiǎn)物質(zhì)，因此一旦這些危險(xiǎn)物質(zhì)發(fā)生泄漏，勢(shì)必會(huì)引發(fā)非常嚴(yán)重的后果，甚至還會(huì)造成人員傷亡，從而給化工企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。鑒于此，該文提出一種用于化工泄漏檢測(cè)的移動(dòng)機(jī)器人與監(jiān)控平臺(tái)，并對(duì)其建設(shè)方案進(jìn)行深入的研究，以期能夠?yàn)槲覈ば袠I(yè)的安全生產(chǎn)提供可靠保障。

關(guān)鍵詞：化工泄漏? 泄漏檢測(cè)機(jī)器人? 監(jiān)控平臺(tái)? 平臺(tái)建設(shè)

中圖分類號(hào)：TE973.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）04（b）-0026-02

1? 化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人及監(jiān)控平臺(tái)總體建設(shè)方案

在化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人及監(jiān)控平臺(tái)總體建設(shè)方案中，主要包括化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人與監(jiān)控平臺(tái)兩個(gè)組成部分，其中，化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人的移動(dòng)控制由STM32F103主控制器來實(shí)現(xiàn)，在化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人中安裝有不同種類的傳感器，這些傳感器共同屬于MQ-X系列，通過對(duì)這些傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，判斷現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)物質(zhì)的濃度是否達(dá)到規(guī)定的閾值，一旦發(fā)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)濃度超過閾值，則化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并將報(bào)警信息利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行聲音報(bào)警。監(jiān)控平臺(tái)的應(yīng)用程序由LabVIEW進(jìn)行編寫，在該監(jiān)控平臺(tái)中可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的氣體濃度變化進(jìn)行曲線顯示，并通過分析氣體濃度變化曲線來找出泄漏位置。

2? 化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人建設(shè)研究

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

2.1.1 化工泄漏物質(zhì)檢測(cè)裝置

在化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)中，所采用的感應(yīng)傳感器主要有兩類，一類是半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器，另一類則是接觸燃燒式傳感器，這兩種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、靈敏度高以及體積小的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，而且其成本也較低。其中，半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器為MQ-X系列的煙霧傳感器，該系列傳感器采用二氧化錫作為敏感材料，可實(shí)現(xiàn)對(duì)丙烷、氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w的有效檢測(cè)，并采集這些可燃?xì)怏w的現(xiàn)場(chǎng)濃度。由于傳感器為非線性敏感特性，這就造成其對(duì)氣體濃度的轉(zhuǎn)換難度較大，因此應(yīng)計(jì)算氣體濃度和傳感器中電壓所具有的關(guān)系函數(shù)，可通過最小二乘法來得出兩者之間的函數(shù)關(guān)系。

2.1.2 機(jī)器人移動(dòng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人來說，其所處的環(huán)境是較為復(fù)雜的，因此確?；ば孤z測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能的平穩(wěn)性是非常重要的，其減振方式可使用獨(dú)立懸掛減振，這樣可提高小車的越野能力?；ば孤z測(cè)機(jī)器人主要包括兩個(gè)子部分，分別是無線遙控裝置與驅(qū)動(dòng)小車，其中無線遙控裝置的架構(gòu)為三通道，其信號(hào)強(qiáng)度為2.4GHz，這樣便于探測(cè)可燃?xì)怏w。為了確保檢測(cè)機(jī)器人的越野能力，采用超野四驅(qū)小車，其最大障礙翻越高度為15cm，這使其能夠在各種復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行化工泄漏檢測(cè)。化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人的主控芯片為STM32F103，該芯片有著穩(wěn)定的控制性能，并且直流減速電機(jī)的成本較低，因此可采用直流減速電機(jī)來為檢測(cè)機(jī)器人提供能源，并應(yīng)用L298驅(qū)動(dòng)電路。考慮到檢測(cè)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向問題，可在越野四驅(qū)小車的前部與后部分別安裝一個(gè)舵機(jī)來進(jìn)行方向控制。為了控制越野四驅(qū)小車的移動(dòng)速度，還要根據(jù)其移動(dòng)速度的高低分別采用不同的轉(zhuǎn)向模式，在越野四驅(qū)小車移動(dòng)速度較低時(shí)，通過相位相異的控制模式，使前輪與后輪的方向相反控制來達(dá)到轉(zhuǎn)小彎的目的，在越野四驅(qū)小車移動(dòng)速度較高時(shí)，通過相位相同的控制模式，使前輪與后輪的方向相同來達(dá)到轉(zhuǎn)大彎的目的，這樣也能提高越野四驅(qū)小車在移動(dòng)過程中的穩(wěn)定性，避免發(fā)生翻車。

