石化生產(chǎn)現(xiàn)場智能巡檢系統(tǒng)的制作方法

本發(fā)明屬于石油化工工作環(huán)境監(jiān)測設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種效率高、準(zhǔn)確度高、能防爆的石化生產(chǎn)現(xiàn)場智能巡檢系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，隨著人們對環(huán)境保護(hù)問題的日益關(guān)注，作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)的石油化工行業(yè)目前面臨的增速放緩、效益下降、國際油價低位震蕩、結(jié)構(gòu)性矛盾凸顯、科技創(chuàng)新瓶頸約束增強(qiáng)、安全環(huán)保約束加大等突出矛盾和問題。更令石油化工企業(yè)頭疼的是，觸目驚心的安全事故和人口紅利的消失讓石化企業(yè)招聘工作越來越不好開展，很多人對在石化企業(yè)工作產(chǎn)生很大的顧慮，用工荒開始困擾石化行業(yè)。同時由于石油化工行業(yè)的工作環(huán)境往往具有地域空曠、設(shè)備復(fù)雜性，危險性大，常常會由于泄漏、揮發(fā)或其他多種原因產(chǎn)生可燃?xì)怏w(蒸氣)、有毒氣體(蒸氣)等有害氣體，因此，對石化企業(yè)作業(yè)環(huán)境的定期監(jiān)測，是預(yù)防石化企業(yè)各項事故的重要措施。

為保護(hù)作業(yè)人員安全，遠(yuǎn)程智能采樣技術(shù)越來越為人們所重視。特別時智能機(jī)器人技術(shù)，由于其靈活性，便捷性，使其在石化行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。但石油化工企業(yè)，其設(shè)備體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而傳統(tǒng)地面機(jī)器人其傳感器自由度較低，探測范圍和角度有限，而無人機(jī)則不能在較低高度飛行，難以獲得設(shè)備底部視角的信息。此外，獨(dú)立的機(jī)器人或無人機(jī)，在沒有外部輔助，或其他角度信息的情況下，在復(fù)雜的石油化工工作環(huán)境中，極易發(fā)生碰撞等危險。因此，單純依靠傳統(tǒng)地面機(jī)器人或無人機(jī)進(jìn)行巡檢，難以進(jìn)行全面徹底的檢測，容易造成關(guān)鍵信息的遺漏。

此外，石油化工企業(yè)由于其工作特殊性，環(huán)境中可能含有易燃易爆氣體。一般的巡檢機(jī)器人或無人機(jī)，由于需要使用大功率電機(jī)、高能量電池等，在工作過程中會有產(chǎn)生電火花，造成可燃?xì)怏w爆炸的危險。因此，用于石油化工企業(yè)巡檢的設(shè)備，對其防爆特性具有較高要求。

總之，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：石油化工生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)測巡檢設(shè)備效率不高、準(zhǔn)確度低、不防爆。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種石化生產(chǎn)現(xiàn)場智能巡檢系統(tǒng)，效率高、準(zhǔn)確度高、能防爆。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

一種石化生產(chǎn)現(xiàn)場智能巡檢系統(tǒng)，包括：

地面巡檢機(jī)器人(1)，用于根據(jù)指令或自主巡航，通過地面運(yùn)動，采集石化生產(chǎn)現(xiàn)場的信息，并上傳至遠(yuǎn)端操控臺(3)；

空中巡檢無人機(jī)(2)，用于根據(jù)指令或自主巡航，通過空中運(yùn)動，采集石化生產(chǎn)現(xiàn)場的信息，并上傳至遠(yuǎn)端操控臺(3)；

遠(yuǎn)端操控臺(3)，用于控制地面巡檢機(jī)器人(1)和空中巡檢無人機(jī)(2)的運(yùn)動方向和速度，顯示、存儲地面巡檢機(jī)器人(1)和空中巡檢無人機(jī)(2)的運(yùn)動軌跡和采集到的信息；

