工业可燃气体泄漏源搜索机器人设计①

李 宁 邱选兵 嫣 玉 李传亮 魏计林 麻伟杰

(1.太原科技大学应用科学学院；2.河北工业职业技术学院汽车工程系)

工业可燃气体泄漏源搜索机器人设计①

李 宁1邱选兵1嫣 玉2李传亮1魏计林1麻伟杰1

(1.太原科技大学应用科学学院；2.河北工业职业技术学院汽车工程系)

设计了一种基于智能越野小车的可燃气体泄漏源搜索机器人。该机器人由越野小车、多传感器、移动相机、通信网络及计算机控制软件等组成。智能小车采用STM32F103作为主控制器，多传感器采集的气体参数、控制参数和现场实时图像分别通过433MHz通信模块、5.8GHz视频模块传送给计算机端相对应的接收模块。计算机中采用LabVIEW编写实时控制和监控软件。实验结果表明：该系统机器人具有越野攀爬性能强、传输距离远及灵敏度高等优点。

智能机器人 工业可燃气体 泄漏源搜索 LabVIEW

随着城市煤气、天然气及化学工业的快速发展，易燃、易爆的气体种类和应用范围不断增加，典型的烷类、醇类、苯类及烃类等气体，不但易燃、易爆，而且通常还有毒有害。这些易燃易爆气体在生产和使用过程中，如果发生泄漏将会引起中毒、火灾及爆炸等重大事故。如天津港“8·12 ” 重大危化品爆炸事故，共发现遇难者129人，失联44人；2014年7月，台湾高雄瓦斯外泄并引发多次大爆炸，造成32人死亡，321人受伤；2013年“11·22”中石化东黄输油管道泄漏爆炸重大事故，共造成62人遇难，136人受伤，直接经济损失7.5亿元。在工业可燃气体运输、存储和使用过程中，及时、准确地查找气体泄漏源并采取补救措施对于防止因气体泄漏造成进一步伤害具有重要的意义[1,2]。为了解决此问题，笔者基于433MHz和5.8GHz无线通信技术，开发设计了一种工业可燃气体智能探测机器人，通过5.8GHz无线通信获取泄漏现场的实时高清图像，然后在操控端远程(基于LabVIEW虚拟仪器界面)操控机器人移动，并结合多传感器的信号强弱，寻找气体泄漏源，为气体泄漏补救措施提供保障。

1 可燃气体检测机器人总体设计

工业可燃气体检测机器人包括检测机器人部分与远程上位机两部分，其整体系统框图如图1所示。检测机器人以STM32F103作为主控制器，多传感器采用MQ-X系列催化传感器(包括MQ-5、MQ-6、MQ-7和MQ-8)对可燃气体进行实时测量。融合多传感器数据以获取可靠的工业气体现场数据，当可燃气体的浓度超过设定阈值时，电路进行声光报警，同时采用第一视角观察现场情况，为快速可靠地寻找气体泄漏源提供有力保障。在计算机控制端，采用虚拟仪器LabVIEW编写应用程序。在控制界面中实时显示气体浓度和变化曲线，根据浓度曲线和探测位置来判断泄漏的方位；同时当浓度达到预先设定的上限报警值时，发出声音报警，可扩展连接自动控制相关安全装置并提示操作人员采取安全对策。

图1 可燃气体检测机器人整体系统框图

2 可燃气体检测机器人设计

2.1 硬件设计

2.1.1 可燃气体浓度数据采集与传感器

可燃气体泄漏易发生在煤矿、油库、液化气站及喷漆作业等场所。目前主要的感应传感器包括接触燃烧式传感器和半导体可燃气体传感器[3]。前者容易产生阻缓和中毒，需要不定时标定；后者包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器和用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单、使用方便及成本低等优点，因而得到广泛应用。本设计采用半导体可燃气体传感器，选用MQ-5、MQ-6、MQ-7、MQ-8型烟雾传感器，其典型的内部结构原理如图2所示 。

图2 传感器基本原理

MQ系列气体传感器基本的敏感材料为二氧化锡，当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。当外接负载电阻时，则在负载电阻两端输出与气体浓度成一定关系的电压信号。MQ-5、MQ-6、MQ-7、MQ-8气体传感器分别对甲烷、丙烷、一氧化碳及氢气等可燃气体的浓度灵敏度高，可分别检测各种可燃气体的浓度，其中MQ-5气敏元件的敏感特性值见表1。将浓度信号转换为电压信号后，再分别根据传感器对应的敏感特性曲线，便可获得对应的被测气体浓度。然而传感器的敏感特性曲线并不是线性的，这就对实际的转换带来困难，因此，需要得到浓度-电压的关系函数。由于4组传感器原理类似，现以MQ-5传感器检测甲烷气体浓度为例，简述其气体浓度与电压的计算过程。利用最小二乘法拟合表1中数据得到气体浓度和在负载电阻RL为4.7kΩ时输出电压的关系。为保证数据拟合的效果，笔者采用插值处理，并生成插值后的数组，将数组保存到单片机程序中，当采集到实际传感器的电压信号后，通过查表得到实际气体浓度。

