CN221121923U - 一种用于天然气泄漏远程检测的机器狗 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于天然气泄漏远程检测的机器狗，包括机器狗主体、机器狗头部、机器狗驱动机构、天然气遥测仪、红外热成像相机、RS485串口服务器、小型交换机、电源模块、载荷底板、载荷外壳、载荷导轨、Wi‑Fi模块。本实用新型结合人工智能等技术，实现远程探测天然气泄漏，实现本质安全，同时实现可视化泄漏点定位，帮助管理人员快速定位漏点，对机器狗主体和载荷进行耦合优化，提升了机器狗巡检续航能力和巡检运算能力。

Description

一种用于天然气泄漏远程检测的机器狗

技术领域

本实用新型涉及天然气泄漏检测领域，特别涉及一种应用于天然气泄漏远程检测领域的智能仿生机器领域。

背景技术

天然气作为清洁能源在社会生活和工业生产中应用非常广泛，常见于家用燃气、市政输气管线、天然气加气站、西气东输等长输管道、LNG接收站等环境。天然气主要成分是甲烷（CH４），易燃易爆，而且比空气轻、扩散快，在空气中浓度5%-15%遇火即发生爆炸。因此，天然气如果泄漏，就有可能引发火灾、爆炸事故，并可能造成严重的人员伤亡、设施破坏等后果。

目前居民小区、市政等场所通常不配备天然气泄漏检测设备，检测时需通过人工手持气体报警仪或甲烷探测仪进行泄漏巡检。天然气工业设施则采用固定式的可燃气体感报警仪检测泄漏。由于天然气易燃易爆易扩散，在达到爆炸极限时，遇到明火、火花甚至静电都可能发生爆炸。四足机器人技术快速发展，仿生机器狗具有较高的灵活性和机动性，能够在高低不平的地面、崎岖的山地、平整的楼梯、复杂的设施等环境中灵活行动。

无人机巡检是一种新发展的技术，一般将气敏探头、激光测距仪等设备搭载在无人机上，对工作目标进行监控和监测。但无人机巡检仍存在受气象条件影响大、仍需要人为操作、负载设备重量受限、电力消耗快续航时间短等不足，在实际应用中受到较大限制。

另外，现有技术无人机的工作电流强度大，无法实现危险品最高等级防爆的本质安全要求，搭载接触式天然气泄漏检测设备在可能发生泄漏处巡检时，会存在引燃泄漏出的天然气的风险。并且，现有的巡检技术在发现泄漏情况时仍无法对泄漏点进行快速、可视化的定位。

因此，针对天然气泄漏，特别是早期的微小泄漏，开发一种可以适应复杂地形、具有天然气泄漏远程检测、快速定位能力的智能设备，对于天然气安全管理和事故防范具有重大意义。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的主要目的之一，在于提供一种用于天然气泄漏远程检测的机器狗，可应用于天然气泄漏智能巡检场景，能够有效替代人工在复杂环境中对天然气泄漏进行快速、非接触式的检测。

本实用新型的主要目的之二，在于提供一种本质安全的天然气泄漏检测设备。由于机器狗运动特性和工作电流强度，现有技术无法实现隔爆型或本安型防爆，机器狗搭载接触式天然气泄漏检测设备在可能发生泄漏处巡检时，会存在引燃泄漏出的天然气的风险，本实用新型采用使用具有远距离泄漏检测能力的载荷，可有效降低机器狗在巡检过程中引燃天然气的风险。

本实用新型的主要目的之三，在于提供一种可以实现泄漏点定位的天然气检测设备。本实用新型天然气泄漏遥测设备在远程检测甲烷在空间线上的浓度累积值的同时，在发现泄漏情况时进行泄漏点的快速、可视化定位。本实用新型适特别用于具有一定压力的天然气装置远程检测和泄漏点定位等监控。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种应用于天然气泄漏远程检测的机器狗，包括机器狗主体、机器狗头部、机器狗驱动机构、天然气遥测仪、红外热成像相机、RS485串口服务器、小型交换机、电源模块、载荷底板、载荷外壳、载荷导轨、Wi-Fi模块。注：载荷指实现检测功能相关单元，即天然气遥测仪、红外热成像相机、RS485串口服务器、小型交换机、电源模块等。载荷直接或间接固定在载荷底板上，载荷底板通过载荷导轨固定在机器狗主体上方。

