工業(yè)可燃?xì)怏w泄漏源搜索機(jī)器人設(shè)計(jì)①

李 寧 邱選兵 嫣 玉 李傳亮 魏計(jì)林 麻偉杰

(1.太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院；2.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程系)

工業(yè)可燃?xì)怏w泄漏源搜索機(jī)器人設(shè)計(jì)①

李 寧1邱選兵1嫣 玉2李傳亮1魏計(jì)林1麻偉杰1

(1.太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院；2.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程系)

設(shè)計(jì)了一種基于智能越野小車(chē)的可燃?xì)怏w泄漏源搜索機(jī)器人。該機(jī)器人由越野小車(chē)、多傳感器、移動(dòng)相機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)控制軟件等組成。智能小車(chē)采用STM32F103作為主控制器，多傳感器采集的氣體參數(shù)、控制參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像分別通過(guò)433MHz通信模塊、5.8GHz視頻模塊傳送給計(jì)算機(jī)端相對(duì)應(yīng)的接收模塊。計(jì)算機(jī)中采用LabVIEW編寫(xiě)實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控軟件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)機(jī)器人具有越野攀爬性能強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

智能機(jī)器人 工業(yè)可燃?xì)怏w 泄漏源搜索 LabVIEW

隨著城市煤氣、天然氣及化學(xué)工業(yè)的快速發(fā)展，易燃、易爆的氣體種類(lèi)和應(yīng)用范圍不斷增加，典型的烷類(lèi)、醇類(lèi)、苯類(lèi)及烴類(lèi)等氣體，不但易燃、易爆，而且通常還有毒有害。這些易燃易爆氣體在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，如果發(fā)生泄漏將會(huì)引起中毒、火災(zāi)及爆炸等重大事故。如天津港“8·12 ” 重大危化品爆炸事故，共發(fā)現(xiàn)遇難者129人，失聯(lián)44人；2014年7月，臺(tái)灣高雄瓦斯外泄并引發(fā)多次大爆炸，造成32人死亡，321人受傷；2013年“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸重大事故，共造成62人遇難，136人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失7.5億元。在工業(yè)可燃?xì)怏w運(yùn)輸、存儲(chǔ)和使用過(guò)程中，及時(shí)、準(zhǔn)確地查找氣體泄漏源并采取補(bǔ)救措施對(duì)于防止因氣體泄漏造成進(jìn)一步傷害具有重要的意義[1,2]。為了解決此問(wèn)題，筆者基于433MHz和5.8GHz無(wú)線通信技術(shù)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種工業(yè)可燃?xì)怏w智能探測(cè)機(jī)器人，通過(guò)5.8GHz無(wú)線通信獲取泄漏現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)高清圖像，然后在操控端遠(yuǎn)程(基于LabVIEW虛擬儀器界面)操控機(jī)器人移動(dòng)，并結(jié)合多傳感器的信號(hào)強(qiáng)弱，尋找氣體泄漏源，為氣體泄漏補(bǔ)救措施提供保障。

1 可燃?xì)怏w檢測(cè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

工業(yè)可燃?xì)怏w檢測(cè)機(jī)器人包括檢測(cè)機(jī)器人部分與遠(yuǎn)程上位機(jī)兩部分，其整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。檢測(cè)機(jī)器人以STM32F103作為主控制器，多傳感器采用MQ-X系列催化傳感器(包括MQ-5、MQ-6、MQ-7和MQ-8)對(duì)可燃?xì)怏w進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。融合多傳感器數(shù)據(jù)以獲取可靠的工業(yè)氣體現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，當(dāng)可燃?xì)怏w的濃度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，電路進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)采用第一視角觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，為快速可靠地尋找氣體泄漏源提供有力保障。在計(jì)算機(jī)控制端，采用虛擬儀器LabVIEW編寫(xiě)應(yīng)用程序。在控制界面中實(shí)時(shí)顯示氣體濃度和變化曲線，根據(jù)濃度曲線和探測(cè)位置來(lái)判斷泄漏的方位；同時(shí)當(dāng)濃度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的上限報(bào)警值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警，可擴(kuò)展連接自動(dòng)控制相關(guān)安全裝置并提示操作人員采取安全對(duì)策。

圖1 可燃?xì)怏w檢測(cè)機(jī)器人整體系統(tǒng)框圖

2 可燃?xì)怏w檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)采集與傳感器

可燃?xì)怏w泄漏易發(fā)生在煤礦、油庫(kù)、液化氣站及噴漆作業(yè)等場(chǎng)所。目前主要的感應(yīng)傳感器包括接觸燃燒式傳感器和半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器[3]。前者容易產(chǎn)生阻緩和中毒，需要不定時(shí)標(biāo)定；后者包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器和用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，具有靈敏度高、響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便及成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器，選用MQ-5、MQ-6、MQ-7、MQ-8型煙霧傳感器，其典型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖2所示 。

