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摘要：随着经济的迅速发展，化工厂的产品交易量不断提升，其中包含一些易燃易爆和有毒的气体，为了保证工厂内部的安全，定期对工厂内部的温度、烟雾浓度等环境状况进行检查成了日常必不可少的工作，稍不留神还会造成错检漏检的情况，甚至可能会引起火灾等安全事故的发生。目前，虽然市场上也有很多巡检机器人，但是大多数机器人都是只能进行视频监控，功能十分单一，所以非常有必要设计一款智能巡检机器人。
关键词：化工厂；智能巡检机器人系统；设计
引言
智能巡检机器人以智能化技术为基础，具有可编程性，随着技术发展，智能巡检机器人的功能逐步完善，使得其在应用过程中模拟人工操作，替代了传统人工巡检。这种巡检方式较为灵活，受到外界气候、环境等因素影响较小，适用于各种巡检工作。智能巡检机器人本身携带有红外热像仪等相关设备，可以在巡检过程中进行自动与手动巡检环境因素的识别和把控、火警预警与消防等。总之，其功能逐步趋于完善，比传统人工巡检具有更大优势，应用前景广阔。
1智能巡检机器人的作用
智能巡检机器人能够代替人工实现远程例行巡检工作，有效减少人工，实现巡检工作的智能化，智能巡检机器人作用主要分为６个方面：（1）智能巡检机器人能够定点、定时、定路径巡检，有效提高巡检工作的工作效率和质量；（2）视频监控，智能巡检机器人能够携带定制摄像头，通过视觉识别技术进行有效监控，自主完成巡检任务并传回相应数据信息；（3）数据分析，智能巡检机器人能够针对采集的数据信息进行分析判断，将相应的分析结果通过系统传输到客户端，有效提高巡检工作的工作效率；（4）红外测温，智能巡检机器智能巡检机器人能够识别指针、数字、位置、颜色等多种信息，提高巡检工作的质量；（5）自动回充，智能巡检机器人具有自动导航功能，能够在巡检结束后，能够根据充电基座发出的信号，导航回到充电基座进行充电。
2化工厂智能巡检机器人系统设计
2.1硬件设计
2.1.1定位模块电路设计
机器人执行巡检任务时能够根据仓库管理员的指令，自主选择巡检方式以及巡检路径，自动前往巡检点完成巡检任务并将视频信息实时传回监控中心，这得益于智能巡检机器人的定位模块UM220，该模块集成度高，导航定位性能良好，可在复杂电磁环境下稳定工作，因此采用此模块能够实现精准导航定位。由于UM220模块在工作时会受到杂波信号的影响，故需要在UM220的正负极之间并联陶瓷电容和电解电容，保证定位模块供电稳定。
2.1.2温湿度传感器电路设计
AM2301电容式温湿度传感器具有功耗低、体积小、抗干扰能力强的优点，而且连接起来也较为方便，AM2301模块能实时监测周围环境的温湿度信息，并将数据发送到STM32芯片中，STM32将数据处理后通过LCD液晶显示模块实时的显示出来，AM2301的4个引脚中GND接地，VDD与5V电源相连，DATA（串行数据）、NC（空脚）。
2.1.3摄像头模块电路设计
系统的图像采集模块采用的是CCD摄像头，考虑到电路的设计要求，需要12V的升压电路，采用的升压模块是LM2731，视频信号输出后，经过LM1881N分离出行和场信号，这2个信号用于STM32的中断，采集视频信号，片外ADTLC5510，输出8位的信号值，直接连接到STM32的PA口上。该模块主要采用动态阈值对图像进行二值化处理，得到二值化的图像数组后，进一步确定工厂路线的识别处理方式和巡检机器人的运动控制。
2.2软件设计
2.2.1位置信息的获取
当巡检机器人正常工作时，机器人配备的定位模块可以接收8种不同的导航信息，设计中只使用最简单的双模式导航数据。
