CN112454353A - 一种危险气体泄露检测巡检机器人及巡检方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种危险气体泄露检测巡检机器人及巡检方法，通过搭载的高性能的光学气体热像仪，可以将多种常见的危险气体以可视化的方式呈现在监控视频中，其灵敏度高，能够检测到微小的气体泄露现象，从而准确定位气体泄露位置；本发明的危险气体检测方法，以固定轨迹巡检方法为基础，考虑了多种可能出现的动态障碍物运动行为，制定了一套适用于广泛情况下的运动算法，这种算法运算逻辑简单，计算量低，对控制器的计算能力和功耗要求低，可以有效节约硬件成本。在巡检功能上，机器人运动平稳，能够有效避开以人类为典型的动态障碍物，有效解决了人机共存环境下的正常运行能力。

Description

一种危险气体泄露检测巡检机器人及巡检方法

技术领域

本发明属于巡检机器人技术领域，具体涉及一种危险气体泄露检测巡检机器人及巡检方法。

背景技术

危险气体泄漏可对人类安全和设备可靠性造成一系列的危害，尤其在天然气工业、化工工厂、沼气池等方面。危险气体主要包括有毒有害气体(如二氧化硫，一氧化碳等)和易燃易爆气体(如甲烷等)。这些气体往往无色无味，其泄露很难被工作人员察觉，因此，危险气体检测已经成为当今安全应急领域和工业生产行业亟待解决的重要问题之一。

对于危险气体泄漏现场，及时、正确的判断很大程度上依赖于准确的事故现场数据，这就需要应急人员手持便携式检测仪器到现场进行操作，然而发生气体泄漏的现场环境变得高危、复杂，往往使应急人员无法接近泄露现场；强行的接入还会给应急人员的生命安全带来很大的隐患。因此需要一种能够代替应急人员深入到危险区域并探测现场气体泄漏情况的技术手段。

现有的危险气体检测装置往往固定在一个位置，这种装置有以下缺陷：当气体检测装置检测到危险气体泄露时，往往气体已经从泄露源泄露出了大量气体了，气体泄露到检测装置位置并被感应到时，现场的气体泄露程度和浓度已经很高了，严重威胁着现场人员的安全。因此，这种装置在进行气体检测时的时效性差。提高装置的布置密度虽然可以一定程度上解决时效性差的问题，但其装备安装数量庞大，不易维护且成本呈倍数增高。

为提高气体检测功能的灵活性，利用机器人技术，搭载相关传感器并进行信息融合时当今科技的发展方向。智能移动巡检机器人是一种能够通过传感器感知环境和自身状态，通过对复杂信息进行处理和自身的策略规划及控制算法来实现在结构化/非结构化环境中的自主行为操作，从而完成规定任务的机器人系统。在进行移动巡检机器人的技术研究中，机器人的机体建模，系统控制方法，传感器信息处理等技术是解决危险环境检测的重要核心和先决条件。现有危险气体检测功能的相关机器人研究还处于初级阶段，主要存在其控制方法环境适配性较弱，效率不高、环境检测传感器等技术单一，功能不完备等技术问题。

危险气体检测装置定点检测具有以下缺陷：当气体检测装置检测到危险气体泄露时，往往气体已经从泄露源泄露出了大量气体了，气体泄露到检测装置位置并被感应到时，现场的气体泄露程度和浓度已经很高了，严重威胁着现场人员的安全。因此，这种装置在进行气体检测时存在着时效性差、检测精度低等问题。提高装置的布置密度虽然可以一定程度上解决时效性差的问题，但其装备安装数量庞大，不易维护且设备成本和安装成本呈倍数增高。

现有的具有危险气体检测功能的移动机器人的研究较少，现有传统的危险气体检测机器人的普及率不高，其主要原因：1.采用传统气体探测传感器，获取的现场环境信息不全面，工作人员仅能探测到现场有危险气体泄露的情况发生，而不能锁定泄露源的情况，因此，普通传感器的性能大大限制了气体检测机器人的检测性能。2.自主巡检方法不适合一般环境，一般来说巡检机器人的自主巡检方法与控制器的性能息息相关，如今相关的研究方向主要是向着可靠性强，计算量小的方向发展。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种危险气体泄露检测巡检机器人及巡检方法，能够检测到微小的气体泄露现象，从而准确定位气体泄露位置；并且可以有效节约硬件成本。

