一种环境探测装置及方法

文档序号:25036630发布日期:2021-05-11 17:09阅读:97来源:国知局
一种环境探测装置及方法

本发明涉及环境探测技术领域,特别是涉及一种环境探测装置及方法。



背景技术:

储舱、管道、矿井巷道、建筑孔桩、房屋烟道等空间狭小,气体不流通的密闭空间内易出现火灾、塌方、窒息、气体中毒、爆炸等事故,当作业人员不便进入,危险系数高时,一款可以在操作人员指挥下前往一线进行探测的智能无线探测机器人就显得十分重要。机器人将得到的环境危险源、图像、声音等相关数据反馈给操作端,在手机app中对这些数据进行智能分析并提前做出预警。最后展现在手机屏幕上,这样可以帮助密闭空间外的作业人员提前对未知环境进行摸排和预警。

在密闭空间的危险源探测方面,国内外的相关检测设备大多都选择了手持或头戴的佩戴方式,因其成本低、使用简单而得到广泛使用,但是这些检测设备在实际应用过程中需要工作人员佩戴进入未知环境,危险和不确定因素过多且只能起到检测的效果,智能化程度低,对环境危险源的探测并不直观。而中国在灾害机器人领域的研发尚处在启蒙期,现有的几款机器人也存在体积大,造价高等特点,并不适合密闭空间这种空间狭小的环境。



技术实现要素:

基于此,本发明的目的是提供一种环境探测装置,提高了环境探测装置的轻便性和安全性。

为实现上述目的,本发明提供了如下方案:

一种环境探测装置,包括:运动单元、探测单元和控制单元,所述运动单元与所述探测单元与均所述控制单元电连接;所述运动单元包括履带式底盘、红外避障模块、超声测距模块和红外热成像模块;所述控制单元根据所述红外避障模块、所述超声测距模块和所述红外热成像模块检测的信息控制所述履带式底盘运动;所述探测单元用于将探测的环境数据发送到所述控制单元。

可选地,所述履带式底盘为可旋转270°的摆臂履带式底盘。

可选地,所述红外热成像模块包括红外热成像传感器和云台,所述红外热成像传感器设置在所述云台上,所述云台用于旋转所述红外热成像传感器。

可选地,所述探测单元包括环境危险源探测模块;

所述环境危险源探测模块包括封闭气室和气室口;通过所述气室口将环境气体吸入所述封闭气室,所述封闭气室内设置有电化学浓度传感器的和温湿度传感器。

可选地,所述电化学浓度传感器包括co2浓度传感器、有毒气体浓度传感器、可燃气体浓度传感器和助燃剂浓度传感器。

可选地,所述探测单元还包括拾音器模块、烟密度探测器、压力检测器、气体流速检测器及视频探测器。

可选地,所述控制单元包括供电模块、单片机模块和数据传输模块;所述单片机模块分别与所述供电模块和所述数据传输模块连接。

可选地,还包括移动应用程序,所述单片机模块通过所述数据传输模块与所述移动应用程序通信连接。

可选地,所述移动应用程序包括:

系统设置模块,用于参数设置并将设置的参数发送到所述单片机模块;

数据分析模块,用于接收所述单片机模块发送的数据并进行数据分析;

数据显示模块,用于接收所述数据分析模块的数据并显示。

本发明还公开了一种环境探测方法,所述方法应用于所述环境探测装置,所述方法包括:

通过红外热成像模块获得待探测区域的图像或视频信息;

根据所述图像或视频信息判断是否有灾害;

若是,则通过所述图像或视频信息获取灾害类型;

若否,则通过探测单元获取待探测区域的温度;

根据所述待探测区域的温度判断所述待探测区域是否存在热源;

若不存在热源,判断无火灾;

若存在热源,则通过红外热成像模块获得所述待探测区域的温度场;

根据所述温度场判断是否有火情;

若否,判断无火灾;

若是,根据所述温度场获取火源位置和火灾范围;

通过探测单元获得各设定种类气体的浓度;

根据各设定种类气体的浓度获取灾害的发展情况。

根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:

本发明公开了一种环境探测装置,所述控制单元根据所述红外避障模块、所述超声测距模块和所述红外热成像模块检测的信息控制所述履带式底盘运动;所述探测单元探测用于将探测的环境数据发送到所述控制单元,提高了环境探测装置的轻便性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种环境探测装置侧视图;