2.1.3 遠(yuǎn)程通信裝置

化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，主要是利用433MHz的無線串口來實(shí)現(xiàn)的，通過該串口還可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人車身控制指令的有效傳輸。該無線串口不僅有著較低的傳輸延遲，傳輸速度快，而且可支持透明傳輸與自動(dòng)分包傳輸，這使其能夠通過圖像傳輸模塊來傳輸與采集圖像?；ば孤z測(cè)機(jī)器人所采用的移動(dòng)相機(jī)為1200萬像素，其型號(hào)為SJ4000型，該移動(dòng)相機(jī)可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍照，并在拍照完畢后利用5.5GHz無線網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)照片傳輸至監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)控平臺(tái)中設(shè)置有USB接口，其通過視頻采集卡來顯示由移動(dòng)相機(jī)拍攝的現(xiàn)場(chǎng)圖像，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖像的錄制與保存。

2.1.4 溫度采集與智能補(bǔ)光裝置

考慮到化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人需要在復(fù)雜的環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，一旦環(huán)境中存在易燃、易燃物質(zhì)，而現(xiàn)場(chǎng)中的環(huán)境溫度又較高，則勢(shì)必會(huì)給作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)帶來很大的危險(xiǎn)。因此，在化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中還要設(shè)置溫度傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度。該溫度傳感器采用DS18B20型溫度傳感器，相比于一般的熱敏電阻來說，該溫度傳感器的靈敏度要更高、體積更小，而且結(jié)構(gòu)也更為簡(jiǎn)單，還可通過1-wire線接口來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在應(yīng)用溫度傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度參數(shù)采集時(shí)，應(yīng)結(jié)合作業(yè)實(shí)際需求，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，使其能夠?qū)?～12位的數(shù)字進(jìn)行讀數(shù)，溫度分辨率可設(shè)置為0.5℃，參數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)到93.75ms，該溫度傳感器可在-55℃～125℃的環(huán)境下正常工作，在溫度參數(shù)通信與傳輸上，利用I/O端口對(duì)1-wire總線通信協(xié)議進(jìn)行模擬，從而達(dá)到數(shù)據(jù)通信的目的。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人和監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信及遠(yuǎn)程控制功能需要對(duì)其軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括無線通信協(xié)議、PWM控制以及模數(shù)轉(zhuǎn)換。為了節(jié)約成本，提高系統(tǒng)性能與擴(kuò)展性，主控制器采用STM32F103，并在Keil/MDK開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行硬件驅(qū)動(dòng)與軟件配置，如配置模數(shù)轉(zhuǎn)換通道、初始化驅(qū)動(dòng)電機(jī)與溫度傳感器等，在數(shù)據(jù)采集上為周期性采集，并由無線串口將采集的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控平臺(tái)。并且，監(jiān)控平臺(tái)的控制命令傳輸由串口進(jìn)行解析與傳輸。

3? 化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人監(jiān)控平臺(tái)的建設(shè)研究

在化工泄漏檢測(cè)機(jī)器人的監(jiān)控平臺(tái)建設(shè)中，為了使監(jiān)控平臺(tái)的開發(fā)與維護(hù)變得更加方便，通過LabVIEW軟件來對(duì)監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行語言編寫，具體包括兩個(gè)部分：一是采集作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中環(huán)境參數(shù)部分，包括作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的溫度、氣體濃度等，數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸利用無線串口來實(shí)現(xiàn)。由監(jiān)控平臺(tái)來配置串口的通信參數(shù)，可設(shè)置不同的串口設(shè)備以及通信速率，此外還可設(shè)置作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度上限與下限值、化學(xué)物質(zhì)濃度報(bào)警閾值等。二是圖像顯示及采集部分，該部分有選擇采集卡、設(shè)置圖像幀率、實(shí)時(shí)錄制圖像以及圖像文件儲(chǔ)存等。在監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集函數(shù)面板中，則可設(shè)置AVI視頻流驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)顯示及循環(huán)采集以及IMAXQ驅(qū)動(dòng)等。

4? 結(jié)語

總而言之，對(duì)化工泄漏進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于確?；がF(xiàn)場(chǎng)安全具有十分重要的意義。該文通過提出一種用于化工泄漏檢測(cè)的移動(dòng)機(jī)器人及監(jiān)控平臺(tái)建設(shè)方案，可幫助管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)控化工現(xiàn)場(chǎng)的安全狀態(tài)，及時(shí)確定化工泄漏位置，有效防范化工泄漏事故的發(fā)生，有效保障了化工現(xiàn)場(chǎng)中相關(guān)人員的生命安全。

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①課題來源：海南省重點(diǎn)工程中心建設(shè)項(xiàng)目《海南省特種機(jī)器人工程技術(shù)研究中心》。

作者簡(jiǎn)介：朱鳳芝（1962—），女，河北廊坊人，碩士，教授，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用。