圖2 傳感器基本原理

MQ系列氣體傳感器基本的敏感材料為二氧化錫，當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。當(dāng)外接負(fù)載電阻時(shí)，則在負(fù)載電阻兩端輸出與氣體濃度成一定關(guān)系的電壓信號(hào)。MQ-5、MQ-6、MQ-7、MQ-8氣體傳感器分別對(duì)甲烷、丙烷、一氧化碳及氫氣等可燃?xì)怏w的濃度靈敏度高，可分別檢測(cè)各種可燃?xì)怏w的濃度，其中MQ-5氣敏元件的敏感特性值見(jiàn)表1。將濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，再分別根據(jù)傳感器對(duì)應(yīng)的敏感特性曲線，便可獲得對(duì)應(yīng)的被測(cè)氣體濃度。然而傳感器的敏感特性曲線并不是線性的，這就對(duì)實(shí)際的轉(zhuǎn)換帶來(lái)困難，因此，需要得到濃度-電壓的關(guān)系函數(shù)。由于4組傳感器原理類(lèi)似，現(xiàn)以MQ-5傳感器檢測(cè)甲烷氣體濃度為例，簡(jiǎn)述其氣體濃度與電壓的計(jì)算過(guò)程。利用最小二乘法擬合表1中數(shù)據(jù)得到氣體濃度和在負(fù)載電阻RL為4.7kΩ時(shí)輸出電壓的關(guān)系。為保證數(shù)據(jù)擬合的效果，筆者采用插值處理，并生成插值后的數(shù)組，將數(shù)組保存到單片機(jī)程序中，當(dāng)采集到實(shí)際傳感器的電壓信號(hào)后，通過(guò)查表得到實(shí)際氣體濃度。

由于本系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換電壓輸入范圍為0.0～3.3V，所以將負(fù)載電阻RL用10kΩ電阻替換，由圖2原理可知，傳感器和負(fù)載電阻串聯(lián)，當(dāng)電源電壓為5V，那么輸出電壓VL與傳感器的電阻值R以及負(fù)載電阻之間的關(guān)系為：

(1)

因此傳感器電阻R與輸出電壓VL的關(guān)系為：

表1 MQ-5傳感器氣體濃度和輸出電壓的數(shù)值

(2)

因?yàn)橛脩羰謨?cè)中給出的RL=4.7kΩ時(shí)的輸出并不滿足需求，所以將RL調(diào)整為RL′=10kΩ，此時(shí)的輸出電壓與原來(lái)的輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

(3)

由此便可得出傳感器實(shí)際輸出電壓與氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同理可得出其他3個(gè)傳感器與各氣體濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1.2 移動(dòng)機(jī)器人

由于探測(cè)環(huán)境一般比較復(fù)雜，探測(cè)機(jī)器人(圖3)結(jié)構(gòu)采用加有獨(dú)立懸掛的減振方式以增加小車(chē)的越野性能，方便機(jī)器人的移動(dòng)，加快小車(chē)尋找氣體泄漏源。智能機(jī)器人模塊由驅(qū)動(dòng)小車(chē)和2.4GHz的三通道無(wú)線遙控組成，主要任務(wù)就是為可燃?xì)怏w探測(cè)提供載體。該智能機(jī)器人為超強(qiáng)攀爬能力的越野四驅(qū)智能小車(chē)，翻越障礙物的最高尺寸可達(dá)15cm，適應(yīng)很多惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，如危險(xiǎn)廠房、煤礦井下等。

圖3 機(jī)器人實(shí)物

在控制方面，采用STM32F103作為主控芯片。由于直流減速電機(jī)價(jià)格便宜、控制簡(jiǎn)單且穩(wěn)定性高，故動(dòng)力部分由直流減速電機(jī)提供，采用L298驅(qū)動(dòng)電路。為了轉(zhuǎn)向的靈活性，轉(zhuǎn)向由前后兩個(gè)舵機(jī)共同控制，舵機(jī)控制轉(zhuǎn)彎以實(shí)現(xiàn)在不同車(chē)速下的轉(zhuǎn)向模式。

