工業可燃氣體泄漏源搜索機器人設計①

李 寧 邱選兵 嫣 玉 李傳亮 魏計林 麻偉杰

(1.太原科技大學應用科學學院；2.河北工業職業技術學院汽車工程系)

工業可燃氣體泄漏源搜索機器人設計①

李 寧1邱選兵1嫣 玉2李傳亮1魏計林1麻偉杰1

(1.太原科技大學應用科學學院；2.河北工業職業技術學院汽車工程系)

設計了一種基于智能越野小車的可燃氣體泄漏源搜索機器人。該機器人由越野小車、多傳感器、移動相機、通信網絡及計算機控制軟件等組成。智能小車采用STM32F103作為主控制器，多傳感器采集的氣體參數、控制參數和現場實時圖像分別通過433MHz通信模塊、5.8GHz視頻模塊傳送給計算機端相對應的接收模塊。計算機中采用LabVIEW編寫實時控制和監控軟件。實驗結果表明：該系統機器人具有越野攀爬性能強、傳輸距離遠及靈敏度高等優點。

智能機器人 工業可燃氣體 泄漏源搜索 LabVIEW

隨著城市煤氣、天然氣及化學工業的快速發展，易燃、易爆的氣體種類和應用范圍不斷增加，典型的烷類、醇類、苯類及烴類等氣體，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和使用過程中，如果發生泄漏將會引起中毒、火災及爆炸等重大事故。如天津港“8·12 ” 重大危化品爆炸事故，共發現遇難者129人，失聯44人；2014年7月，臺灣高雄瓦斯外泄并引發多次大爆炸，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，直接經濟損失7.5億元。在工業可燃氣體運輸、存儲和使用過程中，及時、準確地查找氣體泄漏源并采取補救措施對于防止因氣體泄漏造成進一步傷害具有重要的意義[1,2]。為了解決此問題，筆者基于433MHz和5.8GHz無線通信技術，開發設計了一種工業可燃氣體智能探測機器人，通過5.8GHz無線通信獲取泄漏現場的實時高清圖像，然后在操控端遠程(基于LabVIEW虛擬儀器界面)操控機器人移動，并結合多傳感器的信號強弱，尋找氣體泄漏源，為氣體泄漏補救措施提供保障。

1 可燃氣體檢測機器人總體設計

工業可燃氣體檢測機器人包括檢測機器人部分與遠程上位機兩部分，其整體系統框圖如圖1所示。檢測機器人以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)對可燃氣體進行實時測量。融合多傳感器數據以獲取可靠的工業氣體現場數據，當可燃氣體的濃度超過設定閾值時，電路進行聲光報警，同時采用第一視角觀察現場情況，為快速可靠地尋找氣體泄漏源提供有力保障。在計算機控制端，采用虛擬儀器LabVIEW編寫應用程序。在控制界面中實時顯示氣體濃度和變化曲線，根據濃度曲線和探測位置來判斷泄漏的方位；同時當濃度達到預先設定的上限報警值時，發出聲音報警，可擴展連接自動控制相關安全裝置并提示操作人員采取安全對策。

圖1 可燃氣體檢測機器人整體系統框圖

2 可燃氣體檢測機器人設計

2.1 硬件設計

2.1.1 可燃氣體濃度數據采集與傳感器

可燃氣體泄漏易發生在煤礦、油庫、液化氣站及噴漆作業等場所。目前主要的感應傳感器包括接觸燃燒式傳感器和半導體可燃氣體傳感器[3]。前者容易產生阻緩和中毒，需要不定時標定；后者包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器和用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器，具有靈敏度高、響應快、體積小、結構簡單、使用方便及成本低等優點，因而得到廣泛應用。本設計采用半導體可燃氣體傳感器，選用MQ-5、MQ-6、MQ-7、MQ-8型煙霧傳感器，其典型的內部結構原理如圖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，當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。當外接負載電阻時，則在負載電阻兩端輸出與氣體濃度成一定關系的電壓信號。MQ-5、MQ-6、MQ-7、MQ-8氣體傳感器分別對甲烷、丙烷、一氧化碳及氫氣等可燃氣體的濃度靈敏度高，可分別檢測各種可燃氣體的濃度，其中MQ-5氣敏元件的敏感特性值見表1。將濃度信號轉換為電壓信號后，再分別根據傳感器對應的敏感特性曲線，便可獲得對應的被測氣體濃度。然而傳感器的敏感特性曲線并不是線性的，這就對實際的轉換帶來困難，因此，需要得到濃度-電壓的關系函數。由于4組傳感器原理類似，現以MQ-5傳感器檢測甲烷氣體濃度為例，簡述其氣體濃度與電壓的計算過程。利用最小二乘法擬合表1中數據得到氣體濃度和在負載電阻RL為4.7kΩ時輸出電壓的關系。為保證數據擬合的效果，筆者采用插值處理，并生成插值后的數組，將數組保存到單片機程序中，當采集到實際傳感器的電壓信號后，通過查表得到實際氣體濃度。