由于本系统AD转换电压输入范围为0.0～3.3V，所以将负载电阻RL用10kΩ电阻替换，由图2原理可知，传感器和负载电阻串联，当电源电压为5V，那么输出电压VL与传感器的电阻值R以及负载电阻之间的关系为：

(1)

因此传感器电阻R与输出电压VL的关系为：

表1 MQ-5传感器气体浓度和输出电压的数值

(2)

因为用户手册中给出的RL=4.7kΩ时的输出并不满足需求，所以将RL调整为RL′=10kΩ，此时的输出电压与原来的输出电压的对应关系为：

(3)

由此便可得出传感器实际输出电压与气体浓度的对应关系，同理可得出其他3个传感器与各气体浓度的对应关系。

2.1.2 移动机器人

由于探测环境一般比较复杂，探测机器人(图3)结构采用加有独立悬挂的减振方式以增加小车的越野性能，方便机器人的移动，加快小车寻找气体泄漏源。智能机器人模块由驱动小车和2.4GHz的三通道无线遥控组成，主要任务就是为可燃气体探测提供载体。该智能机器人为超强攀爬能力的越野四驱智能小车，翻越障碍物的最高尺寸可达15cm，适应很多恶劣的工业现场，如危险厂房、煤矿井下等。

图3 机器人实物

在控制方面，采用STM32F103作为主控芯片。由于直流减速电机价格便宜、控制简单且稳定性高，故动力部分由直流减速电机提供，采用L298驱动电路。为了转向的灵活性，转向由前后两个舵机共同控制，舵机控制转弯以实现在不同车速下的转向模式。

针对小车在移动中的不同速度，系统采用的转弯控制模式如图4所示。当移动速度较低时，通过半径比较小的弯，此种情况适合采取前后轮的转向相位相异，即前轮向左时，后轮向右，如图4a所示。而在移动速度较高时，遇到前方有障碍物就比较适宜采取相同的转向相位，即前后轮都同时向同一个方向转，这样机器人还是沿着行驶方向行驶，如图4b所示，从而提高车身的稳定性，减小翻车的可能性。

图4 不同情况下的转弯控制模式

2.1.3 信息与视频通信

信息与视频通信示意图如图5所示。数据通信方面，气体浓度数据信息的传输和车身控制指令的传输采用433MHz无线串口，该模块具有速度快、传输延迟低、自动分包及支持透明传输模式等特点。图像传输模块包括图像的采集和传输，笔者采用1 200万像素的运动相机(型号SJ4000)

图5 信息与视频通信示意图

作为图像源，通过5.8GHz无线图传将图像发送到电脑端，用USB接口视频采集卡将视频采集到LabVIEW上位机显示，并进行录制和保存。

2.1.4 温度采集

由于工业可燃气体检测机器人的工作环境常为易燃、易爆等恶劣环境，所以对现场的环境温度必须实时监测，以消除安全隐患[4]。温度传感器选用数字温度集成式传感器DS18B20，与传统的热敏电阻相比，具有小型化、灵敏度高、简单及1-wire线接口等优点，并可根据实际要求通过编程来实现9～12位的数字值读数方式，其转换时间为93.75ms，温度的分辨率可以达到0.5℃，测量温度范围为-55～125℃[5]，通信方式采用I/O模拟1-wire总线通信协议进行数据通信。

2.1.5 智能补光系统

为了适应夜间、密闭等黑暗环境，系统增加了智能补光灯。控制器根据光照传感器获取现场光照强度并进行判定，然后输入运算后的PWM(脉宽调制)控制LED驱动电路，实现系统的智能补光，同时本系统也可手动调节LED亮度。传感器采用I2C串行总线接口的数字型光强度传感器BH1750，峰值灵敏度波长典型值为560nm，1～65535lx(勒克斯)输入光范围[6]，与单片机自带的I2C接口进行通信。