所述地面巡檢機(jī)器人(1)和空中巡檢無人機(jī)(2)位于石化生產(chǎn)現(xiàn)場，通過無線通信與位于控制中心的遠(yuǎn)端操控臺(3)信號連接，地面巡檢機(jī)器人(1)和空中巡檢無人機(jī)(2)之間通過無線通信相互連接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：

1、效率高：本發(fā)明通過巡檢視頻智能分析，實(shí)時傳輸，并通過遠(yuǎn)端操作臺進(jìn)行顯示和控制，提高了遠(yuǎn)程監(jiān)控的效率和能力；

2、準(zhǔn)確度高：本發(fā)明采用地面機(jī)器人與空中無人機(jī)協(xié)同巡檢，擴(kuò)展了巡檢范圍，解決了單一機(jī)器人巡檢存在巡檢死區(qū)的問題，提高了準(zhǔn)確度；

3、能防爆：地面巡檢機(jī)器人及空中巡檢無人機(jī)均采用防爆隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計，電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動控制模塊以及飛行控制單元均選用具有防爆特征的器件，或進(jìn)行防爆處理，更適合石化企業(yè)的工作環(huán)境。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明石化生產(chǎn)現(xiàn)場智能巡檢系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理圖。

圖2為圖1中遠(yuǎn)端操控臺的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3為圖1中空中巡檢無人機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖4為圖1中地面巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框圖。

圖中，地面巡檢機(jī)器人1，空中巡檢無人機(jī)2，遠(yuǎn)端操控臺3，

機(jī)器人本體101，機(jī)器人主控單元102，無線數(shù)傳模塊103，視頻采集與處理模塊104，環(huán)境信息采集模塊105和危險氣體濃度分析模塊106，GPS位置傳感器107，左右電機(jī)驅(qū)動控制模塊108，左右電機(jī)及編碼器109，可升降云臺111，

無人機(jī)本體21上的主處理器22，感知單元23，飛行控制單元24和無線通信單元25，

顯示屏31，操縱桿32，動作按鈕33，無線數(shù)傳電臺34和嵌入式計算機(jī)35。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明石化生產(chǎn)現(xiàn)場智能巡檢系統(tǒng)，包括：

地面巡檢機(jī)器人1，用于根據(jù)指令或自主巡航，通過地面運(yùn)動，采集石化生產(chǎn)現(xiàn)場的信息，并上傳至遠(yuǎn)端操控臺3；

空中巡檢無人機(jī)2，用于根據(jù)指令或自主巡航，通過空中運(yùn)動，采集石化生產(chǎn)現(xiàn)場的信息，并上傳至遠(yuǎn)端操控臺3；

遠(yuǎn)端操控臺3，用于控制地面巡檢機(jī)器人1和空中巡檢無人機(jī)2的運(yùn)動方向和速度，顯示、存儲地面巡檢機(jī)器人1和空中巡檢無人機(jī)2的運(yùn)動軌跡和采集到的信息；

所述地面巡檢機(jī)器人1和空中巡檢無人機(jī)2位于石化生產(chǎn)現(xiàn)場，通過無線通信與位于控制中心的遠(yuǎn)端操控臺3信號連接，地面巡檢機(jī)器人1和空中巡檢無人機(jī)2之間通過無線通信相互連接。

所述石化生產(chǎn)現(xiàn)場智能巡檢系統(tǒng)根據(jù)企業(yè)巡檢計劃定期定點(diǎn)巡查。巡查過程中，能進(jìn)行實(shí)時視頻傳輸，對傳輸視頻實(shí)時智能分析，并通過分析儀采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障分析報警等。

