一种防爆巡检机器人的制作方法

本发明涉及智能机器人领域，特别涉及一种防爆巡检机器人。

背景技术：

在石油天然气生产行业，防爆是油田安全生产的首要工作。油气生产单位主要设备，如管道和各种电气设备等大多处于爆炸气体危险环境，一旦出现异常情况（如局部温度升高、产生电火花等）未能及时发现并妥善处理，就容易发生爆炸事故。

为了加强安全管理，要求工作人员定期进行巡视检查，而人工巡检具有劳动强度大、效率低、巡视有效性差等缺陷。

如公开号为CN107160359A的中国专利，公开了一种防爆轮式巡检机器人，它主要应用于Ⅱ类爆炸环境中，可通过铺设磁轨，使机器人实现前进、后退、转向、掉头等动作。在特定位置，通过机器视觉分析被测物状态，自动读取数据、超限报警，可有效提升输油场站本质安全管理水平。

其缺陷是，机器人需要通过磁轨运行，没有轨道的地方就无法运行；另外说明书只介绍了一些机器人的外部结构，对于如何巡检及其软硬件结构并没有详细的说明。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中所存在的人工巡检劳动强度大、效率低等缺点，而提供一种设计合理的防爆巡检机器人，能够及时有效的发现设备缺陷，及时处理，提高巡视效率。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种防爆巡检机器人，包括防爆外壳、安装在防爆外壳顶部的云台、以及安装在防爆外壳底部的车轮，其特征在于：所述的云台上设置有：高清摄像头，用于采集巡检机器人周围的视频信息；红外热像仪，用于采集巡检机器人周围温度信息。所述的防爆外壳上设置有：超声避障装置，通过超声波采集障碍物的距离和方向，并作出判断避开障碍物；

激光雷达装置，用于自主定位导航。所述的防爆外壳内设有：控制器，用于控制上述用电设备；电池，用于给上述用电设备供电。它还包括控制终端，用于远程操作控制器；无线通讯模块，用于控制终端和控制器之间的通讯。

通过上述技术方案， 通过红外热成像和高清视频结合，可以精确识别电站内各类仪表的读书，判断是否正常，同时又可以判断是否有设备电流与电压致热的现象，以便及时发现设备缺陷，及时处理；机器人可以实现24小时不间断巡检，精密度更高，取代人工，提高巡视效率。

在机器人行进过程中，超声避障装置通过不断地发射超声波来采集障碍物的距离和方向，并作出判断避开障碍物。激光雷达装置，用于自主定位导航，可以得到精准的三维立体图像，配合高清摄像头和红外热像仪进行采集工作。超声避障装置和激光雷达装置的设计可以使机器人行进更加自如，无需沿特定的轨道运行，更适用于复杂的工作环境。

控制器具有数据采集、控制运算和通讯处理等功能，控制机器人运行的全过程并把相应的数据传送到控制终端。

控制终端可以是远程的机房总机系统，也可以是工作人员手中的遥控器，都可以配合控制器对机器人发出遥控指令。

优选的，所述的红外热像仪包括红外镜头、红外探测模块、信号处理模块、显示模块和数据处理模块。

红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像，热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。可以用来探测电气设备的不良接触，以及过热的部件，以免引起严重短路和火灾。

通过上述技术方案，红外镜头通过红外线接收和汇聚被测物体发射的红外辐射，红外探测模块用于将热辐射信号变成电信号，信号处理模块对电信号进行处理，显示模块将电信号转变成可见光图像，数据处理模块将采集到的温度数据转换成温度读数和图像。控制器通过红外热像仪采集的温度数据与正常值比较，以判断设备运行是否正常。

优选的，所述的超声避障装置包括超声波发生器、超声波传感器、控制模块、数据处理模块。

通过上述技术方案，超声波发生器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生超声频电压加到超声波传感器上时，超声波传感器把超声波电磁振荡的能量转换为声波。

控制模块通过发送一定频率的脉冲信号，激励超声波发生器和超声波传感器产生超声波，超声波到达障碍物表面，形成反射波，反射波再返回到超声波传感器，控制模块测出超声波传感器从发射声波到接收所需的时间，再根据超声波在空气中的传播速度计算障碍物的距离，s=1/2ct，式中，S为物体距离超声波测距仪的距离；c为超声波在空气中的传播速度；t为超声波从发射至接收的时间间隔。数据处理模块把计算的距离发送给控制器，由控制器控制机器人进行避障。

优选的，所述的激光雷达装置中设有磁导航模块。

通过上述技术方案，激光雷达的工作原理与雷达非常相近，以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到目标物上，引起散射，一部分光波会反射到激光雷达的接收器上，根据激光测距原理计算，就得到从激光雷达到目标点的距离，脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。

磁导航模块是通过检测电磁信号来判断路径形状如直道、弯道、十字路口等，并进行相应的动作如拐弯、加速、减速等。可以在机器人的行进路线上通交变电流产生磁场，磁导航模块来采集磁场信号并将之转化为电信号，然后将电信号传送给控制器，经过分析、处理后，实现机器人位置的判别，并控制车轮采取相应的动作。配合激光雷达测得的三维立体图形，实现机器人的自动行驶。