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

(1)

因此傳感器電阻R與輸出電壓VL的關系為：

表1 MQ-5傳感器氣體濃度和輸出電壓的數值

(2)

因為用戶手冊中給出的RL=4.7kΩ時的輸出并不滿足需求，所以將RL調整為RL′=10kΩ，此時的輸出電壓與原來的輸出電壓的對應關系為：

(3)

由此便可得出傳感器實際輸出電壓與氣體濃度的對應關系，同理可得出其他3個傳感器與各氣體濃度的對應關系。

2.1.2 移動機器人

由于探測環境一般比較復雜，探測機器人(圖3)結構采用加有獨立懸掛的減振方式以增加小車的越野性能，方便機器人的移動，加快小車尋找氣體泄漏源。智能機器人模塊由驅動小車和2.4GHz的三通道無線遙控組成，主要任務就是為可燃氣體探測提供載體。該智能機器人為超強攀爬能力的越野四驅智能小車，翻越障礙物的最高尺寸可達15cm，適應很多惡劣的工業現場，如危險廠房、煤礦井下等。

圖3 機器人實物

在控制方面，采用STM32F103作為主控芯片。由于直流減速電機價格便宜、控制簡單且穩定性高，故動力部分由直流減速電機提供，采用L298驅動電路。為了轉向的靈活性，轉向由前后兩個舵機共同控制，舵機控制轉彎以實現在不同車速下的轉向模式。

針對小車在移動中的不同速度，系統采用的轉彎控制模式如圖4所示。當移動速度較低時，通過半徑比較小的彎，此種情況適合采取前后輪的轉向相位相異，即前輪向左時，后輪向右，如圖4a所示。而在移動速度較高時，遇到前方有障礙物就比較適宜采取相同的轉向相位，即前后輪都同時向同一個方向轉，這樣機器人還是沿著行駛方向行駛，如圖4b所示，從而提高車身的穩定性，減小翻車的可能性。

圖4 不同情況下的轉彎控制模式

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。數據通信方面，氣體濃度數據信息的傳輸和車身控制指令的傳輸采用433MHz無線串口，該模塊具有速度快、傳輸延遲低、自動分包及支持透明傳輸模式等特點。圖像傳輸模塊包括圖像的采集和傳輸，筆者采用1 200萬像素的運動相機(型號SJ4000)

圖5 信息與視頻通信示意圖

作為圖像源，通過5.8GHz無線圖傳將圖像發送到電腦端，用USB接口視頻采集卡將視頻采集到LabVIEW上位機顯示，并進行錄制和保存。

2.1.4 溫度采集

由于工業可燃氣體檢測機器人的工作環境常為易燃、易爆等惡劣環境，所以對現場的環境溫度必須實時監測，以消除安全隱患[4]。溫度傳感器選用數字溫度集成式傳感器DS18B20，與傳統的熱敏電阻相比，具有小型化、靈敏度高、簡單及1-wire線接口等優點，并可根據實際要求通過編程來實現9～12位的數字值讀數方式，其轉換時間為93.75ms，溫度的分辨率可以達到0.5℃，測量溫度范圍為-55～125℃[5]，通信方式采用I/O模擬1-wire總線通信協議進行數據通信。

2.1.5 智能補光系統

為了適應夜間、密閉等黑暗環境，系統增加了智能補光燈。控制器根據光照傳感器獲取現場光照強度并進行判定，然后輸入運算后的PWM(脈寬調制)控制LED驅動電路，實現系統的智能補光，同時本系統也可手動調節LED亮度。傳感器采用I2C串行總線接口的數字型光強度傳感器BH1750，峰值靈敏度波長典型值為560nm，1～65535lx(勒克斯)輸入光范圍[6]，與單片機自帶的I2C接口進行通信。

