CN106200667A - 石化生产现场智能巡检系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种石化生产现场智能巡检系统，包括：地面巡检机器人(1)，用于根据指令或自主巡航，通过地面运动，采集石化生产现场的信息，并上传至远端操控台(3)；空中巡检无人机(2)，用于根据指令或自主巡航，通过空中运动，采集石化生产现场的信息，并上传至远端操控台(3)；远端操控台(3)，用于控制地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)的运动方向和速度，显示、存储运动轨迹和采集到的信息；所述位于石化生产现场的地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)之间及与远端操控台(3)均通过无线通信相互连接。本发明的智能巡检系统，效率高、准确度高、能防爆。
Description
技术领域
本发明属于石油化工工作环境监测设备技术领域，特别是一种效率高、准确度高、能防爆的石化生产现场智能巡检系统。
背景技术
近年来，随着人们对环境保护问题的日益关注，作为国民经济的支柱产业的石油化工行业目前面临的增速放缓、效益下降、国际油价低位震荡、结构性矛盾凸显、科技创新瓶颈约束增强、安全环保约束加大等突出矛盾和问题。更令石油化工企业头疼的是，触目惊心的安全事故和人口红利的消失让石化企业招聘工作越来越不好开展，很多人对在石化企业工作产生很大的顾虑，用工荒开始困扰石化行业。同时由于石油化工行业的工作环境往往具有地域空旷、设备复杂性，危险性大，常常会由于泄漏、挥发或其他多种原因产生可燃气体(蒸气)、有毒气体(蒸气)等有害气体，因此，对石化企业作业环境的定期监测，是预防石化企业各项事故的重要措施。
为保护作业人员安全，远程智能采样技术越来越为人们所重视。特别时智能机器人技术，由于其灵活性，便捷性，使其在石化行业得到越来越广泛的应用。但石油化工企业，其设备体积较大，结构复杂，而传统地面机器人其传感器自由度较低，探测范围和角度有限，而无人机则不能在较低高度飞行，难以获得设备底部视角的信息。此外，独立的机器人或无人机，在没有外部辅助，或其他角度信息的情况下，在复杂的石油化工工作环境中，极易发生碰撞等危险。因此，单纯依靠传统地面机器人或无人机进行巡检，难以进行全面彻底的检测，容易造成关键信息的遗漏。
此外，石油化工企业由于其工作特殊性，环境中可能含有易燃易爆气体。一般的巡检机器人或无人机，由于需要使用大功率电机、高能量电池等，在工作过程中会有产生电火花，造成可燃气体爆炸的危险。因此，用于石油化工企业巡检的设备，对其防爆特性具有较高要求。
总之，现有技术存在的问题是：石油化工生产现场监测巡检设备效率不高、准确度低、不防爆。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石化生产现场智能巡检系统，效率高、准确度高、能防爆。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种石化生产现场智能巡检系统，包括：
地面巡检机器人(1)，用于根据指令或自主巡航，通过地面运动，采集石化生产现场的信息，并上传至远端操控台(3)；
空中巡检无人机(2)，用于根据指令或自主巡航，通过空中运动，采集石化生产现场的信息，并上传至远端操控台(3)；
远端操控台(3)，用于控制地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)的运动方向和速度，显示、存储地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)的运动轨迹和采集到的信息；
所述地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)位于石化生产现场，通过无线通信与位于控制中心的远端操控台(3)信号连接，地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)之间通过无线通信相互连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、效率高：本发明通过巡检视频智能分析，实时传输，并通过远端操作台进行显示和控制，提高了远程监控的效率和能力；