針對(duì)小車(chē)在移動(dòng)中的不同速度，系統(tǒng)采用的轉(zhuǎn)彎控制模式如圖4所示。當(dāng)移動(dòng)速度較低時(shí)，通過(guò)半徑比較小的彎，此種情況適合采取前后輪的轉(zhuǎn)向相位相異，即前輪向左時(shí)，后輪向右，如圖4a所示。而在移動(dòng)速度較高時(shí)，遇到前方有障礙物就比較適宜采取相同的轉(zhuǎn)向相位，即前后輪都同時(shí)向同一個(gè)方向轉(zhuǎn)，這樣機(jī)器人還是沿著行駛方向行駛，如圖4b所示，從而提高車(chē)身的穩(wěn)定性，減小翻車(chē)的可能性。

圖4 不同情況下的轉(zhuǎn)彎控制模式

2.1.3 信息與視頻通信

信息與視頻通信示意圖如圖5所示。數(shù)據(jù)通信方面，氣體濃度數(shù)據(jù)信息的傳輸和車(chē)身控制指令的傳輸采用433MHz無(wú)線串口，該模塊具有速度快、傳輸延遲低、自動(dòng)分包及支持透明傳輸模式等特點(diǎn)。圖像傳輸模塊包括圖像的采集和傳輸，筆者采用1 200萬(wàn)像素的運(yùn)動(dòng)相機(jī)(型號(hào)SJ4000)

圖5 信息與視頻通信示意圖

作為圖像源，通過(guò)5.8GHz無(wú)線圖傳將圖像發(fā)送到電腦端，用USB接口視頻采集卡將視頻采集到LabVIEW上位機(jī)顯示，并進(jìn)行錄制和保存。

2.1.4 溫度采集

由于工業(yè)可燃?xì)怏w檢測(cè)機(jī)器人的工作環(huán)境常為易燃、易爆等惡劣環(huán)境，所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以消除安全隱患[4]。溫度傳感器選用數(shù)字溫度集成式傳感器DS18B20，與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，具有小型化、靈敏度高、簡(jiǎn)單及1-wire線接口等優(yōu)點(diǎn)，并可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為93.75ms，溫度的分辨率可以達(dá)到0.5℃，測(cè)量溫度范圍為-55～125℃[5]，通信方式采用I/O模擬1-wire總線通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.1.5 智能補(bǔ)光系統(tǒng)

為了適應(yīng)夜間、密閉等黑暗環(huán)境，系統(tǒng)增加了智能補(bǔ)光燈?？刂破鞲鶕?jù)光照傳感器獲取現(xiàn)場(chǎng)光照強(qiáng)度并進(jìn)行判定，然后輸入運(yùn)算后的PWM(脈寬調(diào)制)控制LED驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能補(bǔ)光，同時(shí)本系統(tǒng)也可手動(dòng)調(diào)節(jié)LED亮度。傳感器采用I2C串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器BH1750，峰值靈敏度波長(zhǎng)典型值為560nm，1～65535lx(勒克斯)輸入光范圍[6]，與單片機(jī)自帶的I2C接口進(jìn)行通信。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

可燃?xì)怏w檢測(cè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)據(jù)采集和無(wú)線傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，主要涉及到模數(shù)轉(zhuǎn)換、PWM控制和無(wú)線通信協(xié)議。在綜合考慮成本、性能和可擴(kuò)展性的情況下，筆者決定采用意法半導(dǎo)體的STM32F103作為主控制器，基于Keil/MDK環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)。首先是初始化軟件配置和硬件驅(qū)動(dòng)，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換通道配置、PWM初始化、溫度傳感器的初始化和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的初始化，然后進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)采集并通過(guò)無(wú)線串口上傳到上位機(jī)，同時(shí)串口接收中斷響應(yīng)由上位機(jī)發(fā)送回來(lái)的控制命令，解析后執(zhí)行相應(yīng)指令。

3 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)的監(jiān)控界面如圖6所示。為了便于開(kāi)發(fā)和維護(hù)，上位機(jī)軟件采用LabVIEW語(yǔ)言編寫(xiě)[7]，整體可以分為兩個(gè)部分，第1部分是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，如環(huán)境溫度、可燃?xì)怏w的濃度，通過(guò)無(wú)線串口將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)首先需要對(duì)串口通信參數(shù)進(jìn)行配置，主要包括串口設(shè)備選擇和通信速率設(shè)置，然后對(duì)可燃?xì)怏w濃度的報(bào)警閾值和現(xiàn)場(chǎng)溫度的上下限設(shè)置。第2部分為圖像采集和顯示部分，包括采集卡的選擇、采集圖像幀率、圖像的實(shí)時(shí)錄制文件名和保存路徑。數(shù)據(jù)采集的函數(shù)面板如圖7所示，主要包括了AVI視頻流的驅(qū)動(dòng)、IMAXQ驅(qū)動(dòng)的訪問(wèn)、數(shù)據(jù)的循環(huán)采集和顯示部分。