2.2 軟件設計

可燃氣體檢測機器人的關鍵技術是數據采集和無線傳輸的實現，主要涉及到模數轉換、PWM控制和無線通信協議。在綜合考慮成本、性能和可擴展性的情況下，筆者決定采用意法半導體的STM32F103作為主控制器，基于Keil/MDK環境進行開發。首先是初始化軟件配置和硬件驅動，例如模數轉換通道配置、PWM初始化、溫度傳感器的初始化和驅動電機的初始化，然后進行周期性數據采集并通過無線串口上傳到上位機，同時串口接收中斷響應由上位機發送回來的控制命令，解析后執行相應指令。

3 上位機系統設計

上位機的監控界面如圖6所示。為了便于開發和維護，上位機軟件采用LabVIEW語言編寫[7]，整體可以分為兩個部分，第1部分是現場數據的采集，如環境溫度、可燃氣體的濃度，通過無線串口將遠程數據傳輸至上位機。上位機首先需要對串口通信參數進行配置，主要包括串口設備選擇和通信速率設置，然后對可燃氣體濃度的報警閾值和現場溫度的上下限設置。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、圖像的實時錄制文件名和保存路徑。數據采集的函數面板如圖7所示，主要包括了AVI視頻流的驅動、IMAXQ驅動的訪問、數據的循環采集和顯示部分。

圖6 上位機監控界面

圖7 USB圖像采集函數面板

4 測試結果與討論

由于可燃氣體易燃易爆，同時CO氣體還有毒性，所以給測試帶來不便。為了能夠模擬檢測環境，采用打火機模擬現場泄漏源，打火機的主要有效成分為丁烷、丙烷等。經測試，機器人可在上位機的控制下正常移動，當靠近打火機時上位機能夠及時響應可燃氣體濃度的變化，并且在達到設置的報警閾值后發出警報聲，LED也可正常控制，視頻傳輸穩定且延時小，基本功能都已經實現，但存在以下需要改進的地方：

a. 可燃氣體濃度檢測標定的問題，根據用戶手冊采集到的可燃氣體的濃度可能與實際的測試有偏差，但是由于專業設備的缺乏和實驗的安全性問題，本次系統并沒有對測得的濃度進行標定；

b. 目前支持的檢測氣體種類還比較少，針對這個問題，后期可以將各個傳感器進行模塊化設計，方便根據不同場合的需求快速調試更換，這樣才能滿足多種常規化安全檢測需求或有特殊需求的場合，只需更換采集模塊即可，也方便設備的后期升級；

c. 攝像頭可視角度有限，由于攝像頭固定在機器人前方，難免會影響可視角度范圍，可將攝像頭安裝在兩軸云臺上，這樣方便在定點位置進行多個角度的觀察，更有利于問題的及時發現和解決。

5 結束語

工業可燃氣體檢測機器人基于無線傳輸技術，實現傳感器的遠程數據采集，同時也可以遠程控制進行干預。增加的懸掛技術改善了機器人的越野性能，通過多種行進方式提高了穩定性。多傳感器可以同時滿足多種氣體泄漏數據同時檢測，滿足不同的功能需求。該機器人具有操作靈活、穩定性高、體積小及成本低等優點，可應用到煤礦瓦斯監測、天然氣傳輸管道等的火氣系統，還可以避免人員直接進入危險領域，減小對人的傷害。

[1] 徐振榮, 陸濱華.熱線型可燃氣體警報系統的應用[J].化工自動化及儀表, 1985，22(2):58～60.

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[5] 王建國, 朱和升, 李松.基于Delphi與單片機通信的DS18B20在線監測系統的實現[J].化工自動化及儀表, 2012, 39(10):80～82，103.

[6] 云中華, 白天蕊.基于BH1750FVI的室內光照強度測量儀[J].單片機與嵌入式系統應用, 2012, 12(6):27～29.

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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

國家自然科學基金項目(U1610117，11504256，61573323)；國家級大學生創新創業訓練計劃項目(2016264)；晉城市科技計劃項目(201501004-22)；山西省高校科技創新項目(2015166)。

李寧(1994-)，本科生，從事激光光譜技術、嵌入式系統的研究。

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

TH862+.7

A

1000-3932(2017)06-0586-05

2016-12-10，

2017-05-12)