图2为本发明一种环境探测装置俯视图;

图3为本发明一种环境探测装置中各单元关系示意图;

图4为本发明移动应用程序工作流程图;

图5为本发明一种环境探测方法流程图;

图中标记说明:

1-履带式底盘,2-气室口,3-云台,4-拾音器模块,5-封闭气室,6-气体浓度传感器,7-红外避障传感器,8-蓝牙传输模块,9-温湿度传感器,10-超声测距模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种环境探测装置,提高了环境探测装置的轻便性和安全性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示一种环境探测装置包括:运动单元101、探测单元103和控制单元102,所述运动单元101与所述探测单元103均与所述控制单元102电连接;所述运动单元101包括履带式底盘1、红外避障模块、超声测距模块10和红外热成像模块;所述控制单元102根据所述红外避障模块、所述超声测距模块10和所述红外热成像模块检测的信息控制所述履带式底盘1运动;所述探测单元103探测用于将探测的环境数据发送到所述控制单元102。

所述履带式底盘1为可旋转270°的摆臂履带式底盘1。摆臂履带式底盘1具有通过性强(最大爬坡角度达35°)、转弯半径小(实现原地旋转)、越障高度大(100mm)和跨沟深度(160mm)大的特点,可适应各种未知复杂环境。红外避障模块由前侧、左侧、右侧三个红外避障传感器7组成,无论在哪个红外避障传感器7检测到有障碍,此红外避障传感器7所在方向的遥控转向键失灵,装置远离障碍后,此前失灵的转向键自动恢复。超声测距模块10由前方和上方装载的两个超声测距传感器组成,可对周围5m之内的地形环境进行探测,当测距值逐渐缩小时需要及时调整运动方位。

所述红外热成像模块包括红外热成像传感器和云台3,所述红外热成像传感器设置在所述云台3上,所述云台3用于旋转所述红外热成像传感器的。红外热成像模块还包括显示器。云台3可实现360°旋转,对四周环境进行红外扫描寻找高温热源。在视线不佳的工作环境,红外成像模块可代替摄像头对于前方路况进行探测显示。

所述探测单元103包括环境危险源探测模块;

所述环境危险源探测模块包括封闭气室5和气室口2;通过所述气室口2将环境气体吸入所述封闭气室5,所述封闭气室5内设置有电化学浓度传感器的和温湿度传感器9。

所述电化学浓度传感器6包括co2浓度传感器、有毒气体浓度传感器、可燃气体浓度传感器和助燃剂浓度传感器。有毒气体包括co和h2s,可燃气体包括c2h4和ch4,助燃剂包括o2。

所述探测单元103还包括拾音器模块4、压力检测器和气体流速检测器。

对环境危险源探测模块供电后气泵和各个传感器启动,监测开始。第一步通过视频拍摄和图像识别技术直接判断封闭空间内的典型灾害类型,如综合管廊内的燃气泄漏火灾和电缆火灾、矿井内的煤火和木垛火灾、输油管网内的液体火灾等,如果无法通过视频成像直接获取灾害事故,则通过以下步骤依次展开探测和分析。第二步通过温度传感器测温以掌握封闭空间内是否存在放热源,若温度高于所在封闭空间的日常温度(通常40℃以下),则应引起警惕;若温度高于60℃(人体承受的临界温度),则不允许工作人员进入。进一步通过红外热成像捕捉封闭空间内的温度场,锁定高温热源,判断是否有火情以及火源位置和火灾规模。第三步通过电化学传感器监测到的各类气体浓度大小及变化判断灾情发展规律,如在矿井内根据co浓度、c2h2浓度、c2h4浓度、co/δo2浓度比值、c2h6/ch4浓度比值随时间的变化规律确定煤自燃的发展阶段;在封闭空间内根据o2浓度粗略计算燃料消耗量及已经产生的总燃烧热;根据co/co2浓度比值判断燃烧属于燃料控制型还是通风控制型,为后续采取防控措施提供理论依据。第四步通过电化学传感器监测到的各类气体浓度大小分析爆炸性风险,如当封闭空间内co浓度达到或接近12.5%~74%、ch4浓度达到或接近12.5%~74%、c2h4浓度达到或接近2.7%~36%,环境探测装置通过移动应用程序给予及时、持续报警直至爆炸性气体浓度降至安全值以下。第五步通过电化学传感器监测到的各类气体浓度大小进行窒息性及毒性风险分析,如通过监测密闭空间内的o2浓度判断可能出现的窒息事故、通过监测co、h2s等毒性气体浓度判断可能出现的中毒事故,并根据浓度范围划分危险等级,以提醒用户规避风险,如h2s气体浓度高于100ppm时为高度危险,浓度在20-100ppm之间时为危险,浓度在6.6-20ppm之间时为中度危险,浓度小于6.6ppm时无危险。此外,拾音器模块4对在密闭空间进行声音采集,并通过调频信号发送至接收端,实现实时声音采集。同时,探测单元103还配有烟密度探测器、压力探测器和气体流速探测器,可以对密闭空间内的烟气浓度、环境压力和气流速度进行监测。

