朱鳳芝

摘 要：近年來，我國工業(yè)發(fā)展水平的不斷提高，使人們?cè)絹碓街匾暪I(yè)生產(chǎn)安全，在工業(yè)生產(chǎn)中，危險(xiǎn)氣體泄漏會(huì)帶來巨大的安全隱患，如果不及時(shí)找出氣體泄漏源，勢必會(huì)引發(fā)火災(zāi)、爆炸、中毒等重大安全事故，從而給人們?cè)斐蓢?yán)重的生命威脅?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，使移動(dòng)機(jī)器人在氣體泄漏搜尋和預(yù)警中有著廣闊的發(fā)展前景，將移動(dòng)機(jī)器人用于氣體泄漏搜尋和預(yù)警中，能夠快速、準(zhǔn)確地找出氣體泄漏源，以此確保工業(yè)生產(chǎn)安全。鑒于此，該文對(duì)移動(dòng)機(jī)器人對(duì)氣體泄漏的搜尋和預(yù)警進(jìn)行深入的研究，以期能夠?yàn)槲覈I(yè)領(lǐng)域的穩(wěn)定、安全生產(chǎn)提供幫助和借鑒。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人 氣體泄漏 搜尋 預(yù)警

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）02（a）-000-02

1 移動(dòng)機(jī)器人對(duì)氣體泄漏源進(jìn)行搜尋的定位模型

1.1 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制

移動(dòng)機(jī)器人在對(duì)氣體泄漏進(jìn)行搜尋時(shí)，首先要對(duì)移動(dòng)機(jī)器人控制模型進(jìn)行深入的分析，假設(shè)其定位中心為（x0，y0），則可把目標(biāo)跟蹤定位按照以下兩個(gè)組成部分進(jìn)行劃分：移動(dòng)機(jī)器人向左或向右移動(dòng)所產(chǎn)生的距離，即ΔX；移動(dòng)機(jī)器人向前或向后移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的距離，即ΔY，其左右移動(dòng)所產(chǎn)生的距離可通過帶有攝像機(jī)的成像模型來獲得，則可得出以下關(guān)系：

在該方程中，dx代表橫向的攝像機(jī)成像像素長度，而dy則代表縱向的攝像機(jī)成像像素長度，mx、my、f均為攝像機(jī)小孔成像模型中的參數(shù)。移動(dòng)機(jī)器人向前或向后移動(dòng)所產(chǎn)生的距離在計(jì)算上則比較復(fù)雜。由于在對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行定位時(shí)，其目標(biāo)成像與實(shí)際圖像在面積比值上保持不變，因此利用定位目標(biāo)與圖像在成像上所具有的函數(shù)關(guān)系，即可計(jì)算出移動(dòng)機(jī)器人在前后移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的距離ΔZ。在此需要分別將定位目標(biāo)的成像及圖像面積定義成s1與s2，假設(shè)移動(dòng)機(jī)器人和定位目標(biāo)之間的距離是mz，則根據(jù)運(yùn)動(dòng)模型可以推斷出：

在該方程中，直角坐標(biāo)系內(nèi)定位目標(biāo)所處的位置由Yb（t）進(jìn)行表示，在上述兩個(gè)公式中，均可通過Kalman濾波來對(duì)定位目標(biāo)所處的位置進(jìn)行確定，從而獲得定位目標(biāo)在左右方向和前后方向所產(chǎn)生的距離。

1.2 嗅覺控制

移動(dòng)機(jī)器人在氣體泄漏搜尋和預(yù)警中，主要是通過主動(dòng)嗅覺來實(shí)現(xiàn)的，因此對(duì)主動(dòng)嗅覺進(jìn)行控制是非常重要的，而主動(dòng)嗅覺需要利用動(dòng)量方程與組分方程來予以確定。首先在動(dòng)量方程模型上，氣體分子泄漏會(huì)使分子在擴(kuò)散過程中始終遵循動(dòng)量守恒定律，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，對(duì)分子在向x軸、y軸與z軸方向擴(kuò)散所具有動(dòng)量方程進(jìn)行建立，可將其表述成：

在該動(dòng)量方程中，氣體分子密度由p表示，在t時(shí)間內(nèi)氣體所具有的擴(kuò)散系數(shù)由μi表示，氣體分子動(dòng)量由ui表示，氣體分子壓力由gi表示。無論是在x軸上，還是在y軸、z軸上，動(dòng)量方程模型都要滿足相應(yīng)的條件。在組分方程模型上，氣體分子在擴(kuò)散過程中同樣會(huì)遵循組分質(zhì)量守恒定律，可依據(jù)組分質(zhì)量守恒定律來構(gòu)建氣體在擴(kuò)散時(shí)的組分方程模型，即：

在該組分方程模型中，氣體各個(gè)組分所具有的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由w表示，流體擴(kuò)散系數(shù)則由Di進(jìn)行表示。