2、准确度高：本发明采用地面机器人与空中无人机协同巡检，扩展了巡检范围，解决了单一机器人巡检存在巡检死区的问题，提高了准确度；
3、能防爆：地面巡检机器人及空中巡检无人机均采用防爆隔爆结构设计，电机、电机驱动控制模块以及飞行控制单元均选用具有防爆特征的器件，或进行防爆处理，更适合石化企业的工作环境。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明石化生产现场智能巡检系统的结构及工作原理图。
图2为图1中远端操控台的结构框图。
图3为图1中空中巡检无人机的结构框图。
图4为图1中地面巡检机器人的结构框图。
图中，地面巡检机器人1，空中巡检无人机2，远端操控台3，
机器人本体101，机器人主控单元102，无线数传模块103，视频采集与处理模块104，环境信息采集模块105和危险气体浓度分析模块106，GPS位置传感器107，左右电机驱动控制模块108，左右电机及编码器109，可升降云台111，
无人机本体21上的主处理器22，感知单元23，飞行控制单元24和无线通信单元25，
显示屏31，操纵杆32，动作按钮33，无线数传电台34和嵌入式计算机35。
具体实施方式
如图1所示，本发明石化生产现场智能巡检系统，包括：
地面巡检机器人1，用于根据指令或自主巡航，通过地面运动，采集石化生产现场的信息，并上传至远端操控台3；
空中巡检无人机2，用于根据指令或自主巡航，通过空中运动，采集石化生产现场的信息，并上传至远端操控台3；
远端操控台3，用于控制地面巡检机器人1和空中巡检无人机2的运动方向和速度，显示、存储地面巡检机器人1和空中巡检无人机2的运动轨迹和采集到的信息；
所述地面巡检机器人1和空中巡检无人机2位于石化生产现场，通过无线通信与位于控制中心的远端操控台3信号连接，地面巡检机器人1和空中巡检无人机2之间通过无线通信相互连接。
所述石化生产现场智能巡检系统根据企业巡检计划定期定点巡查。巡查过程中，能进行实时视频传输，对传输视频实时智能分析，并通过分析仪采集数据，进行故障分析报警等。
如图2所示，所述远端操控台3包括显示屏31、操纵杆32、动作按钮33、无线数传电台34和嵌入式计算机35；
所述嵌入式计算机35分别与显示屏31、操纵杆32、动作按钮33、无线数传电台34信号相连；
所述显示屏31，用于显示地面巡检机器人1和空中巡检无人机2的运动轨迹、巡检图像、视频、危险气体浓度和环境参数；
所述操纵杆32，用于手动操纵控制地面巡检机器人1和空中巡检无人机2的运动速度、方向；
所述动作按钮33，用于完成石化生产现场设备图像拍摄、定点环境参数采集及地面巡检机器人1和空中巡检无人机2巡航模式切换；
所述无线数传电台34，用于完成远端操控台3与地面巡检机器人1和空中巡检无人机2之间的数据交换；
所述嵌入式计算机35，用于保存、处理、查询来自地面巡检机器人1和空中巡检无人机2的巡检数据。
为了便于操作，操作台还配备了若干USB扩展接口，用于连接外部操作手柄或键盘鼠标等外部设备。
如图3所示，所述空中巡检无人机2包括无人机本体21及固定于无人机本体21上的主处理器22、感知单元23、飞行控制单元24和无线通信单元25；
所述主处理器22分别与无人机本体21、感知单元23、飞行控制单元24和无线通信单元25信号相连；
所述无人机本体21为六旋翼无人机，用于搭载主处理器22、感知单元23、飞行控制单元24和无线通信单元25；
所述主处理器22为STM32处理器，用于控制无人机本体21的飞行姿态和轨迹，接收远端操控台3的控制指令，完成对巡检场地、设备、管道的拍摄；
所述感知单元23包括陀螺仪、加速度计、磁强计、气压计、光流传感器、GPS接收机和超声波测距传感器，用于采集石化生产现场的信息；
所述飞行控制单元24，用于根据无人机本体21的姿态信息和轨迹信息，通过调整无人机本体21六个电机的转速，控制无人机本体21的飞行姿态和轨迹；