所述控制单元102包括供电模块、单片机模块和数据传输模块。所述单片机模块分别与所述供电模块和所述数据传输模块连接。

所述供电单元为所述单片机模块、所述数据传输模块、所述运动单元和所述探测单元提供电源。

所述数据传输模包括蓝牙传输模块8。

该环境探测装置还包括移动应用程序104,所述单片机模块通过所述数据传输模块与所述移动应用程序104通信连接。

所述移动应用程序104包括系统设置模块、数据显示模块和数据分析模块。

系统设置模块,用于参数设置并将设置的参数发送到所述单片机模块。

数据分析模块,用于接收所述单片机模块发送的数据并进行数据分析。

数据显示模块,用于接收所述数据分析模块的数据并显示。

供电模块既要实现对运动单元101的供电,同时应满足对各探测设备的供电。单片机模块采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器cpu、随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上。单片机模块不仅存储了所有的监测数据,还可根据需求在存储端对监测数据进行提前分析和运算,确定灾害风险。此外,该智能探测机器人(环境探测装置)的移动也受到单片机模块的指挥控制。数据传输模块利用蓝牙技术、选用v4.2型串口透传蓝牙与单片机连接,将串口接收到的原始或分析数据实时发送至手机app(移动应用程序104)。

系统设置模块的参数设置分为预参数设置和预警设置两类。在系统使用之初,需要对即将测量的密闭空间进行预参数设置,首先要对密闭空间的现场情况进行评估和分类,还要对空间内的危险品的危害程度进行预估。预警设置需要对系统预警值进行设置,根据危险程度分为红橙黄蓝四级预警。预警机制主要分为两类,第一类是阈值预警,即达到某个特定值后,触发系统内的预警机制,第二类是危险源系数变化过快而触发的提前预警,采用这种双重预警机制可以使预警更加有效。

移动应用程序104将蓝牙传输来的数据进行实时呈现,数据显示后会在历史数据中留存,对不同密闭空间灾害建立数据库,收集、存储、检索大量与密闭空间灾害过程相关的数据信息。

移动应用程序104对密闭空间的视频图像、有毒气体、氧气浓度、可燃气体浓度、烟雾浓度、空间温度、可操作空间、以及输入输出空间物质等可能引发事故的危险源数据进行统计,运用矩阵比较法分析出其严重程度,做好对灾害的预测分级,根据探测器传输的数据进行对照,对事故现场的危险程度进行系数化,提高了非专业人员对于灾害现场的风险可识别度。

此外,移动应用程序104还利用依据安全学原理,基于情景分析、动态贝叶斯网络等技术方法,对危险源、隐患乃至事故原因进行判断,对于不同灾变场景分别进行理论建模与数学建模,对各类事件进行风险耦合全景分析和现场智慧联动的感知、态势分析,预测灾害的波及范围、后续灾害发展的动态演化过程以及可能造成的二次灾害等。移动应用程序104的工作流程如图4所示。

本发明还公开了一种环境探测方法流程图,如图5所示,一种环境探测方法包括:

