VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка конструкции мобильного робота для контроля содержания взрывоопасных газов в воздухе

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Алтышкин А.В. 1

---

1ГБОУ СОШ №5

Артемова Д.Т. 1Альмеев Р.И. 2

---

1ГБОУ СОШ №5

2Самарский Государственный Технический Университет филиал в г. Сызрани

Работа в формате PDF

1.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность: Роботизация диагностики шахт и рудников является актуальной на сегодняшний день. Летального исхода добывающих шахтах можно было бы избежать при использовании робота, способного определять загазованность помещений. Он способен своевременно оповещать о повышении концентрации метана, опасного для жизни человека на конкретной территории.

Проблема.

В настоящее время большая часть смертей в шахтах происходит из-за утечек газа.

Цель: Разработать конструкцию мобильного робота для контроля утечек газа

Задачи:

1.Провести обзор литературных источников по проблеме контроля утечек газов в угольных шахтах и способах её решения

2.Предложить способ контроля утечек газов с использованием мобильного робота

3.Спроектировать конструкцию и разработать ПО для мобильного робота

4.Изготовить опытный образец (макет) мобильного робота и провести его испытание

1. Содержание газа в угольных шахтах

Содержание кислорода в воздухе выработок, в которых находятся или могут находиться люди, должно составлять не менее 20% (по объему). Содержание водорода в зарядных камерах не должно превышать 0,5%. Концентрация вредных газов в воздухе действующих подземных выработок не должна быть выше предельно допустимой, приведенной в табл. В случае применения материалов или технологических процессов, при которых возможно выделение других вредных веществ, контроль за их содержанием должен осуществляться в соответствии с требованиями государственных стандартов. Перед допуском людей в выработку после взрывных работ содержание вредных газов, не должно превышать 0,008% по объему в пересчете на условный оксид углерода. Такое разжижение вредных газов должно достигаться не более чем за 30 мин после взрывания зарядов. При проверке достаточности разжижения вредных продуктов взрыва 1 л диоксида азота следует принимать эквивалентным 6,5 л оксида углерода.

Контроль концентрации метана в газовых шахтах должен осуществляться во всех выработках, где может выделяться или скопляться метан. Места и периодичность замеров устанавливаются начальником участка ВТБ и утверждаются главным инженером шахты.

Состояние воздушной среды в рабочих помещениях оценивают содержанием характерных для данного производства вредных веществ (С) и сопоставлением найденных значений с величинами соответствующих предельно допустимых концентраций (ПДК), выраженных в одних и тех же размерностях (мг/м3)

Состояние воздушной среды считается соответствующим требованиям санитарных норм, если отношение величин фактических концентраций вредных веществ к предельно допустимой не превышает единицы

При наличии в воздухе рабочих помещений нескольких вредных веществ с однонаправленным токсическим действием состояние воздушной среды оценивают суммированием безразмерных величин, характеризующих отношение фактических концентраций токсических веществ к их ПДК.

При наличии в воздухе токсических веществ, не обладающих однонаправленными действиями, состояние воздушной среды оценивают по вредному веществу с наибольшим значением Ci/ПДКг. Анализ воздуха на содержание токсических веществ, как правило, слагается из двух последовательных операций: отбирают пробы воздуха и определяют количество контролируемого вещества в пробе Первый этап анализа — отбор проб — выполняет обученный персонал непосредственно на обследуемом производстве, при участии работников вентиляционной службы Второй этап — собственно анализ —-выполняют в химического лаборатории, специально оборудованной Для этих целей.Отбор проб при обследовании воздуха рабочих помещений производят в зоне дыхания, при характерных производственных условиях с учетом особенностей технологического процесса и источников выделения вредных веществ. Зоной дыхания называется пространство в радиусе 0,5 м от лица работающего.Если условия нормы газа не совпадают , то в шахте происходит взрыв.

1

2.Жертвы утечек газов

В шахтах

В жилых домах

3.Среда использования мобильного робота

В жилых домах

Между газом, который используется на производствах и для бытовых нужд присутствуют определенные различия. Тот газ, который используется в домашних газовых плитах имеет очень резкий запах, это сделано для того, чтобы человек смог легко определить утечку газа в своей квартире. Однако статистика показывает , что летальные случаи все же происходят . МОСКВА, 7 декабря. /ТАСС/. Количество взрывов из-за утечек бытового газа, произошедших в России в течение 2017 года, увеличилось по сравнению с 2016 годом на 8,3%, однако число погибших и пострадавших в результате таких ситуаций снизилось на 19,2% и 34,7% соответственно. Такая статистика может объясниться либо оперативной работой спасателей , либо случайным везением людей, что вовремя утечки газа они не находились в доме.

В шахтах

Нередкие случаи утечек газов и в шахтах. Количество смертей в шахтах значительно превышает количество летальных исходов в домах .Это обуславливается тем, что на подобных объектах большее количество людей , а так же большая вероятность утечек газов. Статистика показывает, что большинство летальных исходов происходит из-за взрывов , а не из-за отравления. При взрыве в таких замкнутых помещениях обрушивается земля и людей может придавить массивными объектами. Представленный робот может обеспечить безопасность на любой местности благодаря сигналу, который свидетельствует об утечке газа

На производствах(заводах)

Часто на среднемасштабных или маломасштабных уделяют незначительное внимание безопасности в плане контроля утечек газа, не подозревая какой характер может носить данная проблема .

