基于A*算法的油氣安全智能巡檢機(jī)器人設(shè)計

潘 輝，何新霞，劉斯特

(中國石油大學(xué)(華東) 新能源學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，石化產(chǎn)品的交易量不斷提升，石化車間的安全問題需要更加重視。石化車間的生產(chǎn)設(shè)備多為高溫高壓設(shè)備、同時堆積了大量危險品，若發(fā)生安全事故，會造成重大經(jīng)濟(jì)損失，還可能對環(huán)境安全和人們的生命安全造成很大危害[1]。同時，石化行業(yè)的泄漏監(jiān)測問題和預(yù)警問題近幾年來十分突出，惡性事故頻繁發(fā)生，而對泄漏未能達(dá)到及時預(yù)警是事故發(fā)生的重要原因之一[2]。

為保證工廠內(nèi)部的安全，定時對工廠內(nèi)部的溫度、煙霧濃度等環(huán)境狀況進(jìn)行檢查成了日常必不可少的工作，稍不留神還會造成錯檢漏檢的情況，嚴(yán)重時甚至?xí)鸹馂?zāi)等安全事故的發(fā)生[3]。石油化工車間的危險氣體泄漏主要分為可燃?xì)怏w和有毒氣體，目前企業(yè)普遍依靠固定位置氣體傳感器進(jìn)行監(jiān)測，然而其效果并不理想。智能巡檢技術(shù)雖蓬勃發(fā)展，但在油氣系統(tǒng)安全檢測方面應(yīng)用并不廣泛，根據(jù)生產(chǎn)需要在石化車間設(shè)立固定區(qū)域巡檢，通過簽到等方式進(jìn)行檢查，對巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的問題和異常情況用通訊設(shè)備報告上級工作人員，并對其進(jìn)行記錄的人工巡檢方式依舊普遍存在。A*算法作為最基本的路徑規(guī)劃算法之一，其最大優(yōu)勢就是可根據(jù)需求設(shè)計啟發(fā)函數(shù)，從而得到滿足需求的規(guī)劃路線，進(jìn)而控制巡檢機(jī)器人按照所得路徑進(jìn)行巡檢。目前市場上的巡檢機(jī)器人功能單一，無法適應(yīng)石化車間復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，更無法與原有的監(jiān)測系統(tǒng)相配合[4]。有必要設(shè)計一款智能巡檢機(jī)器人，代替工作人員進(jìn)行巡檢，通過A*算法規(guī)劃路徑，與原有的固定傳感器監(jiān)測系統(tǒng)配合，擴(kuò)大實時監(jiān)測的空間，提高動態(tài)監(jiān)測效率，降低事故發(fā)生率。

本文設(shè)計了以巡檢機(jī)器人為核心的石油化工車間智能巡檢系統(tǒng)，利用柵格法對車間環(huán)境建模，通過A*算法規(guī)劃巡檢路徑，以DSP為核心控制器實現(xiàn)機(jī)器人自動循跡，基于WiFi模塊建立無線通信網(wǎng)絡(luò)，使用C++Builder設(shè)計人機(jī)交互界面，實現(xiàn)車間巡檢的智能化。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

石化車間的復(fù)雜環(huán)境決定了傳統(tǒng)的固定位置傳感器監(jiān)測系統(tǒng)具有較大的局限性，由于條件限制，監(jiān)測系統(tǒng)存在盲區(qū)。當(dāng)盲區(qū)發(fā)生危險氣體泄漏時，因未能及時發(fā)現(xiàn)問題，可能會產(chǎn)生嚴(yán)重后果。同時，傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)大都采用數(shù)據(jù)的有線傳輸，存在成本高，布線復(fù)雜，抗干擾能力差等問題[5]。