因此，定位模块预先配置为仅输出最简单的双模式导航数据信息，接收和处理导航信息的过程如下：分配值为1，判断串行端口被中断，有效位置决定为$gnrmc，决定有效位置后，作为数据节点存储数据，在变量标志数据中存储检测到的数据的变量字节计数“，”次数，来确定是否分析此数据。
2.2.2避障系统设计
智能巡检机器人的自动避障系统采用多点测距、即时图像比对、及时校准，即便机器有所挪动也可以及时更新定位，实现智能避障。
2.2.3巡检系统设计
巡检机器人可以在工厂内自主移动，并实时检测室内温度以及烟雾浓度，STM32单片机对检测的数据进行处理，当检测值超过安全阈值时，系统立刻报警，提示管理人员工厂内存在安全隐患，同时启动工厂内的排烟装置进行排烟。在实际应用中，巡检机器人首先进行系统初始化，在确定巡检任务后，机器人开始自动巡检；通过UM220模块采集数据，进行定位，从而实现自主巡检避障；通过烟雾浓度传感器、温湿度传感器实时检测并判断是否存在安全隐患；同时根据工厂内烟雾浓度状态判断是否需要开启风扇排烟；当机器人巡检任务完成，或者机器人电量不足时自动返航充电。该机器人还配备了高清摄像头，在移动过程中随时将仓库角落的视频影像传递至监控中心，做到了防患于未然，实时监控不留死角，大大降低了工厂发生火灾的风险。
3系统测试结果
经过计算机模拟技术，完成了系统的硬件设计、软件程序制作、系统整体模拟测试以及最后的PCB电路板制作等，由于Proteus在单片机方面的仿真很强，所以该系统的硬件部分主要是在该软件下完成的，计算和监测通信及对数据的进一步处理与分析的对话框编写主要在Keil4下完成，测试环境是在标准环境下进行的连续测试，通过存储模块和通信模块实时绘制上层环境特征曲线，并显示相关参数值。
1）通过实验得到机器人运动传递函数，根据传递函数选用超前校正的方式对系统进行校正，使系统相位裕量变大，使机器人运动更加稳定。
2）根据机器人运动传递函数，用Simulink进行仿真，通过增加零极点的方式，使机器人运动更加稳定，通过实验增加零点17．69，增加极点177．9。
3）根据机器人校正函数绘制单位阶跃响应曲线，从曲线中可以看出系统响应速度较快，超调量较小，系统比较稳定。
结语
该文设计的机器人能够替代人工对工厂进行定期全方位的巡检工作，不仅大大降低了人力成本，而且在一定程度上减小了人工巡检出错的概率，进一步保障了工厂防火、防暴的安全问题。智能巡检机器人自动化程度高，由计算机、电控设备等控制，自主完成设定的巡检任务；安全性能好，导引路线十分明确，大大提高了安全性；降低了人工成本，减少了人工漏检、误检的情况；灵活性好，允许最大限度更改路径；由于系统稳定性，使其具有非常优秀的调度能力；能够适应特殊的工作环境，到人工不方便到达的地方进行巡检，以保证工厂能够安全地进行生产活动，达到全年无漏检、无错检、安全防火防爆的目的。
参考文献：
[1]吕小文．悬挂轨道式智能巡检机器人研究[D]．浙江大学，2019．
[2]毛杰勇，马勇，杨墨，张宇舟．智能巡检机器人行走机构的结构分析与优化[J]．机械研究与应用，2018，31（05）：15-17．
[3]崔健．变电站智能巡检机器人改进技术研究[D]．山东大学，2018．
[4]侯路，韩然，李祥新，刘明峰．智能巡检机器人在机房日常运维巡检中的应用[J]．中国新通信，2017，19（21）：107-108．
[5]张成巍，岳湘．智能巡检机器人研究现状与发展趋势[J]．电工文摘，2015（01）．
[6]蔡焕青，邵瑰玮，胡霁，等.变电站巡检机器人应用现状和主要性能指标分析[J].电测与仪表，2017，54（14）：117-123.