化工泄漏检测机器人及监控平台建设研究
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摘 要：近年来，我国化工行业的高速发展，为我国经济发展起到了巨大的促进作用。对于化工企业经常需要生产、存储和运输易燃、易爆、有毒等危险物质，因此一旦这些危险物质发生泄漏，势必会引发非常严重的后果，甚至还会造成人员伤亡，从而给化工企业造成巨大的经济损失。鉴于此，该文提出一种用于化工泄漏检测的移动机器人与监控平台，并对其建设方案进行深入的研究，以期能够为我国化工行业的安全生产提供可靠保障。
关键词：化工泄漏 泄漏检测机器人 监控平台 平台建设
中图分类号：TE973.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）04（b）-0026-02
1 化工泄漏检测机器人及监控平台总体建设方案
在化工泄漏检测机器人及监控平台总体建设方案中，主要包括化工泄漏检测机器人与监控平台两个组成部分，其中，化工泄漏检测机器人的移动控制由STM32F103主控制器来实现，在化工泄漏检测机器人中安装有不同种类的传感器，这些传感器共同属于MQ-X系列，通过对这些传感器所采集的数据进行融合分析，判断现场化学物质的浓度是否达到规定的阈值，一旦发现化学物质浓度超过阈值，则化工泄漏检测机器人会自动发出声光报警，并将报警信息利用无线网络传输至监控平台进行声音报警。监控平台的应用程序由LabVIEW进行编写，在该监控平台中可对现场的气体浓度变化进行曲线显示，并通过分析气体浓度变化曲线来找出泄漏位置。
2 化工泄漏检测机器人建设研究
2.1 硬件实现
2.1.1 化工泄漏物質检测装置
在化工泄漏检测机器人的硬件设计中，所采用的感应传感器主要有两类，一类是半导体可燃气体传感器，另一类则是接触燃烧式传感器，这两种传感器具有结构简单、响应速度快、灵敏度高以及体积小的应用优势，而且其成本也较低。其中，半导体可燃气体传感器为MQ-X系列的烟雾传感器，该系列传感器采用二氧化锡作为敏感材料，可实现对丙烷、氢气、甲烷等可燃气体的有效检测，并采集这些可燃气体的现场浓度。由于传感器为非线性敏感特性，这就造成其对气体浓度的转换难度较大，因此应计算气体浓度和传感器中电压所具有的关系函数，可通过最小二乘法来得出两者之间的函数关系。
2.1.2 机器人移动结构
对于化工泄漏检测机器人来说，其所处的环境是较为复杂的，因此确保化工泄漏检测机器人运动功能的平稳性是非常重要的，其减振方式可使用独立悬挂减振，这样可提高小车的越野能力。化工泄漏检测机器人主要包括两个子部分，分别是无线遥控装置与驱动小车，其中无线遥控装置的架构为三通道，其信号强度为2.4GHz，这样便于探测可燃气体。为了确保检测机器人的越野能力，采用超野四驱小车，其最大障碍翻越高度为15cm，这使其能够在各种复杂环境下进行化工泄漏检测。化工泄漏检测机器人的主控芯片为STM32F103，该芯片有着稳定的控制性能，并且直流减速电机的成本较低，因此可采用直流减速电机来为检测机器人提供能源，并应用L298驱动电路。考虑到检测机器人的转向问题，可在越野四驱小车的前部与后部分别安装一个舵机来进行方向控制。为了控制越野四驱小车的移动速度，还要根据其移动速度的高低分别采用不同的转向模式，在越野四驱小车移动速度较低时，通过相位相异的控制模式，使前轮与后轮的方向相反控制来达到转小弯的目的，在越野四驱小车移动速度较高时，通过相位相同的控制模式，使前轮与后轮的方向相同来达到转大弯的目的，这样也能提高越野四驱小车在移动过程中的稳定性，避免发生翻车。
2.1.3 远程通信装置
化工泄漏检测机器人在进行数据通信时，主要是利用433MHz的无线串口来实现的，通过该串口还可实现对机器人车身控制指令的有效传输。该无线串口不仅有着较低的传输延迟，传输速度快，而且可支持透明传输与自动分包传输，这使其能够通过图像传输模块来传输与采集图像。化工泄漏检测机器人所采用的移动相机为1200万像素，其型号为SJ4000型，该移动相机可进行现场拍照，并在拍照完毕后利用5.5GHz无线网络将现场照片传输至监控平台，监控平台中设置有USB接口，其通过视频采集卡来显示由移动相机拍摄的现场图像，并可实现对现场图像的录制与保存。
2.1.4 温度采集与智能补光装置
考虑到化工泄漏检测机器人需要在复杂的环境下进行作业，一旦环境中存在易燃、易燃物质，而现场中的环境温度又较高，则势必会给作业现场带来很大的危险。因此，在化工泄漏检测机器人的结构中还要设置温度传感器来实时监测作业现场的环境温度。该温度传感器采用DS18B20型温度传感器，相比于一般的热敏电阻来说，该温度传感器的灵敏度要更高、体积更小，而且结构也更为简单，还可通过1-wire线接口来进行数据传输。在应用温度传感器进行现场环境温度参数采集时，应结合作业实际需求，对机器人进行编程，使其能够对9～12位的数字进行读数，温度分辨率可设置为0.5℃，参数转换时间可达到93.75ms，该温度传感器可在-55℃～125℃的环境下正常工作，在温度参数通信与传输上，利用I/O端口对1-wire总线通信协议进行模拟，从而达到数据通信的目的。
2.2 软件实现
化工泄漏检测机器人和监控平台的数据通信及远程控制功能需要对其软件部分进行设计，软件部分的设计内容主要包括无线通信协议、PWM控制以及模数转换。为了节约成本，提高系统性能与扩展性，主控制器采用STM32F103，并在Keil/MDK开发环境中进行硬件驱动与软件配置，如配置模数转换通道、初始化驱动电机与温度传感器等，在数据采集上为周期性采集，并由无线串口将采集的数据传输至监控平台。并且，监控平台的控制命令传输由串口进行解析与传输。
3 化工泄漏检测机器人监控平台的建设研究
在化工泄漏检测机器人的监控平台建设中，为了使监控平台的开发与维护变得更加方便，通过LabVIEW软件来对监控平台进行语言编写，具体包括两个部分：一是采集作业现场中环境参数部分，包括作业现场中的温度、气体浓度等，数据的远程传输利用无线串口来实现。由监控平台来配置串口的通信参数，可设置不同的串口设备以及通信速率，此外还可设置作业现场的温度上限与下限值、化学物质浓度报警阈值等。二是图像显示及采集部分，该部分有选择采集卡、设置图像帧率、实时录制图像以及图像文件储存等。在监控平台的数据采集函数面板中，则可设置AVI视频流驱动、数据显示及循环采集以及IMAXQ驱动等。
4 结语
总而言之，对化工泄漏进行及时检测与实时监测，对于确保化工现场安全具有十分重要的意义。该文通过提出一种用于化工泄漏检测的移动机器人及监控平台建设方案，可帮助管理人员实时监控化工现场的安全状态，及时确定化工泄漏位置，有效防范化工泄漏事故的发生，有效保障了化工现场中相关人员的生命安全。
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①课题来源：海南省重点工程中心建设项目《海南省特种机器人工程技术研究中心》。
作者简介：朱凤芝（1962—），女，河北廊坊人，硕士，教授，研究方向：机电一体化技术应用。
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