所述无线通信单元25，用于实现与远端操控台3的远程数据交互。
所述无线通信单元25为两个独立模块，分别与远端操作台3和地面巡检机器人1进行通信。
虑到系统的稳定性和良好的操作性，所述空中巡检无人机选择六旋翼无人机作为巡检机器人主体，整个控制系统以STM32处理器为核心，感知单元包括了陀螺仪、加速度计、磁强计、气压计、光流传感器、GPS接收机、超声波测距传感器，而陀螺仪、加速度计、磁强计通过扩展卡尔曼滤波实现对无人机姿态与航向实现无漂移的准确测量；气压计与超声波测距传感器用来测量无人机的高度与高度升降速度信息，不同之处在于气压计的测量范围较超声波测距传感器更大，而超声波传感器却具有比气压计更加准确的高度值；GPS传感器用来测量无人机的位置信息与速度信息，飞行控制单元主要用于根据无人机的姿态信息和轨迹信息控制六个电机的转速，考虑到巡检无人机系统的工作场所，所有电机设计时选择本质防爆的直流无刷电机，处理器通过PWM控制，完成系统的飞行姿态和轨迹控制。同时接收来自地面的控制指令，完成对巡检场地、设备、管道的拍照等任务。
所述空中巡检无人机2采用防爆隔爆结构设计，使用隔爆铝合金外壳，外壳角点处安装减震缓存橡胶，以防止无人机意外坠落时对设备撞击产生危害。所述飞行控制单元24内置于防爆钢化玻璃内，引出线外套绝缘套管，引出口安装弹性垫片；所述无线通信单元25采用防爆无线通信单元。
如图4所示，所述地面巡检机器人1包括机器人本体101及固定设置在机器人本体101上的机器人主控单元102、无线数传模块103、GPS位置传感器107、左右电机驱动控制模块108、左右电机及编码器109和可升降云台111；还包括固定在可升降云台111上的视频采集与处理模块104、环境信息采集模块105和危险气体浓度分析模块106；
所述机器人主控单元102通过USB总线与无线数传模块103、视频采集与处理模块104相连，通过CAN总线与左右电机驱动控制模块108相连，所述机器人主控单元102通过数据线与GPS位置传感器107、环境信息采集模块105相连，所述危险气体浓度分析模块106通过数据线与环境信息采集模块105相连，所述左右电机及编码器109通过数据线与左右电机驱动控制模块108相连；
所述无线数传模块103，用于地面巡检机器人1与远端操控台3之间的数据交换，其具有防爆功能；
所述视频采集与处理模块104，用于将采集的视频信息转化并压缩为机器人主控单元102可以接收的形式；
所述环境信息采集模块105，用于接收来自于各种环境传感器的模拟或数字变量，并将其转化为机器人主控单元102可以接收的数字形式；
所述危险气体浓度分析模块106，用于对环境中可能存在的危险易燃、易爆气体浓度进行分析，将浓度数据直接传送给环境信息采集模块105，并由环境信息采集模块105上传至机器人主控单元102，并通过无线数传模块103传送给远端操控台3；
所述GPS位置传感器107，用于感知机器人当前位置信息，并将其传送给机器人主控单元102；
所述左右电机驱动控制模块108，用于通过CAN通信接口接收来自机器人主控单元102的控制指令，并根据来自于电机编码器109的反馈信息和控制算法，产生相应电机控制输出，实现对电机的速度控制；
所述左右电机及编码器109，用于接收来自电机驱动控制模块108的控制输出，使电机旋转，并将利用传感器得到的速度反馈信号反馈给相应的电机驱动控制模块108。
电机编码器的信号是给主控单元的，主控单元根据反馈信息和控制算法给驱动控制模块发送指令，驱动控制模块解析指令向电机发送PWM波控制电机转动。-
所述左右电机及编码器109采用无刷直流电机。
所述地面巡检机器人采用轮式移动方式，其主要工作原理是：接收来自于远端遥控装置的控制指令，进行处理，并根据障碍传感器信息做出控制决策，然后向电机控制器发出控制指令，使机器人能够按照预先设定的路线运动，运动的同时将视频采集到的信息和环境参数通过数传电台传送给机器人远端操作平台。