机器狗主体带有电池、主控板和工控机，可以为载荷提供电力和算力支持；机器狗头部装有摄像机，可拍摄机器狗前方的影像；机器狗具有4组驱动机构，共12个自由度，通过算法控制其协调配合，进而完成站立、趴卧、行走、奔跑、攀爬、跳跃等动作。上述机器狗结构和驱动技术可以采用本领域常规技术。

天然气遥测仪使用TDLAS技术（激光气体分析技术，依靠光谱原理来连续测量选定气体的微量浓度），采用甲烷激光分析器，可实时获取空间激光线上的天然气气体浓度累积数值，并通过RS485串口将数据回传，实现对天然气泄漏远程检测。

RS485串口服务器包括网络服务（TCP/UDP Server）模块，天然气遥测仪的浓度等数据通过串口回传到RS485串口服务器，RS485串口服务器按网络协议转发给接入串口服务器的客户端。

红外热成像相机可将视场内平面温度的差异可视化。有一定压力天然气发生泄漏时，在泄漏点处通常会存在温度变化。使用红外热成像相机可以在天然气遥测仪探测到泄漏的基础上，可视化地定位泄漏点。

小型交换机将RS485串口服务器、红外热成像相机和机器狗主体内的工控机相连接，通过网络协议实现数据互传。

电源模块实现对各设备供电的适配。本实用新型中，机器狗主体对载荷供电为22-25V直流电，载荷各用电设备均需12V直流电。采用DC-DC降压方案设计电源模块。可采用的降压方法有：LDO和Buck。优选地，本实用新型采用Buck方式实现电源适配，以提高电源转换效率，实现机器狗带载后更高的续航。

载荷底板实现对各单体设备的固定。优选地，本实用新型材质选用榉木木板，以减轻载荷质量。

载荷外壳实现对本检测设备的基本防护。优选地，本实用新型载荷外壳材质选用3mm厚的亚克力板，兼顾了强度、质量和观察便利度。

载荷导轨实现将载荷固定于机器狗主体上。优选地，本实用新型载荷导轨材质选用铝合金，兼顾了机械强度、导轨质量。

Wi-Fi模块采用无线通信方式将机器狗加入到局域网中，实现与远端计算机数据互相传输。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1.本实用新型中通过使用基于TDLAS技术的天然气遥测仪，使其作为机器狗主要载荷，实现了可以远程探测天然气泄漏的机器狗，弥补了机器狗无法实现最高等级防爆特性的不足，使其能够在可能发生天然气泄漏的远端进行远程巡检，实现本质安全。

2．在使用天然气遥测仪探测泄漏的基础上，利用具有一定压力天然气泄漏时的温度变化特性，本实用新型进一步集成了红外热成像相机，使其作为辅助载荷，实现了可视化泄漏点定位，能够帮助安全管理人员快速定位漏点。

3. 本实用新型载荷供电和计算均依托机器狗主体，不单独设置配置电池和运算控制单元，节约了机器狗主体上部空间，减轻了载荷整体质量，合理使用了机器狗主体内部工控机的运算能力，提升了机器狗巡检续航能力。

上述说明仅为本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本实用新型的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本实用新型的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

图1为本实用新型一种天然气泄漏远程检测机器狗的原理图。

图2为本实用新型一种天然气泄漏远程检测机器狗的载荷结构图。

图3为本实用新型一种天然气泄漏远程检测机器狗的载荷正视图。

图4为本实用新型一种天然气泄漏远程检测机器狗的载荷俯视图。

图5为本实用新型一种天然气泄漏远程检测机器狗结构图。

主要附图标记说明：

1、载荷后盖板通风口；2、小型交换机；3、RS485串口服务器；4、电源模块；5、载荷底板；6、红外热成像相机；7、载荷导轨；8、天然气遥测仪；9、设备外壳；10、外壳安装卡口；11、机器狗调试接线口；12、机器狗电源接线口；13、导轨固定孔；14、串口服务器支撑板；15、机器狗右后驱动机构；16、机器狗主体；17、机器狗右前驱动机构；18、机器狗左后驱动机构；19、机器狗头部；20、机器狗左前驱动机构。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图，进一步阐述本实用新型，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向（旋转90度或其他取向）且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。