一种危险气体泄露检测巡检机器人，按照设定的路线进行巡检，包括机械系统、传感器系统和控制系统；

所述机械系统包括底盘结构(11)、外壳(12)和云台(13)；底盘结构(11)是机器人各零部件的支撑；机器人外壳(12)安装在底盘结构(11)上部，云台(13)安装在外壳(12)的上部；所述云台(13)用于实现水平方向360°旋转和垂直方向的-90°～+90°的旋转；

所述传感器系统包括超声波传感器(21)、可见光摄像头(22)以及光学气体红外热像仪(23)所述超声波传感器(21)用于测量机器人与干涉物体之间的距离；

所述可见光摄像头(22)安装在所述云台(13)上，采用于采集现场环境的光学图像；

所述光学红外气体热像仪(23)安装在所述云台(13)上，用于获得环境的红外图像；

所述控制系统用于控制底盘结构(11)按照设定的路线进行巡检；根据超声波传感器(21)获得的机器人与干涉物体之间的距离控制机器人避障；根据所述光学红外气体热像仪(23)获得环境的红外图像对危险气体进行检测。

较佳的，所述传感器系统还包括灰度传感器(24)；所述灰度传感器(24)用于拍摄地面铺设的黑色的巡检路线；所述控制系统根据灰度传感器(24)拍摄的巡检路线，控制机器人沿着巡检路线进行巡检运动。

较佳的，所述光学红外气体热像仪(23)为FLIR G300红外热像仪。

较佳的，所述控制系统包括STM32F103控制器(31)、Raspberry 4B控制器以及PC；

所述PC提供人机交互的平台，用户通过PC上的上位机软件对机器人进行机器人的巡检运动控制和云台(13)的位姿控制；

所述Raspberry 4B控制器，用于完成PC用户控制指令获取和对底层的任务下达；获取可见光摄像头(22)以及光学气体红外热像仪(23)采集的图像，并上传给所述PC；

所述STM32F103控制器(31)将Raspberry 4B控制器的控制指令和对底层的任务下达到对应的设备；同时，将超声波传感器(21)采集的距离信息通过Raspberry 4B控制器上传至PC。

进一步的，还包括电气系统，进一步包括锂电池(41)、探照灯(42)、蜂鸣器(43)、电量显示器(44)、充电口(45)、尾灯(46)、急停开关(47)、拓展口(48)和电压转换模块。

一种危险气体泄露检测巡检机器人的巡检方法，包括如下步骤：

将干涉物体的行为模式划分为4种，并确定行为模式的论域，4中行为模式如下：

横穿方式，即干涉物体出现在机器人的前进方向，并相对机器人左或右前方位穿越而过，用BS表示；

并行方式，即机器人与干涉物体正面相遇，两者运动方向互不影响，但有发生相互碰撞的可能，该行为用BE表示；

跟随方式，即干涉物体出现在机器人正前方，且双方运动方向相同，但有发生相互碰撞的可能，该行为用BL表示；

对顶方式，干涉物体出现在移动机器人正前方，且双方运动方向相反，该行为用BF表示；

以机器人速度为标准将干涉物体相对速度分为快慢两种程度，分别用VS和VF表示，干涉物体速度大于机器人的巡检速度时，其速度为VS，反之为VF；

将干涉物体与机器人之间相对距离由远及近的不同程度分别用DS、DE、DN、DF表示；

将机器人下一时刻的速度增量从小到大，分为VD、VZ、VI、VR和VT五个等级；

将干涉物体的行为模式、干涉物体相对速度和干涉物体与机器人之间相对距离输入，将机器人下一时刻的速度增量作为输出，采用模糊控制方法，得到输入与输出之间的模糊规则；

在机器人巡检过程中，根据当前干涉物体的行为模式、干涉物体相对速度和干涉物体与机器人之间相对距离，利用上述模糊规则，得到机器人下一时刻的速度增量，控制机器人以该速度增量进行巡检。

