移动机器人对气体泄漏的搜寻和预警

朱凤芝

摘 要：近年来，我国工业发展水平的不断提高，使人们越来越重视工业生产安全，在工业生产中，危险气体泄漏会带来巨大的安全隐患，如果不及时找出气体泄漏源，势必会引发火灾、爆炸、中毒等重大安全事故，从而给人们造成严重的生命威胁。科学技术的发展，使移动机器人在气体泄漏搜寻和预警中有着广阔的发展前景，将移动机器人用于气体泄漏搜寻和预警中，能够快速、准确地找出气体泄漏源，以此确保工业生产安全。鉴于此，该文对移动机器人对气体泄漏的搜寻和预警进行深入的研究，以期能够为我国工业领域的稳定、安全生产提供帮助和借鉴。

关键词：移动机器人 气体泄漏 搜寻 预警

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（a）-000-02

1 移动机器人对气体泄漏源进行搜寻的定位模型

1.1 运动目标控制

移动机器人在对气体泄漏进行搜寻时，首先要对移动机器人控制模型进行深入的分析，假设其定位中心为（x0，y0），则可把目标跟踪定位按照以下两个组成部分进行划分：移动机器人向左或向右移动所产生的距离，即ΔX；移动机器人向前或向后移动时所产生的距离，即ΔY，其左右移动所产生的距离可通过带有摄像机的成像模型来获得，则可得出以下关系：

在该方程中，dx代表横向的摄像机成像像素长度，而dy则代表纵向的摄像机成像像素长度，mx、my、f均为摄像机小孔成像模型中的参数。移动机器人向前或向后移动所产生的距离在计算上则比较复杂。由于在对移动机器人进行定位时，其目标成像与实际图像在面积比值上保持不变，因此利用定位目标与图像在成像上所具有的函数关系，即可计算出移动机器人在前后移动时所产生的距离ΔZ。在此需要分别将定位目标的成像及图像面积定义成s1与s2，假设移动机器人和定位目标之间的距离是mz，则根据运动模型可以推断出：

在该方程中，直角坐标系内定位目标所处的位置由Yb（t）进行表示，在上述两个公式中，均可通过Kalman滤波来对定位目标所处的位置进行确定，从而获得定位目标在左右方向和前后方向所产生的距离。

1.2 嗅觉控制

移动机器人在气体泄漏搜寻和预警中，主要是通过主动嗅觉来实现的，因此对主动嗅觉进行控制是非常重要的，而主动嗅觉需要利用动量方程与组分方程来予以确定。首先在动量方程模型上，气体分子泄漏会使分子在扩散过程中始终遵循动量守恒定律，根据动量守恒定律，对分子在向x轴、y轴与z轴方向扩散所具有动量方程进行建立，可将其表述成：

在该动量方程中，气体分子密度由p表示，在t时间内气体所具有的扩散系数由μi表示，气体分子动量由ui表示，气体分子压力由gi表示。无论是在x轴上，还是在y轴、z轴上，动量方程模型都要满足相应的条件。在组分方程模型上，气体分子在扩散过程中同样会遵循组分质量守恒定律，可依据组分质量守恒定律来构建气体在扩散时的组分方程模型，即：

在该组分方程模型中，气体各个组分所具有的质量分数由w表示，流体扩散系数则由Di进行表示。

1.3 气体泄漏源搜寻定位算法

移动机器人对气体泄漏搜寻和预警时，是利用气体定位算法来进行的，当气体浓度超出预警值时，移动机器人便会及时发出报警，并帮助管理人员找出气体泄漏源，以此确保工业生产安全。气体泄漏源搜寻定位算法的应用流程如下：首先，移动机器人会对气体的浓度阈值进行确定，以此判断气体的实际浓度是否超出阈值，如没有超出阈值，则认为不存在气体泄漏源，如果气体的实际浓度比阈值高，则移动机器人会通过扩展半径来对周边可能存在的气体泄漏源进行搜寻，其利用风向传感器来对气体烟羽进行检测，直到找出相应的气体泄漏源为止。

2 移动机器人对气体泄漏搜寻和预警的实践分析

2.1 仿真环境的构建

为了分析移动机器人对气体泄漏搜寻和预警的可行性，该文采用仿真软件来建立相应的实验仿真环境。该仿真环境的相关参数具体设置如下：首先需要确定一个气体泄漏源，该气体泄漏源的气体泄漏初始速度是5m/s，气体泄漏物为甲烷，其质量分数为1。空气在入口处的流动速度是0.5m/s，气体泄漏源的出口直径是0.25m，需要对气体在开始泄漏的那一刻进行计算，计算的时间步长单位是2.5s，甲烷在开始泄漏时所具有的浓度是0，气体泄漏时，其流动初始速度是5m/s。在移动机器人对气体泄漏进行搜寻和预警时，主要是通过气体定位算法来查找气体泄漏源，并利用主动嗅觉控制来确定气体的实际浓度，以此判断其是否达到预警值。

2.2 气体泄漏源搜寻定位算法及嗅觉实践结果

甲烷在泄漏源中的持续时间分别达到52.5s、105s和157.5s时，利用移动机器人来对甲烷在空气中的浓度进行检测，以此实现对气体泄漏点的搜寻，并判断甲烷在空气中的实际浓度是否在规定的阈值以内，以便于在超出阈值时能够进行及时的预警。通过对室内空间中甲烷在52.5s、105s和157.5s这3个时间段内的分布情况可以确定，移动机器人在利用目标成像后可准确显示出甲烷烟羽在室内空间中的浓度变化分布情况。由此可见，通过气体泄漏源定位模型的应用，可实现对气体泄漏源的搜寻與定位。通过对移动机器人在应用主动嗅觉算法后的仿真结果进行分析，可以了解到该文所采用的模拟环境在尺寸上和以上模拟范围具有高度的一致性。从其仿真结果可以了解到，移动机器人在移动至不同位置时，需要对源码文件中对应位置的甲烷烟羽浓度值进行访问，即可检测到甲烷在局部位置中所具有的烟羽浓度。通过该方法的应用，便可模拟出移动机器人的气体烟羽浓度感知能力，从而使移动机器人能够在模拟环境中进行运动检测。

3 结语

总而言之，移动机器人对气体泄漏的搜寻和预警是通过主动嗅觉定位技术来实现的，该技术可对空气中的化学气体进行感知，同时还能迅速确定气体泄漏源，并根据气体浓度及时发出预警，从而确保工业生产安全。虽然我国对该项技术的研究仍旧处于起步阶段，但其在环境监测、仓库安保、危险物体检测方面却有着十分广阔的发展前景。相信在不久的将来，随着该技术的愈发成熟，移动机器人对气体泄漏的搜寻和预警这一构想必将真正实现。

参考文献

[1] 黄衍标，罗广岳.一种自主巡逻智能预警的机器人系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2018，18（7）：39-43，47.

[2] 陈寅生，赵文杰，宋凯，等.危险气体泄漏源搜寻多机器人系统的设计与实现[J].传感技术学报，2018，31（7）：1132-1140.

[3] 蒋萍，王玉振.移动机器人对气体泄漏源的定位——矩阵半张量积方法[J].控制理论与应用，2015，32（12）：1676-1683.