如图1所示，一种应用于天然气泄漏远程检测的机器狗，包括机器狗主体16，机器狗头部19，机器狗驱动机构15、17、18、20，天然气遥测仪8，红外热成像相机6，RS485串口服务器3，小型交换机2，电源模块4，载荷底板5，载荷外壳9，载荷导轨7，Wi-Fi模块（附图未标号）。

如图5所示，本实用新型所述机器狗本体包括机器狗主体16，机器狗头部19，机器狗右后驱动机构15，机器狗右前驱动机构17，机器狗左后驱动机构18，机器狗左前驱动机构20；机器狗头部19通过连接件固定于机器狗主体16的前方；机器狗左前驱动机构20和机器狗右前驱动机构17分别安装与机器狗主体16前部左右两侧；机器狗左后驱动机构18和机器狗右后驱动机构15分别安装与机器狗主体16后部左右两侧；机器狗主体16内部装有电池、主控板和工控机；机器狗部件、结构和运动等可采用本领域常规技术。

本实用新型所述载荷包括天然气遥测仪8，红外热成像相机6，RS485串口服务器3，小型交换机2，电源模块4，载荷底板5，载荷外壳9。天然气遥测仪8，红外热成像相机6，RS485串口服务器3，小型交换机2和电源模块4等直接或间接固定在载荷底板上。为优化空间，可以将天然气遥测仪8、红外热成像相机6、RS485串口服务器3、小型交换机2和电源模块4等，进行空间设置的优化，如RS485串口服务器3通过支架设置在红外热成像相机6上方等。

天然气遥测仪8供电由电源模块4输出取得，供电为12V直流电；具体接线方法为天然气遥测仪8电源正极接入电源模块4输出的+12V引脚，电源负极接电源模块4“地”。

红外热成像相机6供电由电源模块4输出取得，供电为12V直流电；具体接线方法为天然气遥测仪8电源正极接入电源模块4输出的+12V引脚，电源负极接电源模块4“地”。

RS485串口服务器3供电由电源模块4输出取得，供电为12V直流电；具体接线方法为天然气遥测仪8电源正极接入电源模块4输出的+12V引脚，电源负极接电源模块4“地”。

小型交换机2供电由电源模块4输出取得，供电为12V直流电；具体接线方法为天然气遥测仪8电源正极接入电源模块4输出的+12V引脚，电源负极接电源模块4“地”。

RS485串口服务器3的以太网接口通过双绞线与主控模块小型交换机2的任意以太网接口连接，将RS485串口服务器3接入机器狗工控机所在的本地有线网络，进行天然气遥测仪浓度数据和控制命令的传输；更进一步地，通过使用“AT指令”或专用配置工具将RS485串口服务器3配置为“服务模式”，开启网络服务（TCP/UDP Server）后, RS485串口服务器3可将天然气遥测仪RS485串口回传的浓度数据按标准网络协议转发给机器狗主体内的工控机。

红外热成像相机6的以太网接口通过双绞线与主控模块小型交换机2的任意以太网接口连接，将相机接入机器狗工控机所在的本地有线网络，进行视频数据的传输。

小型交换机2具有不少于3个的以太网接口，在使用双绞线接入RS485串口服务器3和红外热成像相机6后，需再使用双绞线经由机器狗调试接线口11，将小型交换机2与机器狗主体工控机上的以太网接口相连。

电源模块4采用单电源设计，将机器狗输出的电压通过Buck开关电源模块稳定在12V；为天然气遥测仪8，红外热成像相机6，RS485串口服务器3和小型交换机2供电。

如图2所示，本实用新型载荷设计有外壳9，通过外壳安装卡口10安装于载荷底板5之上；为减轻机器狗前向运动的空气阻力，在载荷外壳9上设计有后盖板通风口1；载荷中的各单体设备使用螺栓固定于载荷底板5上。