為適應(yīng)廠房復(fù)雜環(huán)境，設(shè)計的巡檢機(jī)器人具有較強(qiáng)的運動能力，可以根據(jù)上位機(jī)規(guī)劃的路徑自動循跡；在環(huán)境監(jiān)測方面，可實現(xiàn)危險氣體濃度、溫度等多種指標(biāo)的實時檢測，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)動態(tài)顯示；在通訊方面，利用WiFi模塊可以實現(xiàn)中遠(yuǎn)距離實時通信，使工作人員處于安全的工作環(huán)境中[6-7]；在人機(jī)交互方面，上位機(jī)按A*算法規(guī)劃出巡檢路徑并將其發(fā)送給巡檢機(jī)器人，同時監(jiān)控界面能夠?qū)崟r顯示車間環(huán)境狀況，對異常情況自動報警并提醒工作人員及時處理，提高了工作的安全性。

系統(tǒng)共分為兩部分：智能巡檢機(jī)器人部分和上位機(jī)部分。其中巡檢機(jī)器人部分由3個模塊構(gòu)成：運動控制模塊、環(huán)境感知模塊以及無線通信模塊；上位機(jī)部分由兩個模塊構(gòu)成：監(jiān)測控制模塊及無線通信模塊。運動控制模塊以TMS320F28335型號的DSP為核心，控制驅(qū)動電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)，得到A*算法的規(guī)劃路徑后實現(xiàn)自動循跡。環(huán)境感知模塊由環(huán)境傳感器測取模擬量數(shù)據(jù)，通過DSP的ADC單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字量再由通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。兩部分的無線通信模塊都是由ATK-ESP8266型號的WiFi模塊構(gòu)成，二者建立通信網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)上位機(jī)與機(jī)器人的實時通訊。上位機(jī)監(jiān)測控制模塊由C++Builder開發(fā)設(shè)計，負(fù)責(zé)規(guī)劃巡檢路徑，發(fā)送控制指令給機(jī)器人，接收環(huán)境數(shù)據(jù)并動態(tài)顯示，以實現(xiàn)人機(jī)交互功能。智能巡檢系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 智能巡檢系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2 系統(tǒng)部分硬件設(shè)計

2.1 巡檢機(jī)器人運動控制

巡檢機(jī)器人采用后輪驅(qū)動，驅(qū)動電機(jī)為直流電機(jī)，選擇L298N為電機(jī)驅(qū)動器，此外利用AB相正交旋轉(zhuǎn)編碼器檢測轉(zhuǎn)速信號，配合PID算法實時調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速[8]。正常工作狀態(tài)下，WiFi模塊處于STA工作模式下，上位機(jī)(服務(wù)器)通過無線網(wǎng)絡(luò)將控制指令發(fā)送給DSP(客戶端)，DSP根據(jù)指令通過EPWM模塊輸出對應(yīng)占空比的脈沖信號給L298N，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。同時，旋轉(zhuǎn)編碼器與驅(qū)動電機(jī)相連，可以實時檢測轉(zhuǎn)速并以脈沖信號形式發(fā)送給DSP的ECAP模塊，通過增量式PID算法實時調(diào)整DSP輸出PWM信號的占空比，達(dá)到較為精確的速度控制效果[9]。

巡檢機(jī)器人由前輪負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向舵機(jī)型號為MG99R，該舵機(jī)接收周期為20ms的PWM脈沖，通過控制高電平時間決定轉(zhuǎn)彎的角度，最高為±60°(1 ms/2 ms)。此外，為減小轉(zhuǎn)彎時帶來的誤差，采用MPU6050模塊檢測機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎角度和加速度并反饋給DSP。當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時，DSP通過EPWM模塊輸出周期為20 ms，高電平時間特定的脈沖信號給舵機(jī)，舵機(jī)此時按照要求方向轉(zhuǎn)向，同時MPU6050模塊能夠反饋此時巡檢機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎角度和加速度，通過計算可得當(dāng)前時刻機(jī)器人運動姿態(tài)，根據(jù)機(jī)器人姿態(tài)信息不斷調(diào)整EPWM輸出的脈沖信號，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的精確控制。機(jī)器人運動控制硬件連線如圖2所示。