较佳的，采用Mandani推理方法作为模糊控制方法，得到输入与输出之间的模糊规则。

较佳的，DS为2m，DE为1.5m，DN为1m，DF为0.5m。

较佳的，计算得到的机器人速度增量分别为-v，-0.75v，-0.5v，-0.25v，分别对应作为将机器人下一时刻的速度增量的五个等级。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种适用于室内环境下的危险气体检测机器人系统，通过搭载的高性能的光学气体热像仪，可以将多种常见的危险气体以可视化的方式呈现在监控视频中，其灵敏度高，能够检测到微小的气体泄露现象，从而准确定位气体泄露位置；热图像的检测方式摒弃了传统气体检测传感器的种种缺点，适用于工厂内气体管道等设备的长时间监控，免去了工厂设备定期检测的繁琐程序。

本发明的危险气体检测方法，利用高机动性、简易控制特性的机器人搭载气体检测装置能够进行室内环境的24小时全天候巡检任务，用户可以通过远距离监控基站进行安全排查，降低了专员进入有毒有害空间的危险性，有效降低了人力成本；根据调研多种典型的工厂环境，以固定轨迹巡检方法为基础，考虑了多种可能出现的动态障碍物运动行为，制定了一套适用于广泛情况下的运动算法，这种算法运算逻辑简单，计算量低，对控制器的计算能力和功耗要求低，可以有效节约硬件成本。在巡检功能上，机器人运动平稳，能够有效避开以人类为典型的动态障碍物，有效解决了人机共存环境下的正常运行能力。

附图说明

图1(a)为本发明结构示意图的前视图；图1(b)为本发明结构示意图的后视图；

图2为本发明的控制系统框图；

图3(a)为横穿方式，图3(b)为并行方式，图3(c)为跟随方式，图3(d)为对顶方式；

图4为本发明输入/输出变量隶属度函数图，其中，图4(a)为人机距离论域；图4(b)为物体移动线速度论域；图4(c)行为模式论域；图4(d)为机器人线速度增量。

其中，11、底盘结构，12、外壳，13、云台，14、从动轮，15、从动轮转向架，16、云台支撑架，21、超声波传感器，22，可见光摄像头，23、光学气体红外热像仪，24、灰度传感器，31、STM32F103，32、Raspberry 4B，33、主动轮(轮毂电机)，34、主动轮驱动器，41、锂电池，42、探照灯，43、蜂鸣器，44、电量显示器，45、充电口，46、尾灯，47、急停开关，48、拓展口，51、CAN通讯，52、串口通讯，53、天线，54、路由器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

根据危险化学气体检测的特种作业需求和工厂室内环境特点，针对危险化学气体检测机器人系统进行设计，主要包括检测机器人构型技术、实时危险气体信息检测技术与自主巡检方法，目的在于克服以上阐述的相关技术的不足之处，提供了一种能够在一般化室内环境完成巡逻检测、实时危险气体检测和自主巡检控制的机器人技术方案。本发明包括机器人本体和巡检方法设计。机器人机械本体采用前轮驱动的四轮底盘结构，保证机器人灵活运动。控制器分为三级分层控制，具有良好的功能拓展性和控制可靠性。传感器系统主要采用图像传感器和超声波传感器，图像传感器包括高清可见光图像摄像机和光学红外气体热像仪。气体检测方法包括图像传输和异常检测；巡检方法针对室内环境提供固定轨迹下的巡检功能，包括前进、转弯和避障算法设计，其特点主要是环境适应性强，可以根据环境特点来设计巡检路线。巡检算法简单，数据量小，运算量不高，对控制器的芯片运算性能要求不高，因此芯片成本较低。巡检方法安全性高，具有良好的防撞性能，误码率低。本发明设计的危险气体检测机器人及其巡检方法可以有效解决以上技术问题，为今后的机器人领域研究提供了一定的技术支持。