步骤101:通过红外热成像模块获得待探测区域的图像或视频信息。

步骤102:根据所述图像或视频信息判断是否有灾害。

若是,执行步骤103。

步骤103:通过所述图像或视频信息获取灾害类型。

若否,执行步骤104。

步骤104:通过探测单元获取待探测区域的温度。

步骤105:根据所述待探测区域的温度判断所述待探测区域是否存在热源。

若不存在热源,执行步骤106。

步骤106:判断无火灾。

若存在热源,执行步骤107。

步骤107:通过红外热成像模块获得所述待探测区域的温度场。

步骤108:根据所述温度场判断是否有火情。

若否,执行步骤106。

若是,执行步骤109。

步骤109:根据所述温度场获取火源位置和火灾范围。

步骤110:通过探测单元获得各设定种类气体的浓度。

步骤111:根据各设定种类气体的浓度获取灾害的发展情况。灾害的发展情况包括灾情发展程度、爆炸性风险、窒息性及毒性风险。

下面以具体说明本发明一种环境探测方法。

第一步通过视频拍摄和图像识别技术直接判断封闭空间内的典型灾害类型,如综合管廊内的燃气泄漏火灾和电缆火灾、矿井内的煤火和木垛火灾、输油管网内的液体火灾等,如果无法通过视频成像直接获取灾害事故,则通过以下步骤依次展开探测和分析。

第二步通过温度传感器测温以掌握封闭空间内是否存在放热源,若温度高于所在封闭空间的日常温度(通常40℃以下),则应引起警惕;若温度高于60℃(人体承受的临界温度),则不允许工作人员进入。进一步通过红外热成像捕捉封闭空间内的温度场,锁定高温热源,判断是否有火情以及火源位置和火灾规模。

第三步通过电化学传感器监测到的各类气体浓度大小及变化判断灾情发展规律,如在矿井内根据co浓度、c2h2浓度、c2h4浓度、co/δo2浓度比值、c2h6/ch4浓度比值随时间的变化规律确定煤自燃的发展阶段;在封闭空间内根据o2浓度粗略计算燃料消耗量及已经产生的总燃烧热;根据co/co2浓度比值判断燃烧属于燃料控制型还是通风控制型,为后续采取防控措施提供理论依据。

第四步通过电化学传感器监测到的各类气体浓度大小分析爆炸性风险,如当封闭空间内co浓度达到或接近12.5%~74%、ch4浓度达到或接近12.5%~74%、c2h4浓度达到或接近2.7%~36%,环境探测装置通过移动应用程序给予及时、持续报警直至爆炸性气体浓度降至安全值以下。

第五步通过电化学传感器监测到的各类气体浓度大小进行窒息性及毒性风险分析,如通过监测密闭空间内的o2浓度判断可能出现的窒息事故、通过监测co、h2s等毒性气体浓度判断可能出现的中毒事故,并根据浓度范围划分危险等级,以提醒用户规避风险,如h2s气体浓度高于100ppm时为高度危险,浓度在20-100ppm之间时为危险,浓度在6.6-20ppm之间时为中度危险,浓度小于6.6ppm时无危险。此外,通过拾音器模块对在密闭空间进行声音采集,并通过调频信号发送至接收端,实现实时声音采集。同时,探测单元还配有烟密度探测器、压力探测器和气体流速探测器,通过烟密度探测器对密闭空间内的烟气浓度进行监测,通过压力探测器对密闭空间的环境压力度进行监测,通过气体流速探测器对密闭空间内气流速度进行监测。

本发明环境探测装置具有以下技术效果:

1、传统密闭空间灾害探测设备智能化程度低,需要人员携带使用,增加了事故风险,本发明密闭空间灾害探测和智能分析系统在进行基本数据自动搜集的同时实现了智能分析,使得其成为集灾害测定、数据传输和智能分析为一体的智能灾害数据收集分析系统,实现了远程监控,安全性大大提高。

3、传统密闭空间灾害探测设备功能单一,适用性差,无法应用于千变万化的工作环境,本发明采用模块化设计,传感器等可根据具体的工作环境进行选择更换,进一步丰富了适用环境,增加了产品的适用范围。

4、由于工作环境的不确定性,本发明采用了摇臂机械底盘(履带式底盘),可通过红外避障、零角度转弯、90°越障等功能规避危险,并搭载的红外热成像模块、超声测距模块和拾音器模块等模块掌握工作环境的具体情况。同时通过与各种传感器相结合实现“可听、可视、可闻”的功能。并且由于搭载红外热成像仪搭配摄像云台,可以实现前侧探测,四周扫视功能。

5、传统密闭空间灾害探测设备仅能对空间密闭情况进行数据监测,依靠工作人员进行危险性判断,本发明将危险程度系数化,提前进行预参数设置,同时将数据上传至云端进行留存和模型比对,实现分级预警的功能在行业内具有开创性,可以将危险数据量化,具有很强的实用性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

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