1.3 氣體泄漏源搜尋定位算法

移動(dòng)機(jī)器人對(duì)氣體泄漏搜尋和預(yù)警時(shí)，是利用氣體定位算法來進(jìn)行的，當(dāng)氣體濃度超出預(yù)警值時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人便會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警，并幫助管理人員找出氣體泄漏源，以此確保工業(yè)生產(chǎn)安全。氣體泄漏源搜尋定位算法的應(yīng)用流程如下：首先，移動(dòng)機(jī)器人會(huì)對(duì)氣體的濃度閾值進(jìn)行確定，以此判斷氣體的實(shí)際濃度是否超出閾值，如沒有超出閾值，則認(rèn)為不存在氣體泄漏源，如果氣體的實(shí)際濃度比閾值高，則移動(dòng)機(jī)器人會(huì)通過擴(kuò)展半徑來對(duì)周邊可能存在的氣體泄漏源進(jìn)行搜尋，其利用風(fēng)向傳感器來對(duì)氣體煙羽進(jìn)行檢測，直到找出相應(yīng)的氣體泄漏源為止。

2 移動(dòng)機(jī)器人對(duì)氣體泄漏搜尋和預(yù)警的實(shí)踐分析

2.1 仿真環(huán)境的構(gòu)建

為了分析移動(dòng)機(jī)器人對(duì)氣體泄漏搜尋和預(yù)警的可行性，該文采用仿真軟件來建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境。該仿真環(huán)境的相關(guān)參數(shù)具體設(shè)置如下：首先需要確定一個(gè)氣體泄漏源，該氣體泄漏源的氣體泄漏初始速度是5m/s，氣體泄漏物為甲烷，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1?？諝庠谌肟谔幍牧鲃?dòng)速度是0.5m/s，氣體泄漏源的出口直徑是0.25m，需要對(duì)氣體在開始泄漏的那一刻進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的時(shí)間步長單位是2.5s，甲烷在開始泄漏時(shí)所具有的濃度是0，氣體泄漏時(shí)，其流動(dòng)初始速度是5m/s。在移動(dòng)機(jī)器人對(duì)氣體泄漏進(jìn)行搜尋和預(yù)警時(shí)，主要是通過氣體定位算法來查找氣體泄漏源，并利用主動(dòng)嗅覺控制來確定氣體的實(shí)際濃度，以此判斷其是否達(dá)到預(yù)警值。

2.2 氣體泄漏源搜尋定位算法及嗅覺實(shí)踐結(jié)果

甲烷在泄漏源中的持續(xù)時(shí)間分別達(dá)到52.5s、105s和157.5s時(shí)，利用移動(dòng)機(jī)器人來對(duì)甲烷在空氣中的濃度進(jìn)行檢測，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體泄漏點(diǎn)的搜尋，并判斷甲烷在空氣中的實(shí)際濃度是否在規(guī)定的閾值以內(nèi)，以便于在超出閾值時(shí)能夠進(jìn)行及時(shí)的預(yù)警。通過對(duì)室內(nèi)空間中甲烷在52.5s、105s和157.5s這3個(gè)時(shí)間段內(nèi)的分布情況可以確定，移動(dòng)機(jī)器人在利用目標(biāo)成像后可準(zhǔn)確顯示出甲烷煙羽在室內(nèi)空間中的濃度變化分布情況。由此可見，通過氣體泄漏源定位模型的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體泄漏源的搜尋與定位。通過對(duì)移動(dòng)機(jī)器人在應(yīng)用主動(dòng)嗅覺算法后的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可以了解到該文所采用的模擬環(huán)境在尺寸上和以上模擬范圍具有高度的一致性。從其仿真結(jié)果可以了解到，移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)至不同位置時(shí)，需要對(duì)源碼文件中對(duì)應(yīng)位置的甲烷煙羽濃度值進(jìn)行訪問，即可檢測到甲烷在局部位置中所具有的煙羽濃度。通過該方法的應(yīng)用，便可模擬出移動(dòng)機(jī)器人的氣體煙羽濃度感知能力，從而使移動(dòng)機(jī)器人能夠在模擬環(huán)境中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測。

3 結(jié)語

總而言之，移動(dòng)機(jī)器人對(duì)氣體泄漏的搜尋和預(yù)警是通過主動(dòng)嗅覺定位技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)可對(duì)空氣中的化學(xué)氣體進(jìn)行感知，同時(shí)還能迅速確定氣體泄漏源，并根據(jù)氣體濃度及時(shí)發(fā)出預(yù)警，從而確保工業(yè)生產(chǎn)安全。雖然我國對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究仍舊處于起步階段，但其在環(huán)境監(jiān)測、倉庫安保、危險(xiǎn)物體檢測方面卻有著十分廣闊的發(fā)展前景。相信在不久的將來，隨著該技術(shù)的愈發(fā)成熟，移動(dòng)機(jī)器人對(duì)氣體泄漏的搜尋和預(yù)警這一構(gòu)想必將真正實(shí)現(xiàn)。

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