优选的，所述防爆外壳的下端设有防跌落监测模块，防跌落监测模块位于车轮的前方；防跌落监测模块包括超声波传感器、信号处理模块和数据处理模块。

通过上述技术方案，超声波传感器用于检测防跌落监测模块到地面的距离，如果防跌落监测模块到地面的距离大于防跌落监测模块到车轮底部的距离，说明前方的地面下陷，则数据处理模块将数据发送至控制器，控制器控制机器人急停或转向。当然这个距离的差值可以预先设定，大于一定的差值才会触发控制器进行控制，如果是略微的地面不平则不会触发控制器。

优选的，所述的防爆外壳表面设有充电接口，充电接口与电池电连接。

通过上述技术方案，电池采用可充电的高性能电池，可以保证机器人长时间工作，充电接口便于电池充电，无需拆开防爆外壳取出电池。

优选的，所述的防爆外壳上还设有机械臂，机械臂与控制器电连接。

通过上述技术方案，机械臂可以进行一些简单的维修操作。在一些危险环境，如环境中可燃气体含量较大的环境，人工维修有一定的危险性，通过机器人直接维修可以避免这一情况。可以通过机器人先进行初步维修，控制住危害的产生，后续再用人工维修。

优选的，本发明的软件系统管理包括数据中心、软件设计模块、软件实施模块、操作接口。

通过上述技术方案，软件设计模块和软件实施模块对各用电设备的软件程序进行设计和实施，操作接口用于工程师接入从而进行调度和监控，数据中心用于储存软件产生的所有数据。

综上所述，本发明具有以下有益效果：通过红外热成像和高清视频结合，可以精确识别电站内各类仪表的读书，判断是否正常，同时又可以判断是否有设备电流与电压致热的现象，以便及时发现设备缺陷，及时处理；机器人可以实现24小时不间断巡检，精密度更高，取代人工，提高巡视效率；超声避障装置，可以通过超声波采集障碍物的距离和方向，并作出判断避开障碍物；激光雷达装置，可以用于自主定位导航。

附图说明

图1为实施例1中防爆巡检机器人的结构示意图。

图2为实施例1中红外热像仪的架构图。

图3为实施例2中超声避障装置的架构图。

图4为实施例4中防跌落监测模块的架构图。

图5为实施例6中软件系统的架构图。

具体实施方式

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

实施例1：

参见图1，本实施例包括防爆外壳1、安装在防爆外壳1底部的车轮2、以及安装在防爆外壳1顶部的云台3，云台3上设置有高清摄像头4和红外热像仪5，云台3可以自由调节方向，从而控制高清摄像头4和红外热像仪5的视频采集方位。

所述的高清摄像头4用于采集巡检机器人周围的视频信息，可以精确识别电站内各类仪表的读书，判断是否正常。

所述的红外热像仪5用于采集巡检机器人周围温度信息，通过红外热成像可以判断是否有设备电流与电压致热的现象，以便及时发现设备缺陷，及时处理。

机器人可以实现24小时不间断巡检，精密度更高，可以取代人工，提高巡视效率。

红外热像仪5就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像，热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。可以用来探测电气设备的不良接触，以及过热的部件，以免引起严重短路和火灾。

如图2所示，红外热像仪5包括红外镜头、红外探测模块、信号处理模块、显示模块和数据处理模块。红外镜头通过红外线接收和汇聚被测物体发射的红外辐射，红外探测模块用于将热辐射信号变成电信号，信号处理模块对电信号进行处理，显示模块将电信号转变成可见光图像，数据处理模块将采集到的温度数据转换成温度读数和图像。控制器通过红外热像仪5采集的温度数据与正常值比较，以判断设备运行是否正常。

同时，红外热像仪5也可用于检测火灾。很多地方，火灾都是由不明显的隐火引发的，用现有的普通方法，很难发现这种隐性火灾苗头，从而很难预防火灾。通过巡检机器人的巡逻，采用红外热像仪5就根据温度的不同准确判定这些隐火的地点和范围，做到早知道早预防，早扑灭。

所述的防爆外壳1上设置有超声避障装置6和激光雷达装置7，超声避障装置6通过超声波采集障碍物的距离和方向，并作出判断避开障碍物。激光雷达装置7用于自主定位导航。

所述的防爆外壳1内设有控制器和电池8，控制器用于控制上述用电设备；电池8用于给上述用电设备供电。

所述的巡检机器人还包括控制终端和无线通讯模块9，控制终端用于远程操作控制器；无线通讯模块9用于控制终端和控制器之间的通讯。

控制器具有数据采集（模拟、数字、音频、视频等）、控制运算和通讯处理等功能，控制机器人运行的全过程并把相应的数据传送到控制终端。基于优先级的多任务调度，支持循环任务、周期任务和事件任务。提供IEC61131-3标准功能块以及常用功能块库。离线、在线组态更新。内建工业以太网交换接口、RS485和RS232通信接口、蓝牙和USB通讯接口。直流或交流供电方式。