气体检测机器人系统(以下简称机器人)的机械结构主要由机器人底盘、搭载图像传感器的云台两部分组成。其中机器人底盘是整个机器人系统的移动载体和信息采集载体，包括移动车体、运动系统。底盘搭载运动控制系统、通信系统、传感器系统和电气系统等。图像传感器云台设置在机器人车体底盘后部上端，包括二自由度云台、高清可见光图像摄像机和光学气体热像仪。

机器人底盘的移动车体呈空腔状，车体的组成部分包括：车壳、底盘、云台支撑罩、两个驱动轮(轮毂电机)、两个从动轮。

机器人的运动系统采用轮式驱动的形式，两前轮为驱动轮，两后轮为从动轮，通过驱动轮的差速控制可以实现机器人底盘的前进、后退和转弯。为防止从动轮在转弯时产生的打滑，在底盘后轮处增加了被动转向机构，保证机器人的直线运动性能和转弯性能。

机器人传感器系统包括超声波传感器系统、图像传感器系统和灰度传感器系统。机器人的超声波传感器系统：采用两组超声波传感器实时获取距离信息并发送至STM32F103控制器以及系统终端，控制器进行两组数据对比和运算，为机器人巡检功能提供数据依据。

机器人的图像传感器系统：图像传感器系统包括一台高清可见光摄像头、一台光学气体红外热像仪和二自由度位姿调整云台。两个摄像头安装在云台顶部的两个套筒内部，两套筒安装了散热装置以防止套筒内温度过高影响摄像机工作。高清可见光摄像头可以清晰的传输现场情况以供安保工作人员实时把控现场环境信息。光学气体热像仪可以将危险气体可视化并精准锁定其泄露位置，具体实时方法由相应的图像处理算法完成。本发明所采用的光学红外气体热像仪为FLIR G300红外热像仪，可以检测如下气体：苯、乙醇、乙苯、庚烷、正己烷、异戊二烯、甲醇、MEK、MIBK、辛烷、戊烷、1-戊烯、甲苯、二甲苯、丁烷、乙烷、甲烷、丙烷、乙烯和丙烯。二自由度位姿调整云台可以实现水平360°无限位旋转，垂直方向转动范围-90°～+90°。

机器人的控制系统：控制系统有三块控制器和监控基站组成，分别是STM32F103控制板、Raspberry 4B和云台控制单元。STM32F103控制板实现轮毂电机控制指令发送，超声波传感器接受信号和数据处理以及接受来自Raspberry 4B的控制指令；Raspberry 4B接受来自PC的控制指令并传输给下位机STM32F103并完成热成像视频的上传；云台控制单元对云台上两个自由度的电机进行驱动和控制；PC接收并向下位机Raspberry 4B发送用户输入的指令，获取图像和机器人状态呈现在上位机软件图形界面中。机器人的监控基站：

监控基站即PC工作站，监控基站为一台个人电脑和上位机软件。PC机通过基于Qt编写的上位机软件，可以完成用户登录、无线通讯设备连接、用户控制指令输入、机器人状态获取和显示以及高清可可见光视频和红外热成像视频图像的实时监控，危险气体的异常识别状态显示。

机器人的电气系统：电气系统包括一块24V锂电池、电压转换模块和电池管理模块，锂电池为机器人系统的所有设备提供电能；电压转换模块为每个供电单元提供所需要的电压转换；电池管理模块具有感知功能和通讯功能用以读取电池状态包括电压、电流、温度等信息，通讯功能通过串口将电池状态发送给机器人系统终端。

机器人的通讯系统：通讯系统包括有线和无线两个部分。有线通讯主要集成在机器人本体内部，其中包括控制器和轮毂电机驱动器之间的CAN通讯、串口通讯(RS232,RS485)，CAN通讯可以实现速度信号、状态信号的收发等；串口通讯实现超声波传感器的数据接受、云台指令数据收发和STM32F103和Raspberry 4B之间的通讯等。无线通讯基于WiFi路由器设备，以TCP/IP协议为基础完成PC和Raspberry 4B的实时通讯。

