利用氣體泄漏遠(yuǎn)程探測與定位機(jī)器人進(jìn)行工業(yè)設(shè)施檢查任務(wù)

工業(yè)設(shè)施的氣體檢漏不但危險(xiǎn)耗時(shí)，而且容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，并可能出現(xiàn)多種解讀。為了提供一種更安全、更高效和更可靠的解決方案，RoboGasInspector借此應(yīng)運(yùn)而生。這一創(chuàng)新的氣體泄漏遠(yuǎn)程探測與定位機(jī)器人系統(tǒng)是由多家德國公司和研究所聯(lián)合研發(fā)而成，并采用了FLIR GF320光學(xué)氣體紅外熱像儀。

一個(gè)由9家公司和研究所組成的聯(lián)盟開發(fā)出了一款用于大型技術(shù)設(shè)施氣體泄漏探測和定位的自主移動(dòng)機(jī)器人原型。該聯(lián)盟提出了一套無需直接進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，也無需人類參與，就能執(zhí)行工業(yè)設(shè)施檢查任務(wù)的系統(tǒng)。這款機(jī)器人可用于設(shè)施的例行檢查或特定系統(tǒng)部件的針對(duì)性檢查。系統(tǒng)的獨(dú)立機(jī)動(dòng)性通過應(yīng)用各種導(dǎo)航傳感器和借助遠(yuǎn)程控制隨時(shí)進(jìn)行的人工干預(yù)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)還配備視頻與光學(xué)氣體遙測裝置，使其能夠檢查此前由于受進(jìn)入限制而難以檢查的系統(tǒng)部件。

創(chuàng)新性監(jiān)視進(jìn)程的發(fā)展充分利用最先進(jìn)的測量與自動(dòng)化技術(shù)和遙控技術(shù)，此外，機(jī)器人學(xué)技術(shù)也提高了各種檢查的可靠性、效率和成本效益。與此同時(shí)，對(duì)于單調(diào)又耗時(shí)的勞動(dòng)密集型任務(wù)，它還可減輕技術(shù)人員的工作量。

RoboGasInspector由三個(gè)模塊構(gòu)成：鏈傳動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)、導(dǎo)航模塊和檢查模塊。注意該裝置頂部的FLIR GF320紅外熱像儀。

這是一項(xiàng)合作性研究計(jì)劃的起點(diǎn)。該計(jì)劃由卡塞爾大學(xué)機(jī)械工程系的AndreasKroll博士和Ludger Schmidt博士主持，并獲得了德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部240萬歐元的補(bǔ)貼。 卡塞爾大學(xué)測量與控制技術(shù)系博士Andreas Kroll解釋道：“這個(gè)計(jì)劃的目的是開發(fā)和測試一種創(chuàng)新的帶有檢查機(jī)器人的人機(jī)系統(tǒng)。這些機(jī)器人具有遠(yuǎn)程氣體測量和本地智能功能。氣體泄漏的探測和定位在很大程度上應(yīng)該由移動(dòng)機(jī)器人獨(dú)立完成。在這個(gè)過程中，移動(dòng)機(jī)器人還應(yīng)該分析測得的數(shù)據(jù)，記錄檢查結(jié)果?！?/p>

在有毒或爆炸性氣體使用之處應(yīng)格外小心謹(jǐn)慎。這正是化工行業(yè)、生物氣體工廠和天然氣供應(yīng)商需采用嚴(yán)格檢查規(guī)范的原因。預(yù)防性檢查方案通常需要人員每天執(zhí)行耗時(shí)的例行檢查程序。執(zhí)行這些定期檢查時(shí)，員工要檢查系統(tǒng)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此員工通常依靠自己的理解和經(jīng)驗(yàn)，而不使用測量技術(shù)。對(duì)Andreas Kroll和LudgerSchmitt教授來說，對(duì)這套新系統(tǒng)的首先需滿足的要求是：它應(yīng)該能夠執(zhí)行自動(dòng)化、無危險(xiǎn)的檢查和監(jiān)控，并且應(yīng)能夠獨(dú)立應(yīng)對(duì)問題。

安全和效率

工業(yè)廠房（如化工廠、煉油廠、氣體壓縮站）的操作員將其員工和生產(chǎn)設(shè)施的安全放在首位。

多傳感器檢查模塊：方位/俯仰云臺(tái)（1）裝有一臺(tái)熱像儀（2）、一臺(tái)活動(dòng)的TDLAS測量儀器（3）、一個(gè)激光測距儀（4）、一部攝像機(jī)（5）和用于氣體可視化的FLIR GF320紅外熱像儀（6）。計(jì)算機(jī)和其他電氣/電子模塊安裝在配電箱（7）內(nèi)。