如圖2所示，所述遠(yuǎn)端操控臺3包括顯示屏31、操縱桿32、動作按鈕33、無線數(shù)傳電臺34和嵌入式計算機(jī)35；

所述嵌入式計算機(jī)35分別與顯示屏31、操縱桿32、動作按鈕33、無線數(shù)傳電臺34信號相連；

所述顯示屏31，用于顯示地面巡檢機(jī)器人1和空中巡檢無人機(jī)2的運(yùn)動軌跡、巡檢圖像、視頻、危險氣體濃度和環(huán)境參數(shù)；

所述操縱桿32，用于手動操縱控制地面巡檢機(jī)器人1和空中巡檢無人機(jī)2的運(yùn)動速度、方向；

所述動作按鈕33，用于完成石化生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備圖像拍攝、定點(diǎn)環(huán)境參數(shù)采集及地面巡檢機(jī)器人1和空中巡檢無人機(jī)2巡航模式切換；

所述無線數(shù)傳電臺34，用于完成遠(yuǎn)端操控臺3與地面巡檢機(jī)器人1和空中巡檢無人機(jī)2之間的數(shù)據(jù)交換；

所述嵌入式計算機(jī)35，用于保存、處理、查詢來自地面巡檢機(jī)器人1和空中巡檢無人機(jī)2的巡檢數(shù)據(jù)。

為了便于操作，操作臺還配備了若干USB擴(kuò)展接口，用于連接外部操作手柄或鍵盤鼠標(biāo)等外部設(shè)備。

如圖3所示，所述空中巡檢無人機(jī)2包括無人機(jī)本體21及固定于無人機(jī)本體21上的主處理器22、感知單元23、飛行控制單元24和無線通信單元25；

所述主處理器22分別與無人機(jī)本體21、感知單元23、飛行控制單元24和無線通信單元25信號相連；

所述無人機(jī)本體21為六旋翼無人機(jī)，用于搭載主處理器22、感知單元23、飛行控制單元24和無線通信單元25；

所述主處理器22為STM32處理器，用于控制無人機(jī)本體21的飛行姿態(tài)和軌跡，接收遠(yuǎn)端操控臺3的控制指令，完成對巡檢場地、設(shè)備、管道的拍攝；

所述感知單元23包括陀螺儀、加速度計、磁強(qiáng)計、氣壓計、光流傳感器、GPS接收機(jī)和超聲波測距傳感器，用于采集石化生產(chǎn)現(xiàn)場的信息；

所述飛行控制單元24，用于根據(jù)無人機(jī)本體21的姿態(tài)信息和軌跡信息，通過調(diào)整無人機(jī)本體21六個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制無人機(jī)本體21的飛行姿態(tài)和軌跡；

所述無線通信單元25，用于實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端操控臺3的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互。

所述無線通信單元25為兩個獨(dú)立模塊，分別與遠(yuǎn)端操作臺3和地面巡檢機(jī)器人1進(jìn)行通信。

慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和良好的操作性，所述空中巡檢無人機(jī)選擇六旋翼無人機(jī)作為巡檢機(jī)器人主體，整個控制系統(tǒng)以STM32處理器為核心，感知單元包括了陀螺儀、加速度計、磁強(qiáng)計、氣壓計、光流傳感器、GPS接收機(jī)、超聲波測距傳感器，而陀螺儀、加速度計、磁強(qiáng)計通過擴(kuò)展卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)姿態(tài)與航向?qū)崿F(xiàn)無漂移的準(zhǔn)確測量；氣壓計與超聲波測距傳感器用來測量無人機(jī)的高度與高度升降速度信息，不同之處在于氣壓計的測量范圍較超聲波測距傳感器更大，而超聲波傳感器卻具有比氣壓計更加準(zhǔn)確的高度值；GPS傳感器用來測量無人機(jī)的位置信息與速度信息，飛行控制單元主要用于根據(jù)無人機(jī)的姿態(tài)信息和軌跡信息控制六個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，考慮到巡檢無人機(jī)系統(tǒng)的工作場所，所有電機(jī)設(shè)計時選擇本質(zhì)防爆的直流無刷電機(jī)，處理器通過PWM控制，完成系統(tǒng)的飛行姿態(tài)和軌跡控制。同時接收來自地面的控制指令，完成對巡檢場地、設(shè)備、管道的拍照等任務(wù)。