圖2 機(jī)器人運動控制硬件連線示意圖

2.2 環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測

巡檢機(jī)器人的環(huán)境檢測量為石化車間典型的危險氣體甲烷、一氧化碳和溫度，所有傳感器采用模擬量輸出接口，利用DSP中的ADC轉(zhuǎn)換單元，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測。TMS320F28335型號DSP具有16個ADC單元，理論上最多可以實現(xiàn)16路環(huán)境狀態(tài)量監(jiān)測。采用MQ-4模塊檢測甲烷濃度，MQ-7模塊檢測一氧化碳濃度，YL-38模塊檢測環(huán)境溫度。選用的環(huán)境傳感器的模擬量電壓輸出范圍均為0～5 V，而DSP的A/D接口輸入電壓范圍為0～3 V，為防止輸入電壓過高燒壞DSP，設(shè)計分壓電路將模擬量電壓降為0～2.5 V后，再接入DSP的A/D模塊。信號調(diào)理電路原理(以甲烷傳感器為例)如圖3所示。

圖3 模擬量信號調(diào)理電路原理圖

以甲烷氣體為例，DSP對應(yīng)端口的電壓范圍為0～2.5 V，ADC模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值A(chǔ)0為：

(1)

其中：A為輸入模擬值，ADCLO接地為0。

可得A0范圍為0～3 412.5，MQ-4模塊輸出電壓在4 V時甲烷氣體就已達(dá)到危險濃度，故報警值取A為2 V時A0的值，為2 790。另外，當(dāng)濃度值為警報值的80%即2 232時，發(fā)送預(yù)警信號，提醒工作人員關(guān)注。

2.3 無線通信網(wǎng)絡(luò)

實時性是衡量巡檢機(jī)器人工作效果的一個重要指標(biāo)，為保證發(fā)生危險時工作人員能夠及時得到提醒，采用WiFi模塊構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)上位機(jī)與巡檢機(jī)器人的實時數(shù)據(jù)傳輸。WiFi模塊型號為ATK-ESP8266，其采用串口(UART)與DSP或上位機(jī)通信，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議，可實現(xiàn)串口與WiFi之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸。

通過AT指令對WiFi模塊進(jìn)行設(shè)置，使其工作于STA模式下：上位機(jī)連接的WiFi模塊為Server(服務(wù)器)，巡檢機(jī)器人機(jī)連接的WiFi模塊為Client(客戶端)。正常工作時，服務(wù)器建立特定名稱與密碼的WiFi網(wǎng)絡(luò)，客戶端主動搜索WiFi網(wǎng)絡(luò)名稱并連接，二者建立無線連接后便可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。巡檢機(jī)器人將環(huán)境、速度以及位置數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，然后將其發(fā)送給上位機(jī)，同時，上位機(jī)也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)向巡檢機(jī)器人發(fā)送控制指令與規(guī)劃路徑。無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 機(jī)器人路徑規(guī)劃

盡管導(dǎo)航方式有所不同，機(jī)器人始終要完成路徑規(guī)劃的任務(wù)[10-11]。本文采用A*算法對機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，其代價估計函數(shù)f(n)可以表示為如下：

f(n)=g(n)+h(n)

(2)

其中：g(n)為代價函數(shù)，表示從起始節(jié)點到當(dāng)前節(jié)點n的實際花費的代價，h(n)為啟發(fā)函數(shù)，表示從當(dāng)前節(jié)點n到最終目標(biāo)節(jié)點的最優(yōu)路徑的代價估計[11]。

在A*算法中，啟發(fā)函數(shù)h(n)決定了其搜索效率，由于應(yīng)用要求不同，h(n)需根據(jù)實際情況設(shè)計。在石化車間的巡檢路徑規(guī)劃中，改變啟發(fā)函數(shù)h(n)，可以得到滿足不同巡檢需求的規(guī)劃路徑。

本文在h(n)的設(shè)計中加入獎勵/懲罰機(jī)制：滿足巡檢要求的前提下，在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時進(jìn)行懲罰，維持原行進(jìn)方向則進(jìn)行獎勵，保證機(jī)器人的運行方式為直行(0°)，掉頭(180°)，左轉(zhuǎn)(-90°)，右轉(zhuǎn)(+90°)，從而減少機(jī)器人運動時由于頻繁轉(zhuǎn)彎帶來的誤差。在計算h(n)時加入獎勵/懲罰系數(shù)k，此時f(n)為：

f(n)=g(n)+kh(n)