FLIR GF320在泄漏現(xiàn)場將不可見氣體可視化，泄漏氣體顯示為黑色煙霧。

執(zhí)行諸如反復(fù)檢查等例行程序時(shí)，總會(huì)存在由于注意力不集中，不慎忽略潛在危險(xiǎn)源的可能性。因此，創(chuàng)新性檢查技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)操作員在技術(shù)系統(tǒng)管理方面的靈活性和表現(xiàn)的重視，不僅具有經(jīng)濟(jì)意義，還可減輕人力執(zhí)行重復(fù)性例行任務(wù)的工作量，提高各種檢查任務(wù)的覆蓋范圍。

初試身手

RoboGasInspector首次在卡塞爾大學(xué)的一間禮堂里展示。這款機(jī)器人獨(dú)自走完了一段檢查路徑，成功越過了各種障礙和一個(gè)斜坡。 在指定的檢查現(xiàn)場，這款機(jī)器人檢查了各種管道，發(fā)現(xiàn)了一處甲烷泄漏。在接下來的數(shù)月間，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，這一成果被擴(kuò)展應(yīng)用于數(shù)平方公里的大型工業(yè)設(shè)施，其中包含了風(fēng)和陽光以及系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的混合因素等環(huán)境因素。

傳感器系統(tǒng)水平搖攝角度（俯視）和俯仰角度（下方側(cè)視）

RoboGasInspector的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)航

RoboGasInspector由三個(gè)模塊構(gòu)成：鏈傳動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)、導(dǎo)航模塊和檢查模塊，后者集成了FLIR GF320光學(xué)氣體紅外熱像儀。鏈傳動(dòng)平臺(tái)裝有電力驅(qū)動(dòng)裝置和常規(guī)電池。導(dǎo)航模塊由2D激光掃描儀（正面和背面，對(duì)于在建筑物內(nèi)部導(dǎo)航尤為重要）和一個(gè)用于戶外導(dǎo)航的GPS。RoboGasInspector不斷將待檢查的現(xiàn)場與數(shù)字地圖進(jìn)行對(duì)比，使這臺(tái)鏈條驅(qū)動(dòng)。

檢查模塊

檢查模塊在方位/俯仰云臺(tái)裝置上集成了各種計(jì)量儀器，包括一個(gè)遠(yuǎn)程甲烷泄漏探測器（RMLD），該探測器是基于一臺(tái)活動(dòng)的可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）儀。它是通過一個(gè)紅外線激光器起作用：激光束投射到某個(gè)表面，被反射回來，然后測量其剩余強(qiáng)度。此外，檢查模塊上還安裝有FLIR GF320紅外熱像儀，以此將氣體可視化。

為了確保RoboGasInspector自身不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，其還裝配有內(nèi)置氣體傳感器，該傳感器在爆炸下限（LEL）超過10%時(shí)關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)，從而防止可能引燃周圍環(huán)境的潛在危險(xiǎn)。

獨(dú)立測量

機(jī)器人可獨(dú)立完成測量數(shù)據(jù)的處理和模式識(shí)別。RoboGasInspector還會(huì)自動(dòng)執(zhí)行指定路線檢查，并實(shí)施測量。盡管如此，機(jī)器人依然持續(xù)不斷地與控制室保持聯(lián)系，如有必要，可從控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。為此，方位/俯仰云臺(tái)測量模塊上還集成了一臺(tái)攝像機(jī)。但在正常運(yùn)行模式下，RoboGasInspector獨(dú)立工作，只將所有測量數(shù)據(jù)通過WLAN傳送至控制室。

RoboGasInspector的現(xiàn)狀與未來

在此期間，系統(tǒng)原型在大量測試中所展示的用途和功能已給人們留下了深刻的印象。在測試中，驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)航系統(tǒng)和補(bǔ)充傳感器系統(tǒng)表現(xiàn)出色。

在原本難以進(jìn)入的場地，RoboGasInspector有助于獨(dú)立氣體檢漏和泄漏定位。此外，它還有助于避免在具有潛在危險(xiǎn)的環(huán)境中投入人力進(jìn)行檢查。但在部署于工業(yè)環(huán)境之前，還需要進(jìn)一步的研發(fā)（例如在爆炸保護(hù)、軟件開發(fā)等方面），并且在部署于商業(yè)環(huán)境之前，無疑還必須澄清法律問題。盡管如此，自主移動(dòng)氣體探測和泄漏定位機(jī)器人在今天已經(jīng)成為可能，并可顯著提高安全性。

FLIR Systems GF320紅外熱像儀是RoboGasInspector的關(guān)鍵組件。它幫助系統(tǒng)從安全距離探測有時(shí)候具有危害性的氣體泄漏。