如图4所示，载荷底板5上开有机器狗调试接线口11、机器狗电源接线口12；机器狗调试接线口11用于机器狗工控机的开发与调试，搭载本实用新型所述载荷时需在其USB接口上接入Wi-Fi模块，以实现远端计算机与机器狗的数据交互；采用XT-30连接器从机器狗电源接线口12处取得机器狗的对外供电，并接入电源模块4的输入端；通过导轨固定孔13将本实用新型所述的载荷与载荷导轨7固定；载荷导轨7再与机器狗主体16连接固定。

Wi-Fi模块采用无线方式将机器狗主体内的工控机与接入同一局域网内的远端计算机相连接，进行检测数据、控制命令和红外视频的传输。

前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于天然气泄漏远程检测的机器狗，其特征在于，包括机器狗主体、机器狗头部、机器狗驱动机构、天然气遥测仪、红外热成像相机、RS485串口服务器、小型交换机、电源模块、载荷底板、载荷外壳、载荷导轨、Wi-Fi模块；

机器狗主体带有电池、主控板和工控机，为载荷提供电力和算力支持；载荷直接或间接固定在载荷底板上，载荷底板通过载荷导轨固定在机器狗主体上方。

2.根据权利要求1所述的天然气泄漏远程检测的机器狗，其特征在于，机器狗具有4组驱动机构，共12个自由度，通过算法控制其协调配合，进而完成站立、趴卧、行走、奔跑、攀爬、跳跃动作。

3.根据权利要求1或2所述的天然气泄漏远程检测的机器狗，其特征在于，机器狗头部装有摄像机，用于拍摄机器狗前方的影像。

4.根据权利要求1所述的天然气泄漏远程检测的机器狗，其特征在于，天然气遥测仪使用TDLAS技术，采用甲烷激光分析器，用于实时获取空间激光线上的天然气气体浓度累积数值，通过RS485串口将数据回传，实现对天然气泄漏远程检测。

5.根据权利要求1所述的天然气泄漏远程检测的机器狗，其特征在于，RS485串口服务器包括开启网络服务模块，用于将天然气遥测仪的浓度数据通过串口回传到RS485串口服务器，串口回传RS485串口服务器的浓度数据按网络协议转发给接入串口服务器的客户端。

6.根据权利要求1所述的天然气泄漏远程检测的机器狗，其特征在于，红外热成像相机用于将视场内平面温度的差异可视化。

7.根据权利要求1所述的天然气泄漏远程检测的机器狗，其特征在于，小型交换机将RS485串口服务器、红外热成像相机和机器狗主体内的工控机相连接，通过网络协议实现数据互传。

8.根据权利要求1所述的天然气泄漏远程检测的机器狗，其特征在于，电源模块实现对各设备供电的适配，机器狗主体对载荷供电为22-25V直流电，载荷各用电设备均需12V直流电。

9.根据权利要求1所述的天然气泄漏远程检测的机器狗，其特征在于，Wi-Fi模块采用无线通信方式将机器狗加入到局域网中，实现与远端计算机数据互相传输。

10.根据权利要求1所述的天然气泄漏远程检测的机器狗，其特征在于，RS485串口服务器采用以太网接口通过双绞线与主控模块小型交换机的以太网接口连接，将RS485串口服务器接入机器狗工控机所在的本地有线网络，进行天然气遥测仪浓度数据和控制命令的传输；

使用“AT指令”或专用配置工具将RS485串口服务器配置为“服务模式”，开启网络服务，RS485串口服务器将天然气遥测仪RS485串口回传的浓度数据按标准网络协议转发给机器狗主体内的工控机；

红外热成像相机采用以太网接口通过双绞线与主控模块小型交换机的以太网接口连接，将相机接入机器狗工控机所在的本地有线网络，进行视频数据的传输；

小型交换机具有不少于3个的以太网接口，在使用双绞线接入RS485串口服务器和红外热成像相机，再使用双绞线经由机器狗调试接线口，将小型交换机与机器狗主体工控机上的以太网接口相连。