(3)

具體效果為：在機(jī)器人進(jìn)行下一個節(jié)點判斷時通過系數(shù)k改變待選節(jié)點的f值，當(dāng)維持原方向時k小于1，改變方向時k大于1，選擇f值最小的待選節(jié)點為下一個當(dāng)前節(jié)點。

在進(jìn)行路徑規(guī)劃時，定義OPEN和CLOSED兩個集合：OPEN集表示等待檢查的節(jié)點集合，CLOSED集表示已經(jīng)搜索過的節(jié)點集合。不斷的比較OPEN集中當(dāng)前節(jié)點的擴(kuò)展節(jié)點的f、g、h值，并根據(jù)比較結(jié)果更新兩個集合，當(dāng)前節(jié)點為目標(biāo)節(jié)點時，路徑規(guī)劃結(jié)束，此時按順序提取CLOSED集中的節(jié)點，即為巡檢路徑。路徑規(guī)劃流程如圖5所示。

圖5 A*算法路徑規(guī)劃流程圖

路徑規(guī)劃在上位機(jī)中完成，采用C語言編程。首先對多個巡檢地點按照坐標(biāo)值進(jìn)行排序，在確定起點位置后，將起點設(shè)為當(dāng)前節(jié)點，第一個巡檢地點為目標(biāo)節(jié)點，對其進(jìn)行路徑規(guī)劃，到達(dá)目標(biāo)節(jié)點后將其設(shè)為當(dāng)前節(jié)點，下一個巡檢地點為目標(biāo)節(jié)點，以此往復(fù)，直至到達(dá)最后一個目標(biāo)節(jié)點即起始位置后，路徑規(guī)劃結(jié)束，此時按照順序提取CLOSED集中的節(jié)點，即為巡檢機(jī)器人規(guī)劃路徑。

3.2 機(jī)器人運動控制

巡檢機(jī)器人在自動循跡時，為保證實際行進(jìn)路線的正確性，需要對其進(jìn)行較為精確的控制，故選用旋轉(zhuǎn)編碼器和MPU6050模塊(三軸陀螺儀，三軸加速度計)輔助DSP進(jìn)行運動控制。旋轉(zhuǎn)編碼器能夠檢測當(dāng)前時刻電機(jī)轉(zhuǎn)速，配合增量式PID算法實現(xiàn)車速閉環(huán)調(diào)節(jié)；MPU6050能夠檢測機(jī)器人當(dāng)前偏移角度和三軸加速度，配合DSP及時調(diào)整機(jī)器人運動姿態(tài)。

機(jī)器人前后輪的運動均為閉環(huán)控制，兩個閉環(huán)控制并行運行，保證其相互配合但不會產(chǎn)生干擾，提高控制效率與調(diào)節(jié)精度。直行時驅(qū)動電機(jī)輸出較高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)彎時驅(qū)動電機(jī)輸出較低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)彎完成后恢復(fù)較高速度。在高低速切換時，采取增量式PID算法進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，同時在整個運動過程中，MPU6050實時反饋機(jī)器人偏移角度與偏移加速度，保證機(jī)器人行進(jìn)路線的正確性。

機(jī)器人運動控制程序均在DSP中實現(xiàn)，通過上位機(jī)軟件CCS6.0使用C語言編程。在正常運行狀態(tài)下，上位機(jī)會發(fā)送運動或停止信號給DSP，當(dāng)信號為運動時，DSP會接收巡檢路徑并判斷下一步運動方式：在直行時，巡檢機(jī)器人保持當(dāng)前運行方向以及運行速度不變；在轉(zhuǎn)彎時，巡檢機(jī)器人降低轉(zhuǎn)速，并按照規(guī)定方向進(jìn)行轉(zhuǎn)向。整個運動過程中PID程序與MPU6050模塊保持運行狀態(tài)，時刻調(diào)整機(jī)器人運動速度及姿態(tài)，保證正確性。機(jī)器人運動控制流程如圖6所示。