巡检方法：本发明提供一套基于人类行为固定轨迹的巡检方法。其原则在于保证在机器人工作现场与动态障碍物(人类或其他移动设备)保持合理的安全距离范围且不发生碰撞。考虑到室内工作环境可以预知，为降低计算量和控制成本，巡检方法采用固定轨迹巡检方式即预先把移动轨迹和控制算法根据环境进行设计和制定并写进机器人运动控制程序中。机器人需要在局部工作范围内根据制定的运动算法来调节某种情况下的运动速度以避免与动态障碍物发生碰撞，从而保证巡检过程中的安全性。

具体的局部运动算法：在动态障碍物与机器人共存的局部环境中，利用超声波传感器的距离和距离变化信息来进行动态障碍物的行为分析。动态障碍物的行为根据共存环境等下的机-物相对距离、相对运动方向、相对位置和相对速度，将动态障碍物的行为分为穿越行为、相遇行为、引领行为和对抗行为。不同行为下机器人的减速方式是不同的，具体减速方式的减速规则通过模糊逻辑的方法进行制定，如(在动态障碍物的穿越行为下，若机-物相对距离为x m，机器人移动速度为y m/s，将机器人的速度增量变为z m/s),每种行为在不同相对具体和相对速度所制定的机器人速度增量可由模糊推理和清晰化计算得到，将这种方法的逻辑思想编入机器人运动控制程序中，可使巡检机器人完成高效安全的巡检任务。

实施例：

为了提高工厂防患危险气体泄露的安全排查能力，及时发现危险气体泄露情况，保障工作人员的生命财产安全，并实现工厂的安全巡检设备的自动化水平。本发明基于此目的提供了一种危险气体检测机器人系统及其巡检方法，其中机器人系统搭载可视化危险气体图像设备，以适用于室内工厂环境的巡检方式，安全高效地完成巡检任务，并有效降低安全防护装置成本。

实施例1：本发明的实施例1提供了一种危险气体检测巡检机器人系统，系统主要包括机器人机械系统、传感器系统、控制系统、电气系统和通讯系统。

机械系统包括底盘结构11、外壳12、云台13、从动轮14、从动轮转向架15、云台支撑架16。底盘11是机器人各零部件的支撑，搭载系统各个部件。机器人外壳12安装在底盘11上部，由支撑架固定，对系统硬件进行密封和保护(防水防尘)。云台13是一部二自由度云台，上部搭载两个壳体分别安装了高清可见光摄像头22和光学气体红外热像仪，云台可以实现对两个图像传感器水平360°无限位旋转，垂直方向转动范围-90°～+90°的位姿调整，以实现大范围无死角的实时监控。云台13由云台支撑架16安装在车体上部以固定和高度提高。从动系统由两个从动轮14和从动轮转向架15组成，为机器人巡检运动实现转向条件。

传感器系统包括超声波传感器21、高清可见光摄像头22、光学气体红外热像仪23、灰度传感器24。超声波传感器21为机器人自主巡检任务和避障功能提供距离数据，机器人搭载三组超声波传感器分别安装在机器人前部、左侧和右侧。高清可见光摄像头22采用海康威视出厂的DS-2ZMN3007系列，具有30倍变焦和200万像素，可实现现场环境的日夜监控和数据上传；光学红外气体热像仪23为FLIR G300红外热像仪，可以检测如下气体：苯、乙醇、乙苯、庚烷、正己烷、异戊二烯、甲醇、MEK、MIBK、辛烷、戊烷、1-戊烯、甲苯、二甲苯、丁烷、乙烷、甲烷、丙烷、乙烯和丙烯。若发生气体泄漏，气体热像仪可以实时捕捉气体状态，以光学图像的形式发现和锁定泄漏源。灰度传感器24是为机器人自主循迹的传感检测单元，通过灰度传感器反射提前铺设的黑色“道路”从而循迹运行。传感器系统共同组成了机器人硬件系统的感知层，如图2。

