化工泄漏檢測機器人及監控平臺建設研究

摘? 要：近年來，我國化工行業的高速發展，為我國經濟發展起到了巨大的促進作用。對于化工企業經常需要生產、存儲和運輸易燃、易爆、有毒等危險物質，因此一旦這些危險物質發生泄漏，勢必會引發非常嚴重的后果，甚至還會造成人員傷亡，從而給化工企業造成巨大的經濟損失。鑒于此，該文提出一種用于化工泄漏檢測的移動機器人與監控平臺，并對其建設方案進行深入的研究，以期能夠為我國化工行業的安全生產提供可靠保障。

關鍵詞：化工泄漏? 泄漏檢測機器人? 監控平臺? 平臺建設

中圖分類號：TE973.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（b）-0026-02

1? 化工泄漏檢測機器人及監控平臺總體建設方案

在化工泄漏檢測機器人及監控平臺總體建設方案中，主要包括化工泄漏檢測機器人與監控平臺兩個組成部分，其中，化工泄漏檢測機器人的移動控制由STM32F103主控制器來實現，在化工泄漏檢測機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，通過對這些傳感器所采集的數據進行融合分析，判斷現場化學物質的濃度是否達到規定的閾值，一旦發現化學物質濃度超過閾值，則化工泄漏檢測機器人會自動發出聲光報警，并將報警信息利用無線網絡傳輸至監控平臺進行聲音報警。監控平臺的應用程序由LabVIEW進行編寫，在該監控平臺中可對現場的氣體濃度變化進行曲線顯示，并通過分析氣體濃度變化曲線來找出泄漏位置。

2? 化工泄漏檢測機器人建設研究

2.1 硬件實現

2.1.1 化工泄漏物質檢測裝置

在化工泄漏檢測機器人的硬件設計中，所采用的感應傳感器主要有兩類，一類是半導體可燃氣體傳感器，另一類則是接觸燃燒式傳感器，這兩種傳感器具有結構簡單、響應速度快、靈敏度高以及體積小的應用優勢，而且其成本也較低。其中，半導體可燃氣體傳感器為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，可實現對丙烷、氫氣、甲烷等可燃氣體的有效檢測，并采集這些可燃氣體的現場濃度。由于傳感器為非線性敏感特性，這就造成其對氣體濃度的轉換難度較大，因此應計算氣體濃度和傳感器中電壓所具有的關系函數，可通過最小二乘法來得出兩者之間的函數關系。

2.1.2 機器人移動結構

對于化工泄漏檢測機器人來說，其所處的環境是較為復雜的，因此確保化工泄漏檢測機器人運動功能的平穩性是非常重要的，其減振方式可使用獨立懸掛減振，這樣可提高小車的越野能力。化工泄漏檢測機器人主要包括兩個子部分，分別是無線遙控裝置與驅動小車，其中無線遙控裝置的架構為三通道，其信號強度為2.4GHz，這樣便于探測可燃氣體。為了確保檢測機器人的越野能力，采用超野四驅小車，其最大障礙翻越高度為15cm，這使其能夠在各種復雜環境下進行化工泄漏檢測。化工泄漏檢測機器人的主控芯片為STM32F103，該芯片有著穩定的控制性能，并且直流減速電機的成本較低，因此可采用直流減速電機來為檢測機器人提供能源，并應用L298驅動電路。考慮到檢測機器人的轉向問題，可在越野四驅小車的前部與后部分別安裝一個舵機來進行方向控制。為了控制越野四驅小車的移動速度，還要根據其移動速度的高低分別采用不同的轉向模式，在越野四驅小車移動速度較低時，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到轉小彎的目的，在越野四驅小車移動速度較高時，通過相位相同的控制模式，使前輪與后輪的方向相同來達到轉大彎的目的，這樣也能提高越野四驅小車在移動過程中的穩定性，避免發生翻車。