圖6 機(jī)器人運動控制流程圖

3.3 監(jiān)控界面設(shè)計

通過C++Builder開發(fā)設(shè)計上位機(jī)界面，其主界面包括用戶登錄，系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測，巡檢路徑規(guī)劃等。上位機(jī)利用柵格法對車間環(huán)境進(jìn)行建模，根據(jù)工作人員要求設(shè)置巡檢地點，然后通過A*算法規(guī)劃巡檢路徑并利用WiFi模塊將其發(fā)送給巡檢機(jī)器人，同時將所接收到的車間環(huán)境數(shù)據(jù)和巡檢機(jī)器人位置數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，并實時顯示。所有歷史數(shù)據(jù)自動分類并存入數(shù)據(jù)庫，供工作人員查閱調(diào)用。在檢測到環(huán)境數(shù)據(jù)到達(dá)預(yù)警值時能夠提前預(yù)警，在環(huán)境數(shù)據(jù)超標(biāo)時能夠發(fā)出報警信號，并且允許用戶通過上位機(jī)控制巡檢機(jī)器人。上位機(jī)主界面如圖7所示。

圖7 上位機(jī)主界面

上位機(jī)利用MSComm控件實現(xiàn)串口通訊功能，MSComm是Microsoft公司開發(fā)的一款A(yù)ctiveX控件，為用戶設(shè)計軟件提供了獲取上位機(jī)串口通信權(quán)限的功能[12]。

4 實驗結(jié)果分析

4.1 路徑規(guī)劃仿真結(jié)果

通過在Matlab2016A軟件上的仿真，驗證了加入獎勵/懲罰機(jī)制的A*算法的可行性與準(zhǔn)確性。對某20*20(m)的生產(chǎn)車間建模，單位柵格為1*1(m)，其路徑規(guī)劃結(jié)果如圖8所示。

圖8 某生產(chǎn)車間路徑規(guī)劃圖

4.2 驅(qū)動電機(jī)調(diào)速結(jié)果

利用CCS6.0的Graph功能，監(jiān)控電機(jī)實際轉(zhuǎn)速，結(jié)果顯示增量PID算法可在1 s內(nèi)完成當(dāng)前轉(zhuǎn)速到給定轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，穩(wěn)定運行時車速偏差小于2 r/min，滿足系統(tǒng)要求的穩(wěn)定性以及快速性。調(diào)速效果如圖9所示。

圖9 電機(jī)PID調(diào)速效果圖

4.3 智能巡檢系統(tǒng)整體測試結(jié)果

經(jīng)過整體測試，巡檢系統(tǒng)運行正常，用戶登錄系統(tǒng)后，可以按照需求規(guī)劃路徑，并控制巡檢機(jī)器人的啟動與停止，同時系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控界面可以動態(tài)的顯示當(dāng)前時刻環(huán)境數(shù)據(jù)以及機(jī)器人位置，在溫度或危險氣體濃度超過警戒值時，給予工作人員提示與報警。通過對巡檢機(jī)器人實時位置的持續(xù)監(jiān)控，得到其運行路徑，經(jīng)對比，與規(guī)劃路徑完全一致。環(huán)境量指示燈共3種狀態(tài)，即安全(不超過正常范圍的80%)，警告(正常范圍的80%～100%)，危險(超出正常范圍)。系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控界面如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控界面

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的巡檢機(jī)器人可代替工作人員對車間進(jìn)行巡檢，降低了成本的同時提高了巡檢的安全性。利用A*算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，可根據(jù)不同車間環(huán)境制定對應(yīng)巡檢路線，適用性強(qiáng)，靈活性好。巡檢機(jī)器人自動化程度高，由計算機(jī)、DSP等控制，能夠自主完成設(shè)定的巡檢任務(wù)；利用WiFi模塊構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò)，實時性好，可實現(xiàn)中遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)的快速傳輸，同時保證了工作人員的人身安全。將巡檢機(jī)器人與原有固定位置傳感器相配合，解決了原有監(jiān)測系統(tǒng)存在的監(jiān)測盲區(qū)問題，能夠?qū)ξｋU提前預(yù)警，提高生產(chǎn)安全，降低事故的發(fā)生率。