所述空中巡檢無人機(jī)2采用防爆隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用隔爆鋁合金外殼，外殼角點(diǎn)處安裝減震緩存橡膠，以防止無人機(jī)意外墜落時對設(shè)備撞擊產(chǎn)生危害。所述飛行控制單元24內(nèi)置于防爆鋼化玻璃內(nèi)，引出線外套絕緣套管，引出口安裝彈性墊片；所述無線通信單元25采用防爆無線通信單元。

如圖4所示，所述地面巡檢機(jī)器人1包括機(jī)器人本體101及固定設(shè)置在機(jī)器人本體101上的機(jī)器人主控單元102、無線數(shù)傳模塊103、GPS位置傳感器107、左右電機(jī)驅(qū)動控制模塊108、左右電機(jī)及編碼器109和可升降云臺111；還包括固定在可升降云臺111上的視頻采集與處理模塊104、環(huán)境信息采集模塊105和危險氣體濃度分析模塊106；

所述機(jī)器人主控單元102通過USB總線與無線數(shù)傳模塊103、視頻采集與處理模塊104相連，通過CAN總線與左右電機(jī)驅(qū)動控制模塊108相連，所述機(jī)器人主控單元102通過數(shù)據(jù)線與GPS位置傳感器107、環(huán)境信息采集模塊105相連，所述危險氣體濃度分析模塊106通過數(shù)據(jù)線與環(huán)境信息采集模塊105相連，所述左右電機(jī)及編碼器109通過數(shù)據(jù)線與左右電機(jī)驅(qū)動控制模塊108相連；

所述無線數(shù)傳模塊103，用于地面巡檢機(jī)器人1與遠(yuǎn)端操控臺3之間的數(shù)據(jù)交換，其具有防爆功能；

所述視頻采集與處理模塊104，用于將采集的視頻信息轉(zhuǎn)化并壓縮為機(jī)器人主控單元102可以接收的形式；

所述環(huán)境信息采集模塊105，用于接收來自于各種環(huán)境傳感器的模擬或數(shù)字變量，并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)器人主控單元102可以接收的數(shù)字形式；

所述危險氣體濃度分析模塊106，用于對環(huán)境中可能存在的危險易燃、易爆氣體濃度進(jìn)行分析，將濃度數(shù)據(jù)直接傳送給環(huán)境信息采集模塊105，并由環(huán)境信息采集模塊105上傳至機(jī)器人主控單元102，并通過無線數(shù)傳模塊103傳送給遠(yuǎn)端操控臺3；

所述GPS位置傳感器107，用于感知機(jī)器人當(dāng)前位置信息，并將其傳送給機(jī)器人主控單元102；

所述左右電機(jī)驅(qū)動控制模塊108，用于通過CAN通信接口接收來自機(jī)器人主控單元102的控制指令，并根據(jù)來自于電機(jī)編碼器109的反饋信息和控制算法，產(chǎn)生相應(yīng)電機(jī)控制輸出，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的速度控制；

所述左右電機(jī)及編碼器109，用于接收來自電機(jī)驅(qū)動控制模塊108的控制輸出，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并將利用傳感器得到的速度反饋信號反饋給相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動控制模塊108。

電機(jī)編碼器的信號是給主控單元的，主控單元根據(jù)反饋信息和控制算法給驅(qū)動控制模塊發(fā)送指令，驅(qū)動控制模塊解析指令向電機(jī)發(fā)送PWM波控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。-

