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)境保護問題的日益關(guān)注，作為國民經(jīng)濟的支柱產(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、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)地面機器人其傳感器自由度較低，探測范圍和角度有限，而無人機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，獨立的機器人或無人機，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)地面機器人或無人機進行巡檢，難以進行全面徹底的檢測，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。一般的巡檢機器人或無人機，由于需要使用大功率電機、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：

地面巡檢機器人(1)，用于根據(jù)指令或自主巡航，通過地面運動，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(2)，用于根據(jù)指令或自主巡航，通過空中運動，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器人(1)和空中巡檢無人機(2)的運動方向和速度，顯示、存儲地面巡檢機器人(1)和空中巡檢無人機(2)的運動軌跡和采集到的信息；

所述地面巡檢機器人(1)和空中巡檢無人機(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，地面巡檢機器人(1)和空中巡檢無人機(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)點為：

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

2、準(zhǔn)確度高：本發(fā)明采用地面機器人與空中無人機協(xié)同巡檢，擴展了巡檢范圍，解決了單一機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：地面巡檢機器人及空中巡檢無人機均采用防爆隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計，電機、電機驅(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)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細(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中空中巡檢無人機的結(jié)構(gòu)框圖。

圖4為圖1中地面巡檢機器人的結(jié)構(gòu)框圖。

圖中，地面巡檢機器人1，空中巡檢無人機2，遠(yuǎn)端操控臺3，

機器人本體101，機器人主控單元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，左右電機驅(qū)動控制模塊108，左右電機及編碼器109，可升降云臺111，

無人機本體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35。

具體實施方式

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：

地面巡檢機器人1，用于根據(jù)指令或自主巡航，通過地面運動，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2，用于根據(jù)指令或自主巡航，通過空中運動，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器人1和空中巡檢無人機2的運動方向和速度，顯示、存儲地面巡檢機器人1和空中巡檢無人機2的運動軌跡和采集到的信息；

所述地面巡檢機器人1和空中巡檢無人機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，地面巡檢機器人1和空中巡檢無人機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)巡檢計劃定期定點巡查。巡查過程中，能進行實時視頻傳輸，對傳輸視頻實時智能分析，并通過分析儀采集數(shù)據(jù)，進行故障分析報警等。

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35；

所述嵌入式計算機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器人1和空中巡檢無人機2的運動軌跡、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器人1和空中巡檢無人機2的運動速度、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、定點環(huán)境參數(shù)采集及地面巡檢機器人1和空中巡檢無人機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與地面巡檢機器人1和空中巡檢無人機2之間的數(shù)據(jù)交換；

所述嵌入式計算機35，用于保存、處理、查詢來自地面巡檢機器人1和空中巡檢無人機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2包括無人機本體21及固定于無人機本體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；

所述無人機本體21為六旋翼無人機，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、磁強計、氣壓計、光流傳感器、GPS接收機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)無人機本體21的姿態(tài)信息和軌跡信息，通過調(diào)整無人機本體21六個電機的轉(zhuǎn)速，控制無人機本體21的飛行姿態(tài)和軌跡；

所述無線通信單元25，用于實現(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為兩個獨立模塊，分別與遠(yuǎn)端操作臺3和地面巡檢機器人1進行通信。

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選擇六旋翼無人機作為巡檢機器人主體，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、磁強計、氣壓計、光流傳感器、GPS接收機、超聲波測距傳感器，而陀螺儀、加速度計、磁強計通過擴展卡爾曼濾波實現(xiàn)對無人機姿態(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)無人機的姿態(tài)信息和軌跡信息控制六個電機的轉(zhuǎn)速，考慮到巡檢無人機系統(tǒng)的工作場所，所有電機設(shè)計時選擇本質(zhì)防爆的直流無刷電機，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，外殼角點處安裝減震緩存橡膠，以防止無人機意外墜落時對設(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，所述地面巡檢機器人1包括機器人本體101及固定設(shè)置在機器人本體101上的機器人主控單元102、無線數(shù)傳模塊103、GPS位置傳感器107、左右電機驅(qū)動控制模塊108、左右電機及編碼器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總線與左右電機驅(qū)動控制模塊108相連，所述機器人主控單元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，所述左右電機及編碼器109通過數(shù)據(jù)線與左右電機驅(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，用于感知機器人當(dāng)前位置信息，并將其傳送給機器人主控單元102；

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

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

電機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發(fā)送PWM波控制電機轉(zhuǎn)動。-

所述左右電機及編碼器109采用無刷直流電機。

所述地面巡檢機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，然后向電機控制器發(fā)出控制指令，使機器人能夠按照預(yù)先設(shè)定的路線運動，運動的同時將視頻采集到的信息和環(huán)境參數(shù)通過數(shù)傳電臺傳送給機器人遠(yuǎn)端操作平臺。

所述地面巡檢機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)傳模塊主要用于機器人和遠(yuǎn)端操作平臺之間的數(shù)據(jù)交換，根據(jù)機器人的工作環(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器人當(dāng)前位置信息，并將其傳送給機器人主控單元；左右電機驅(qū)動控制模塊、左右電機及編碼器和減速裝置主要用于接收來自于機器人主控單元的控制指令并使電機根據(jù)指令旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動機器人運動。其中左、右側(cè)電機驅(qū)動控制模塊：主要通過CAN通信接口接收來自機器人主控單元的控制指令，并根據(jù)來自于電機編碼器的反饋信息和控制算法，產(chǎn)生相應(yīng)電機控制輸出，實現(xiàn)對電機的速度控制。左、右側(cè)電機(含左、右側(cè)電機減速箱和傳感器)：主要接收來自電機驅(qū)動控制模塊的控制輸出，使電機旋轉(zhuǎn)，并將利用傳感器得到的速度反饋信號反饋給相應(yīng)的電機驅(qū)動控制模塊。

設(shè)計中，考慮到地面巡檢機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，機器人驅(qū)動電機將選用具有本質(zhì)防爆特征的無刷直流電機，電機驅(qū)動器與控制計算機等電子器件將選用具有防爆特征的器件，或進行防爆處理。從機械結(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，控制計算機等部件的布局，確保機器人本體達到AQ3009—2007電氣設(shè)備防爆規(guī)范。

從穩(wěn)定性方面來說，主要指機器人在斜坡上能夠抗翻、抗滑的靜態(tài)穩(wěn)定性以及機器人在復(fù)雜環(huán)境下(例如爬坡、越障等)的動態(tài)穩(wěn)定性。降低機器人的重心、增大機器人兩輪之間的軸向距離，以增加機器人的平穩(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器人能夠安全準(zhǔn)確的沿著給定路徑運動。