防爆外壳1表面设有充电接口10，充电接口10与电池8电连接。

电池8采用可充电的高性能电池8，可以保证机器人长时间工作，充电接口10便于电池8充电，无需拆开防爆外壳1取出电池8。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处在于防爆外壳1上设置有超声避障装置6，通过超声波采集障碍物的距离和方向，并作出判断避开障碍物。

如图3所示，所述的超声避障装置6包括超声波发生器、超声波传感器、控制模块、数据处理模块。

超声波发生器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生超声频电压加到超声波传感器上时，超声波传感器把超声波电磁振荡的能量转换为声波。

控制模块通过发送一定频率的脉冲信号，激励超声波发生器和超声波传感器产生超声波，超声波到达障碍物表面，形成反射波，反射波再返回到超声波传感器，控制模块测出超声波传感器从发射声波到接收所需的时间，再根据超声波在空气中的传播速度计算障碍物的距离，s=1/2ct，式中，S为物体距离超声波测距仪的距离；c为超声波在空气中的传播速度；t为超声波从发射至接收的时间间隔。数据处理模块把计算的距离发送给控制器，由控制器控制机器人进行避障。

实施例3：

本实施例与实施例2的不同之处在于防爆外壳1上还设置有激光雷达装置7，用于自主定位导航。

激光雷达装置7中配合设有磁导航模块。

激光雷达的工作原理与雷达非常相近，以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到目标物上，引起散射，一部分光波会反射到激光雷达的接收器上，根据激光测距原理计算，就得到从激光雷达到目标点的距离，脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。

磁导航模块是通过检测电磁信号来判断路径形状如直道、弯道、十字路口等，并进行相应的动作如拐弯、加速、减速等。可以在机器人的行进路线上通交变电流产生磁场，磁导航模块来采集磁场信号并将之转化为电信号，然后将电信号传送给控制器，经过分析、处理后，实现机器人位置的判别，并控制车轮2采取相应的动作。配合激光雷达测得的三维立体图形，实现机器人的自动行驶。

实施例4：

本实施例与实施例3的不同之处在于防爆外壳1的下端设有防跌落监测模块11，防跌落监测模块11位于车轮2的前方；防跌落监测模块11包括超声波传感器、信号处理模块和数据处理模块。

超声波传感器用于检测防跌落监测模块11到地面的距离，如果防跌落监测模块11到地面的距离大于防跌落监测模块11到车轮2底部的距离，说明前方的地面下陷，则数据处理模块将数据发送至控制器，控制器控制机器人急停或转向。当然这个距离的差值可以预先设定，大于一定的差值才会触发控制器进行控制，如果是略微的地面不平则不会触发控制器。

实施例5：

本实施例与实施例4的不同之处在于防爆外壳1上还设有机械臂，机械臂案子在防爆外壳1的两侧，机械臂与控制器电连接。

机械臂可以进行一些简单的维修操作。在一些危险环境，如环境中可燃气体含量较大的环境，人工维修有一定的危险性，通过机器人直接维修可以避免这一情况。可以通过机器人先进行初步维修，控制住危害的产生，后续再用人工维修。

实施例6：

本实施例与实施例4的不同之处在于本发明的软件系统管理包括数据中心、软件设计模块、软件实施模块、操作接口。

软件设计模块和软件实施模块对各用电设备的软件程序进行设计和实施，操作接口用于工程师接入从而进行调度和监控，数据中心用于储存软件产生的所有数据。

本实施例中，可以有以下软件进行辅助：

组态软件：符合IEC61131-3国际标准，可选择LD、FBD、SFC、ST四种类型语言。可高效完成硬件组态、位号组态、控制方案组态、功能块和用户任务组态。依托结构化的数据封装技术，各软件组件相互协调，共同构成一个全面支持系统结构及功能组态的软件平台。

OPC服务器软件：OPC服务器软件将控制系统的实时数据通过OPC服务进行发布。各种HMI/SCADA软件可以通过OPC客户端，实用OPC服务器提供的OPC服务，以安全、可靠、高效地方式获取所有系统的数据。

云端服务器软件：基于虚拟化技术，提供可部署与私有云和公有云的云端服务器软件。在组态软件提供向导式帮助下，实现控制系统相关的数据，与云端的互联互通。支持对模拟量、开关量、通讯量的实时管理，支持对音频、视频数据的历史管理。通过通讯接口，可实现与常规的主流数据库的互联互通，实现数据定制化。

APP软件：提供面向系统运维的系统维护APP软件和面向项目的定制化APP软件。系统运维APP软件，可安全可靠的访问到控制系统，自信设备管理、设备维护和设备诊断。通过系统SDK开发包软件，完全自主化的对数据进行全面展示、操作、维护。可通过就地的蓝牙通讯连接系统，也可通过云端互通连接系统。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，只要其相关结构未说明具体形状和尺寸的，则该结构可以为与其相适应的任何形状和尺寸；同时，结构所取的名称也可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。