所述地面巡检机器人主控单元将采用以ARM处理器为核心的多功能控制器，控制器具有IPV4网络接口、USB总线接口、RS232/485串行总线接口、CAN总线接口等多种外部接口。无线数传模块主要用于机器人和远端操作平台之间的数据交换，根据机器人的工作环境，选用带有防爆功能的无线数传电台完成机器人和遥操台之间的数据交换。视频处理模块将主要用于将视频采集模块采集的视频信息转化并压缩为机器人主控单元可以接收的形式。环境信息采集模块将主要用于接收来自于各种环境传感器的模拟或数字变量，并将其转化为机器人主控单元可以接收的数字形式；风速、温度、湿度等传感器主要用于感知环境的风速、温度、湿度等信息，并将其转换为电信号。危险气体浓度分析模块主要用于对环境中可能存在的危险易燃、易爆气体浓度进行分析；将其浓度数据直接传送给环境信息采集模块，并由环境信息采集模块上传至上位机通过无线数传单元传送给无线遥操台，供工作人员参考、判断。GPS位置传感器主要用于感知机器人当前位置信息，并将其传送给机器人主控单元；左右电机驱动控制模块、左右电机及编码器和减速装置主要用于接收来自于机器人主控单元的控制指令并使电机根据指令旋转，从而驱动机器人运动。其中左、右侧电机驱动控制模块：主要通过CAN通信接口接收来自机器人主控单元的控制指令，并根据来自于电机编码器的反馈信息和控制算法，产生相应电机控制输出，实现对电机的速度控制。左、右侧电机(含左、右侧电机减速箱和传感器)：主要接收来自电机驱动控制模块的控制输出，使电机旋转，并将利用传感器得到的速度反馈信号反馈给相应的电机驱动控制模块。
设计中，考虑到地面巡检机器人常常工作在石化企业生产现场，需要具备防爆特性，因此，机器人驱动电机将选用具有本质防爆特征的无刷直流电机，电机驱动器与控制计算机等电子器件将选用具有防爆特征的器件，或进行防爆处理。从机械结构方面来说，采用防爆隔爆结构设计规范，从机器人本体结构入手，结合内部驱动器，控制计算机等部件的布局，确保机器人本体达到AQ3009—2007电气设备防爆规范。
从稳定性方面来说，主要指机器人在斜坡上能够抗翻、抗滑的静态稳定性以及机器人在复杂环境下(例如爬坡、越障等)的动态稳定性。降低机器人的重心、增大机器人两轮之间的轴向距离，以增加机器人的平稳度。从控制方法方面来说，采用速度闭环反馈控制+自适应轨迹跟踪控制方法确保机器人能够安全准确的沿着给定路径运动。
Claims (5)
1.一种石化生产现场智能巡检系统，其特征在于，包括：
地面巡检机器人(1)，用于根据指令或自主巡航，通过地面运动，采集石化生产现场的信息，并上传至远端操控台(3)；
空中巡检无人机(2)，用于根据指令或自主巡航，通过空中运动，采集石化生产现场的信息，并上传至远端操控台(3)；
远端操控台(3)，用于控制地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)的运动方向和速度，显示、存储地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)的运动轨迹和采集到的信息；
所述地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)位于石化生产现场，通过无线通信与位于控制中心的远端操控台(3)信号连接，地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)之间通过无线通信相互连接。
2.根据权利要求1所述的智能巡检系统，其特征在于：所述远端操控台(3)包括显示屏(31)、操纵杆(32)、动作按钮(33)、无线数传电台(34)和嵌入式计算机(35)；
所述嵌入式计算机(35)分别与显示屏(31)、操纵杆(32)、动作按钮(33)、无线数传电台(34)信号相连；
所述显示屏(31)，用于显示地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)的运动轨迹、巡检图像、视频、危险气体浓度和环境参数；
所述操纵杆(32)，用于手动操纵控制地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)的运动速度、方向；
所述动作按钮(33)，用于完成石化生产现场设备图像拍摄、定点环境参数采集及地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)巡航模式切换；