2.2 软件设计

可燃气体检测机器人的关键技术是数据采集和无线传输的实现，主要涉及到模数转换、PWM控制和无线通信协议。在综合考虑成本、性能和可扩展性的情况下，笔者决定采用意法半导体的STM32F103作为主控制器，基于Keil/MDK环境进行开发。首先是初始化软件配置和硬件驱动，例如模数转换通道配置、PWM初始化、温度传感器的初始化和驱动电机的初始化，然后进行周期性数据采集并通过无线串口上传到上位机，同时串口接收中断响应由上位机发送回来的控制命令，解析后执行相应指令。

3 上位机系统设计

上位机的监控界面如图6所示。为了便于开发和维护，上位机软件采用LabVIEW语言编写[7]，整体可以分为两个部分，第1部分是现场数据的采集，如环境温度、可燃气体的浓度，通过无线串口将远程数据传输至上位机。上位机首先需要对串口通信参数进行配置，主要包括串口设备选择和通信速率设置，然后对可燃气体浓度的报警阈值和现场温度的上下限设置。第2部分为图像采集和显示部分，包括采集卡的选择、采集图像帧率、图像的实时录制文件名和保存路径。数据采集的函数面板如图7所示，主要包括了AVI视频流的驱动、IMAXQ驱动的访问、数据的循环采集和显示部分。

图6 上位机监控界面

图7 USB图像采集函数面板

4 测试结果与讨论

由于可燃气体易燃易爆，同时CO气体还有毒性，所以给测试带来不便。为了能够模拟检测环境，采用打火机模拟现场泄漏源，打火机的主要有效成分为丁烷、丙烷等。经测试，机器人可在上位机的控制下正常移动，当靠近打火机时上位机能够及时响应可燃气体浓度的变化，并且在达到设置的报警阈值后发出警报声，LED也可正常控制，视频传输稳定且延时小，基本功能都已经实现，但存在以下需要改进的地方：

a. 可燃气体浓度检测标定的问题，根据用户手册采集到的可燃气体的浓度可能与实际的测试有偏差，但是由于专业设备的缺乏和实验的安全性问题，本次系统并没有对测得的浓度进行标定；

b. 目前支持的检测气体种类还比较少，针对这个问题，后期可以将各个传感器进行模块化设计，方便根据不同场合的需求快速调试更换，这样才能满足多种常规化安全检测需求或有特殊需求的场合，只需更换采集模块即可，也方便设备的后期升级；

c. 摄像头可视角度有限，由于摄像头固定在机器人前方，难免会影响可视角度范围，可将摄像头安装在两轴云台上，这样方便在定点位置进行多个角度的观察，更有利于问题的及时发现和解决。

5 结束语

工业可燃气体检测机器人基于无线传输技术，实现传感器的远程数据采集，同时也可以远程控制进行干预。增加的悬挂技术改善了机器人的越野性能，通过多种行进方式提高了稳定性。多传感器可以同时满足多种气体泄漏数据同时检测，满足不同的功能需求。该机器人具有操作灵活、稳定性高、体积小及成本低等优点，可应用到煤矿瓦斯监测、天然气传输管道等的火气系统，还可以避免人员直接进入危险领域，减小对人的伤害。

[1] 徐振荣, 陆滨华.热线型可燃气体警报系统的应用[J].化工自动化及仪表, 1985，22(2):58～60.

[2] 包立, 王晓荣, 程明霄.基于C8051F120的可燃气体无线报警系统设计[J].化工自动化及仪表, 2010, 37(12):66～69.

[3] 厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].北京：化学工业出版社，2006：144～147.

[4] 陈宗宇, 侯山, 蒋昌星，等.天然气处理厂火气报警系统的研究与应用[J].化工自动化及仪表, 2015，42(4):468～472.

[5] 王建国, 朱和升, 李松.基于Delphi与单片机通信的DS18B20在线监测系统的实现[J].化工自动化及仪表, 2012, 39(10):80～82，103.

[6] 云中华, 白天蕊.基于BH1750FVI的室内光照强度测量仪[J].单片机与嵌入式系统应用, 2012, 12(6):27～29.

[7] 秦朝朝, 张艳荣, 汪宝,等. 基于LabVIEW的共振增强多光子电离光谱数据采集系统[J].河南师范大学学报(自然科学版),2015，(3):52～54.

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

国家自然科学基金项目(U1610117，11504256，61573323)；国家级大学生创新创业训练计划项目(2016264)；晋城市科技计划项目(201501004-22)；山西省高校科技创新项目(2015166)。

李宁(1994-)，本科生，从事激光光谱技术、嵌入式系统的研究。

联系人邱选兵(1980-)，副教授，从事激光光谱技术、嵌入式系统的研究， qiuxuanbing@163.com。

TH862+.7

A

1000-3932(2017)06-0586-05

2016-12-10，

2017-05-12)