2.1.3 遠程通信裝置

化工泄漏檢測機器人在進行數據通信時，主要是利用433MHz的無線串口來實現的，通過該串口還可實現對機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。化工泄漏檢測機器人所采用的移動相機為1200萬像素，其型號為SJ4000型，該移動相機可進行現場拍照，并在拍照完畢后利用5.5GHz無線網絡將現場照片傳輸至監控平臺，監控平臺中設置有USB接口，其通過視頻采集卡來顯示由移動相機拍攝的現場圖像，并可實現對現場圖像的錄制與保存。

2.1.4 溫度采集與智能補光裝置

考慮到化工泄漏檢測機器人需要在復雜的環境下進行作業，一旦環境中存在易燃、易燃物質，而現場中的環境溫度又較高，則勢必會給作業現場帶來很大的危險。因此，在化工泄漏檢測機器人的結構中還要設置溫度傳感器來實時監測作業現場的環境溫度。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，而且結構也更為簡單，還可通過1-wire線接口來進行數據傳輸。在應用溫度傳感器進行現場環境溫度參數采集時，應結合作業實際需求，對機器人進行編程，使其能夠對9～12位的數字進行讀數，溫度分辨率可設置為0.5℃，參數轉換時間可達到93.75ms，該溫度傳感器可在-55℃～125℃的環境下正常工作，在溫度參數通信與傳輸上，利用I/O端口對1-wire總線通信協議進行模擬，從而達到數據通信的目的。

2.2 軟件實現

化工泄漏檢測機器人和監控平臺的數據通信及遠程控制功能需要對其軟件部分進行設計，軟件部分的設計內容主要包括無線通信協議、PWM控制以及模數轉換。為了節約成本，提高系統性能與擴展性，主控制器采用STM32F103，并在Keil/MDK開發環境中進行硬件驅動與軟件配置，如配置模數轉換通道、初始化驅動電機與溫度傳感器等，在數據采集上為周期性采集，并由無線串口將采集的數據傳輸至監控平臺。并且，監控平臺的控制命令傳輸由串口進行解析與傳輸。

3? 化工泄漏檢測機器人監控平臺的建設研究

在化工泄漏檢測機器人的監控平臺建設中，為了使監控平臺的開發與維護變得更加方便，通過LabVIEW軟件來對監控平臺進行語言編寫，具體包括兩個部分：一是采集作業現場中環境參數部分，包括作業現場中的溫度、氣體濃度等，數據的遠程傳輸利用無線串口來實現。由監控平臺來配置串口的通信參數，可設置不同的串口設備以及通信速率，此外還可設置作業現場的溫度上限與下限值、化學物質濃度報警閾值等。二是圖像顯示及采集部分，該部分有選擇采集卡、設置圖像幀率、實時錄制圖像以及圖像文件儲存等。在監控平臺的數據采集函數面板中，則可設置AVI視頻流驅動、數據顯示及循環采集以及IMAXQ驅動等。

4? 結語

總而言之，對化工泄漏進行及時檢測與實時監測，對于確保化工現場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的移動機器人及監控平臺建設方案，可幫助管理人員實時監控化工現場的安全狀態，及時確定化工泄漏位置，有效防范化工泄漏事故的發生，有效保障了化工現場中相關人員的生命安全。

參考文獻

[1] 王義明.油氣管道泄漏的自動檢測技術及其實際應用[J].中國石油和化工標準與質量，2016，36（11）：29-30.

[2] 李寧，邱選兵，嫣玉，等.工業可燃氣體泄漏源搜索機器人設計[J].化工自動化及儀表，2017，44（6）：586-590.

[3] 許紅，李著信，李媛媛，等.差壓式管道檢測機器人及其速度控制的研究現狀[J].機床與液壓，2015，43（3）：38-42.

①課題來源：海南省重點工程中心建設項目《海南省特種機器人工程技術研究中心》。

作者簡介：朱鳳芝（1962—），女，河北廊坊人，碩士，教授，研究方向：機電一體化技術應用。