所述左右電機(jī)及編碼器109采用無刷直流電機(jī)。

所述地面巡檢機(jī)器人采用輪式移動方式，其主要工作原理是：接收來自于遠(yuǎn)端遙控裝置的控制指令，進(jìn)行處理，并根據(jù)障礙傳感器信息做出控制決策，然后向電機(jī)控制器發(fā)出控制指令，使機(jī)器人能夠按照預(yù)先設(shè)定的路線運(yùn)動，運(yùn)動的同時將視頻采集到的信息和環(huán)境參數(shù)通過數(shù)傳電臺傳送給機(jī)器人遠(yuǎn)端操作平臺。

所述地面巡檢機(jī)器人主控單元將采用以ARM處理器為核心的多功能控制器，控制器具有IPV4網(wǎng)絡(luò)接口、USB總線接口、RS232/485串行總線接口、CAN總線接口等多種外部接口。無線數(shù)傳模塊主要用于機(jī)器人和遠(yuǎn)端操作平臺之間的數(shù)據(jù)交換，根據(jù)機(jī)器人的工作環(huán)境，選用帶有防爆功能的無線數(shù)傳電臺完成機(jī)器人和遙操臺之間的數(shù)據(jù)交換。視頻處理模塊將主要用于將視頻采集模塊采集的視頻信息轉(zhuǎn)化并壓縮為機(jī)器人主控單元可以接收的形式。環(huán)境信息采集模塊將主要用于接收來自于各種環(huán)境傳感器的模擬或數(shù)字變量，并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)器人主控單元可以接收的數(shù)字形式；風(fēng)速、溫度、濕度等傳感器主要用于感知環(huán)境的風(fēng)速、溫度、濕度等信息，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。危險氣體濃度分析模塊主要用于對環(huán)境中可能存在的危險易燃、易爆氣體濃度進(jìn)行分析；將其濃度數(shù)據(jù)直接傳送給環(huán)境信息采集模塊，并由環(huán)境信息采集模塊上傳至上位機(jī)通過無線數(shù)傳單元傳送給無線遙操臺，供工作人員參考、判斷。GPS位置傳感器主要用于感知機(jī)器人當(dāng)前位置信息，并將其傳送給機(jī)器人主控單元；左右電機(jī)驅(qū)動控制模塊、左右電機(jī)及編碼器和減速裝置主要用于接收來自于機(jī)器人主控單元的控制指令并使電機(jī)根據(jù)指令旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動。其中左、右側(cè)電機(jī)驅(qū)動控制模塊：主要通過CAN通信接口接收來自機(jī)器人主控單元的控制指令，并根據(jù)來自于電機(jī)編碼器的反饋信息和控制算法，產(chǎn)生相應(yīng)電機(jī)控制輸出，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的速度控制。左、右側(cè)電機(jī)(含左、右側(cè)電機(jī)減速箱和傳感器)：主要接收來自電機(jī)驅(qū)動控制模塊的控制輸出，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并將利用傳感器得到的速度反饋信號反饋給相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動控制模塊。

設(shè)計中，考慮到地面巡檢機(jī)器人常常工作在石化企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，需要具備防爆特性，因此，機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)將選用具有本質(zhì)防爆特征的無刷直流電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動器與控制計算機(jī)等電子器件將選用具有防爆特征的器件，或進(jìn)行防爆處理。從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面來說，采用防爆隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，從機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)入手，結(jié)合內(nèi)部驅(qū)動器，控制計算機(jī)等部件的布局，確保機(jī)器人本體達(dá)到AQ3009—2007電氣設(shè)備防爆規(guī)范。

從穩(wěn)定性方面來說，主要指機(jī)器人在斜坡上能夠抗翻、抗滑的靜態(tài)穩(wěn)定性以及機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下(例如爬坡、越障等)的動態(tài)穩(wěn)定性。降低機(jī)器人的重心、增大機(jī)器人兩輪之間的軸向距離，以增加機(jī)器人的平穩(wěn)度。從控制方法方面來說，采用速度閉環(huán)反饋控制+自適應(yīng)軌跡跟蹤控制方法確保機(jī)器人能夠安全準(zhǔn)確的沿著給定路徑運(yùn)動。