控制系统包括STM32F103控制器31、Raspberry 4B控制器32、主动轮(轮毂电机)33、主动轮驱动器34和PC。本控制系统可以分为三层控制。

最高层为PC，PC是人机交互的平台，用户通过PC上的上位机软件对机器人进行机器人的巡检运动控制、云台13位姿控制和一些辅助功能控制(如蜂鸣器43开关，探照灯42开关和尾灯46开关)。同时，PC中上位机软件可以实时显示监控图像和机器人状态显示，监控图像由高清实时图像和气体光学图像两个图像窗口组成，分别显示现场环境状态监控和危险气体泄露监控，监控图像由两个图像传感器实时上传。机器人状态显示主要包括电量显示、速度显示、异常状态显示等。

中间层(第二层)为Raspberry 4B，Raspberry 4B控制系统完成PC用户控制指令获取和对底层的任务下达，Raspberry 4B和PC通过无线Wi-Fi进行Socket通讯来获取控制指令和状态上传。Raspberry 4B通过485通讯与电池通信来获取电量状态；通过以太网口与两个图像传感器通讯并借助mjpg-Streamer软件实现两种类型视频的上传，再由PC上位机客户端进行图像数据获取，同时光学摄像头可以实现二自由度云台的反控来进行监控位姿调节。

底层为STM32F103控制器31，STM32F103控制器与Raspberry 4B通过USB串口通讯进行运动指令的获取和数据上传，STM32F103与主动轮驱动器通过CAN来通讯以完成轮毂电机的运动控制，通过IO口与超声波传感器和灰度传感器连接以获取巡检任务所需要的距离信息和轨迹信息。控制系统的PC和Raspberry 4B共同组成机器人硬件系统的决策层，控制系统的STM32F103控制器、相关驱动器和辅助设备组成硬件系统的执行层，如图2。

电气系统包括锂电池41、探照灯42、蜂鸣器43、电量显示器44、充电口45、尾灯46、急停开关47、拓展口48和若干电压转换模块(图中未标注)。本发明所采用的电源为两块24V的松下锂电池电芯，电池系统中设计了电池容量采集电路和电池稳压保护电路，可以获取电池容量状态和保护电源系统。探照灯41和尾灯46由继电器进行开关控制，可以照明现场环境和昏暗环境中对工作人员进行提示以防止误撞。蜂鸣器43由STM32F103电路直接控制。电量显示器44、充电口45和扩展口48封装在机器人后部，扩展口上设置了USB口、HDMI等接口以方便对控制器进行二次开发。急停开关47设置在机器人尾部，方便工作人员在现场进行急停操作。所述电压转换模块为若干24V转12V电压转换模块，为适用于12V工作条件下的元器件提供电能。

通讯系统包括CAN通讯51、串口通讯52、天线53、路由器54。CAN通讯电路封装在STM32F103控制系统中，与轮毂电机驱动器进行通讯，以控制驱动轮运动。串口通讯封装在STM32F103、Raspberry 4B和若干传感器元件中，以方便进行相关数据通讯。天线53用来释放和发射路由器产生的Wi-Fi信号；路由器54为PC和Raspberry 4B提供Socket通讯媒介。

上述系统形成了危险气体检测机器人系统，可以有效完成危险环境下的工作人员的机器人远程操作和异常状态实时监控。安全地完成室内厂区环境的检测和监控任务。除了机器人运动的人工操作，本发明提供了一种自主巡检的方法以实现24小时巡检任务。

实施例2：本发明的实施例2提供了一种适合于室内半结构化环境的机器人巡检方法。该方法可以摒弃人工干预，实现自动自主的固定轨迹下的巡查运动，同时可以有效避免与环境中出现的动态障碍物发生碰撞。此方法具有控制方法简单，计算量低，成本低等优点。

本发明所采用的巡检方考虑了人类活动之间的活动方式，很多情况下我们在运动过程中发生躲避行为是往往是采用判断动态物体的运动趋势和速度来判断自己是否应该降低自己的走路速度，并且除非在碰撞的危机状态下我们往往不会采用改变原来的行走路径。根据这种普遍情况，本发明在考虑机器人的巡检方式设计时，提前规划一条适用于当前室内环境的巡视路线，考虑到需要以一定的方式来躲避人等物体的动态障碍物来实现人机共存的状态。因此，本发明采用了灰度传感器来实现固定轨迹的巡检，摒弃激光雷达、视觉导航等昂贵且运算复杂的传感器。