所述无线数传电台(34)，用于完成远端操控台(3)与地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)之间的数据交换；
所述嵌入式计算机(35)，用于保存、处理、查询来自地面巡检机器人(1)和空中巡检无人机(2)的巡检数据。
3.根据权利要求1所述的智能巡检系统，其特征在于：所述空中巡检无人机(2)包括无人机本体(21)及固定于无人机本体(21)上的主处理器(22)、感知单元(23)、飞行控制单元(24)和无线通信单元(25)；
所述主处理器(22)分别与无人机本体(21)、感知单元(23)、飞行控制单元(24)和无线通信单元(25)信号相连；
所述无人机本体(21)为六旋翼无人机，用于搭载主处理器(22)、感知单元(23)、飞行控制单元(24)和无线通信单元(25)；
所述主处理器(22)为STM32处理器，用于控制无人机本体(21)的飞行姿态和轨迹，接收远端操控台(3)的控制指令，完成对巡检场地、设备、管道的拍摄；
所述感知单元(23)包括陀螺仪、加速度计、磁强计、气压计、光流传感器、GPS接收机和超声波测距传感器，用于采集石化生产现场的信息；
所述飞行控制单元(24)，用于根据无人机本体(21)的姿态信息和轨迹信息，通过调整无人机本体(21)六个电机的转速，控制无人机本体(21)的飞行姿态和轨迹；
所述无线通信单元(25)，用于实现与远端操控台(3)的远程数据交互。
4.根据权利要求1所述的智能巡检系统，其特征在于：所述地面巡检机器人(1)包括机器人本体(101)及固定设置在机器人本体(101)上的机器人主控单元(102)、无线数传模块(103)、GPS位置传感器(107)、左右电机驱动控制模块(108)、左右电机及编码器(109)和可升降云台(111)；还包括固定在可升降云台(111)上的视频采集与处理模块(104)、环境信息采集模块(105)和危险气体浓度分析模块(106)；
所述机器人主控单元(102)通过USB总线与无线数传模块(103)、视频采集与处理模块(104)相连，通过CAN总线与左右电机驱动控制模块(108)相连，所述机器人主控单元(102)通过数据线与GPS位置传感器(107)、环境信息采集模块(105)相连，所述危险气体浓度分析模块(106)通过数据线与环境信息采集模块(105)相连，所述左右电机及编码器(109)通过数据线与左右电机驱动控制模块(108)相连；
所述无线数传模块(103)，用于地面巡检机器人(1)与远端操控台(3)之间的数据交换，其具有防爆功能；
所述视频采集与处理模块(104)，用于将采集的视频信息转化并压缩为机器人主控单元(102)可以接收的形式；
所述环境信息采集模块(105)，用于接收来自于各种环境传感器的模拟或数字变量，并将其转化为机器人主控单元(102)可以接收的数字形式；
所述危险气体浓度分析模块(106)，用于对环境中可能存在的危险易燃、易爆气体浓度进行分析，将浓度数据直接传送给环境信息采集模块(105)，并由环境信息采集模块(105)上传至机器人主控单元(102)，并通过无线数传模块(103)传送给远端操控台(3)；
所述GPS位置传感器(107)，用于感知机器人当前位置信息，并将其传送给机器人主控单元(102)；
所述左右电机驱动控制模块(108)，用于通过CAN通信接口接收来自机器人主控单元(102)的控制指令，并根据来自于电机编码器(109)的反馈信息和控制算法，产生相应电机控制输出，实现对电机的速度控制；
所述左右电机及编码器(109)，用于接收来自电机驱动控制模块(108)的控制输出，使电机旋转，并将利用传感器得到的速度反馈信号反馈给相应的电机驱动控制模块(108)。
5.根据权利要求4所述的智能巡检系统，其特征在于：所述左右电机及编码器(109)采用无刷直流电机。
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Application publication date: 20161207 |
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