圖6 上位機(jī)監(jiān)控界面

圖7 USB圖像采集函數(shù)面板

4 測(cè)試結(jié)果與討論

由于可燃?xì)怏w易燃易爆，同時(shí)CO氣體還有毒性，所以給測(cè)試帶來(lái)不便。為了能夠模擬檢測(cè)環(huán)境，采用打火機(jī)模擬現(xiàn)場(chǎng)泄漏源，打火機(jī)的主要有效成分為丁烷、丙烷等。經(jīng)測(cè)試，機(jī)器人可在上位機(jī)的控制下正常移動(dòng)，當(dāng)靠近打火機(jī)時(shí)上位機(jī)能夠及時(shí)響應(yīng)可燃?xì)怏w濃度的變化，并且在達(dá)到設(shè)置的報(bào)警閾值后發(fā)出警報(bào)聲，LED也可正?？刂?，視頻傳輸穩(wěn)定且延時(shí)小，基本功能都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但存在以下需要改進(jìn)的地方：

a. 可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)標(biāo)定的問(wèn)題，根據(jù)用戶手冊(cè)采集到的可燃?xì)怏w的濃度可能與實(shí)際的測(cè)試有偏差，但是由于專(zhuān)業(yè)設(shè)備的缺乏和實(shí)驗(yàn)的安全性問(wèn)題，本次系統(tǒng)并沒(méi)有對(duì)測(cè)得的濃度進(jìn)行標(biāo)定；

b. 目前支持的檢測(cè)氣體種類(lèi)還比較少，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，后期可以將各個(gè)傳感器進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，方便根據(jù)不同場(chǎng)合的需求快速調(diào)試更換，這樣才能滿足多種常規(guī)化安全檢測(cè)需求或有特殊需求的場(chǎng)合，只需更換采集模塊即可，也方便設(shè)備的后期升級(jí)；

c. 攝像頭可視角度有限，由于攝像頭固定在機(jī)器人前方，難免會(huì)影響可視角度范圍，可將攝像頭安裝在兩軸云臺(tái)上，這樣方便在定點(diǎn)位置進(jìn)行多個(gè)角度的觀察，更有利于問(wèn)題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決。

5 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)可燃?xì)怏w檢測(cè)機(jī)器人基于無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，同時(shí)也可以遠(yuǎn)程控制進(jìn)行干預(yù)。增加的懸掛技術(shù)改善了機(jī)器人的越野性能，通過(guò)多種行進(jìn)方式提高了穩(wěn)定性。多傳感器可以同時(shí)滿足多種氣體泄漏數(shù)據(jù)同時(shí)檢測(cè)，滿足不同的功能需求。該機(jī)器人具有操作靈活、穩(wěn)定性高、體積小及成本低等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用到煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)、天然氣傳輸管道等的火氣系統(tǒng)，還可以避免人員直接進(jìn)入危險(xiǎn)領(lǐng)域，減小對(duì)人的傷害。

[1] 徐振榮, 陸濱華.熱線型可燃?xì)怏w警報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表, 1985，22(2):58～60.

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[3] 厲玉鳴.化工儀表及自動(dòng)化[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：144～147.

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DesignofIntelligentRobotforLeakageSourceDetectionofIndustrialFlammableGases

LI Ning1, QIU Xuan-bing1,YAN Yu2, LI Chuan-liang1,WEI Ji-lin1, MA Wei-jie1

(1.SchoolofAppliedScience,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology;2.AutomobileEngineeringDepartment,HebeiCollegeofIndustryandTechnology)

An intelligent car-based robot for the leakage source detection of industrial flammable gases was designed, which consists of an intelligent car, multisensor, movable camera, communication network and computerized control software. The intelligent car takes STM32F103 MCU as the primary controller and the multisensor collects gas parameters and control parameters and then has real-time site images transmitted to the receiving modules in the computer via 433MHz communication module and 5.8GHz video module respectively; and the computer can write real-time control and monitoring software by using LabVIEW. The experimental results indicate that, this robot boasts strong climbing performances, long communication distance and high-sensitivity and it has certain application prospects in detecting leakage source of industrial flammable gases.

intelligent robot, industrial combustible gas, leakage source search, LabVIEW

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1610117，11504256，61573323)；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(2016264)；晉城市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201501004-22)；山西省高?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目(2015166)。

李寧(1994-)，本科生，從事激光光譜技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)的研究。

聯(lián)系人邱選兵(1980-)，副教授，從事激光光譜技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)的研究， qiuxuanbing@163.com。

TH862+.7

A

1000-3932(2017)06-0586-05

2016-12-10，

2017-05-12)