本发明将机器人与人类等干涉物体的相对活动分为四种运动，在算法设计上分别对不同运动状态来制定机器人运动规则，从而采取相应的控制策略。

本发明将机器人与人类等物体的相对活动分为如下四种运动方式，由超声波传感器获得的连续时间产生的距离差和角度变换信息传递给主控制器来进行行为判断，具体相对运动方式如图3所示。图3(a)是横穿方式：干涉物体出现在机器人的前进方向，并相对机器人左或右前方位穿越而过，为了使表达更为简易，用英文字母组合代替汉字，该行为用大写字母BS表示，如图4(c)；图3(b)为并行方式：机器人与干涉物体正面相遇，两者运动方向互不影响，但相隔距离较近，有概率发生相互碰撞现象，该行为用BE表示；图3(c)为跟随方式：干涉物体出现在机器人正前方，且双方运动方向相同，但由于两者之间存在相对速度，有概率发生相互碰撞，该行为用BL表示；图3(d)为对顶方式：干涉物体出现在移动机器人正前方，且双方运动方向相反，十分容易发生碰撞现象，该行为用BF表示。

在以上行为模式下，干涉物体与机器人之间的相对速度和相对距离影响着机器人的运动策略的判断，本发明以机器人速度为标准将干涉物体相对速度分为快慢两种程度分别用VS和VF表示，具体速度的快慢程度由机器人的巡检速度v为标准，干涉物体大于机器人的巡检速度的运动速度作为VS，反之为VF。如图4(b)；将相对距离由远及近的不同程度分别用DS、DE、DN、DF表示，如图4(a)，根据本项目的机器人运动指标设定，将相对距离由远及近的不同程度进行量化，其中DS为2m，DE为1.5m，DN为1m，DF为0.5m。

综上所述，机器人在工作时与干涉物体所产生的相对运动行为方式、相对速度和相对距离这三个指标作为机器人进行下一步运动决策的参考数据，同时也是主控制器进行模糊推理和控制的输入，而控制器的输出即为机器人下一时刻的速度增量，其计算方法基于模糊推理的思想，利用(式1)的Mandani推理方法进行模糊推理和清晰化。

以巡检速度v为标准，计算得到的机器人速度增量分别为-v，-0.75v，-0.5v，-0.25v，0，用VD VZ VI VR VT表示，如图4(d)。

根据以上模糊控制的输入输出数据，本发明可以得到一套运动控制规则，共32条规则。本次列举了八条规则，如表1所示，以第一条控制规则为例，可采用if-then语句进行表达，(例如if输入为DS、VS、BS，then输出VD)。在具体实施中，干涉物体的运动行为和相对速度可以由机器人前方搭载的一组超声波传感器通过距离差数据计算获得，相对距离可由传感器直接获得，计算和推理可由Raspberry 4B完成，机器人运动速度控制由STM32F103完成。依据这样的控制规则，通过实验可以得出这种巡检方式具有效率高，稳定性强，计算量小，成本低的优点，并且适用于室内环境下的固定轨迹巡检任务。为危险气体巡检机器人提供了自动巡检有效解决方案。

表1输入/输出变量隶属度函数

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种危险气体泄露检测巡检机器人，按照设定的路线进行巡检，其特征在于，包括机械系统、传感器系统和控制系统；

所述机械系统包括底盘结构(11)、外壳(12)和云台(13)；底盘结构(11)是机器人各零部件的支撑；机器人外壳(12)安装在底盘结构(11)上部，云台(13)安装在外壳(12)的上部；所述云台(13)用于实现水平方向360°旋转和垂直方向的-90°～+90°的旋转；

所述传感器系统包括超声波传感器(21)、可见光摄像头(22)以及光学气体红外热像仪(23)所述超声波传感器(21)用于测量机器人与干涉物体之间的距离；

所述可见光摄像头(22)安装在所述云台(13)上，采用于采集现场环境的光学图像；

所述光学红外气体热像仪(23)安装在所述云台(13)上，用于获得环境的红外图像；

所述控制系统用于控制底盘结构(11)按照设定的路线进行巡检；根据超声波传感器(21)获得的机器人与干涉物体之间的距离控制机器人避障；根据所述光学红外气体热像仪(23)获得环境的红外图像对危险气体进行检测。

2.如权利要求1所述的一种危险气体泄露检测巡检机器人，其特征在于，所述传感器系统还包括灰度传感器(24)；所述灰度传感器(24)用于拍摄地面铺设的黑色的巡检路线；所述控制系统根据灰度传感器(24)拍摄的巡检路线，控制机器人沿着巡检路线进行巡检运动。

3.如权利要求1所述的一种危险气体泄露检测巡检机器人，其特征在于，所述光学红外气体热像仪(23)为FLIR G300红外热像仪。

4.如权利要求1所述的一种危险气体泄露检测巡检机器人，其特征在于，所述控制系统包括STM32F103控制器(31)、Raspberry 4B控制器以及PC；

所述PC提供人机交互的平台，用户通过PC上的上位机软件对机器人进行机器人的巡检运动控制和云台(13)的位姿控制；

所述Raspberry 4B控制器，用于完成PC用户控制指令获取和对底层的任务下达；获取可见光摄像头(22)以及光学气体红外热像仪(23)采集的图像，并上传给所述PC；

所述STM32F103控制器(31)将Raspberry 4B控制器的控制指令和对底层的任务下达到对应的设备；同时，将超声波传感器(21)采集的距离信息通过Raspberry 4B控制器上传至PC。

5.如权利要求1所述的一种危险气体泄露检测巡检机器人，其特征在于，还包括电气系统，进一步包括锂电池(41)、探照灯(42)、蜂鸣器(43)、电量显示器(44)、充电口(45)、尾灯(46)、急停开关(47)、拓展口(48)和电压转换模块。

6.一种权利要求1所述的危险气体泄露检测巡检机器人的巡检方法，其特征在于，包括如下步骤：

将干涉物体的行为模式划分为4种，并确定行为模式的论域，4中行为模式如下：

横穿方式，即干涉物体出现在机器人的前进方向，并相对机器人左或右前方位穿越而过，用BS表示；

并行方式，即机器人与干涉物体正面相遇，两者运动方向互不影响，但有发生相互碰撞的可能，该行为用BE表示；

跟随方式，即干涉物体出现在机器人正前方，且双方运动方向相同，但有发生相互碰撞的可能，该行为用BL表示；

对顶方式，干涉物体出现在移动机器人正前方，且双方运动方向相反，该行为用BF表示；

以机器人速度为标准将干涉物体相对速度分为快慢两种程度，分别用VS和VF表示，干涉物体速度大于机器人的巡检速度时，其速度为VS，反之为VF；

将干涉物体与机器人之间相对距离由远及近的不同程度分别用DS、DE、DN、DF表示；

将机器人下一时刻的速度增量从小到大，分为VD、VZ、VI、VR和VT五个等级；

将干涉物体的行为模式、干涉物体相对速度和干涉物体与机器人之间相对距离输入，将机器人下一时刻的速度增量作为输出，采用模糊控制方法，得到输入与输出之间的模糊规则；

在机器人巡检过程中，根据当前干涉物体的行为模式、干涉物体相对速度和干涉物体与机器人之间相对距离，利用上述模糊规则，得到机器人下一时刻的速度增量，控制机器人以该速度增量进行巡检。

7.如权利要求6所述的巡检方法，其特征在于，采用Mandani推理方法作为模糊控制方法，得到输入与输出之间的模糊规则。

8.如权利要求6所述的巡检方法，其特征在于，DS为2m，DE为1.5m，DN为1m，DF为0.5m。

9.如权利要求6所述的巡检方法，其特征在于，以巡检速度v为标准，计算得到的机器人速度增量分别为-v，-0.75v，-0.5v，-0.25v，分别对应作为将机器人下一时刻的速度增量的五个等级。

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