4.Альтернативные виды роботов

Вариант 1. Поиск и обнаружение утечек газа на промышленных и коммунальных объектах крайне важный аспект обеспечения безопасности людей и сохранности оборудования. Обнаружение утечки газа производится как стационарными газовыми детекторами, так и ручным обследованием с использованием газовых течеискателей. Квалифицированный персонал, пользуясь детектором утечки газа, производит обход и сканирование газового оборудования и газопроводов.

Робот, созданный для автоматического обследования объектов нефтегазовой инфраструктуры с целью дистанционного обнаружения и локализации утечки газа, в автоматическом режиме совершает проезд по заранее проложенному маршруту и производит дистанционные замеры концентрации газа в непосредственной близости от мест возможной утечки.

Измерение концентрации газа производится лазерным лучом методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Поскольку измерения производятся точечно, прибор установлен на подвижной платформе 3х степеней свободы. Гиростабилизированная платформа позволяет производить быстрое и высокоточное сканирование.

На подвижной платформе также размещены две камеры - видимого и инфракрасного спектра - которые обеспечивают получение двух спектрального изображения утечки и позволяют точно определить ее местоположение на части оборудования. Изображение с этих камер передаётся оператору через WiFi вместе с показаниями дистанционного измерителя утечки газа. В случае высокой концентрации газа, оператору подается сигнал тревоги.

Для обеспечения наилучшего результата и учета влияния ветра, мобильный робот оснащен анемометром.

Робот обнаружения и локализации утечек газа, созданный на базе автономного робота SRX1, позволяет с минимальными затратами проводить регулярные инспекции газовой инфраструктуры, газопроводов без непосредственного участия человека. Своевременно обнаружить скрытые угрозы и тем самым предотвратить, возможно, несоизмеримо большие потери. Использование робота целесообразно на объектах с малым количеством персонала или безлюдных газовых станциях.

Вариант 2 . Частью, обеспечивающей передвижение, является шагающий восьминогий робот. Шагающий робот — это машина относительно медленная в перемещении. Её скорость зависит от числа ног, которое имеет машина. Корпус робота вмещает все необходимые подсистемы робота и обеспечивает место для крепления 8 ног. При шагающем движении робот попеременно опирается на четыре из восьми ног: две несмежные ноги с одной стороны корпуса и две несмежные с другой. Корпус робота и расположение ног позволяют передвигаться по шахте. Для шагающего робота необходима нога, обеспечивающая контакт с землей в точке. Таким образом, можно использовать ногу с 3 степенями свободы. У манипулятора робота имеется газовый датчик, который используется для обнаружения утечки газа в шахте. Данный датчик быстро распознает метан, природный газ, сжиженный природный газ, при этом он не реагирует на запах алкоголя и дыма. При обнаружении роботом утечки газа, его местонахождение отмечается в базе данных системы. Затем следует анализ состава. В случае повышенной концентрации газа поступают сигналы тревоги. Конструкция газового датчика показана на рис. 2, датчик состоит из керамической трубки, слоя, распознающего газ, измерительного электрода и нагревательной катушки, фиксируемых в корпусе сеткой из нержавеющей стали. Нагревательная пружина обеспечивает необходимые условия работы для чувствительных компонентов. Датчик имеет 6-контактов, 4 из них используются для распознавания сигналов, а оставшиеся 2 используются для подачи тока накаливания.

Робот можно применять для исследования шахт и рудников в процессе работы шахтеров для диагностики загазованности пространства. В настоящее время существует необходимость заблаговременного обнаружения и устранения утечки или наличия газа, поэтому робототехническая операция актуальна для проведения подобного рода работ. Возможно использование в труднодоступных местах шахты или рудника для точного мониторинга состояния безопасности участка. В этом случае робот имеет преимущество перед другими видами контроля.

5.Плюсы и минусы вариантов

6.Не передвижные датчики

Характеристики неподвижных датчиков

В настоящее время в шахтах зачастую используют не передвижные системы вычисления утечек газов , однако я считаю что роботы более практичны и менее затраты. Датчики по характеристикам должны быть расположены на всем периметре. Робот может 1 проехать всё помещение.

В данной таблице можно рассмотреть все характеристики не передвижных газоанализаторов

Практическая часть

7.Сборка робота танка

Сборка была произведена по методической книжке, после конструкция была немного изменена(добавлены датчики и шилды)

1 шаг.

В начале я собрал крепления под моторы и соединил их с гусеницами. Соединение моторов и опоры производил с помощью шурупов M4*12MM M2*8MM и специальной насадкой Coopper Coupler.

2 шаг

Следущий шаг – соединение моторов с танковым драйвером на котором держатся гусеницы. Сборка осуществляется с помощью шурупов M4*12mm. Далеесобираем колесо на котором будут крутиться гусеницы. Соединяем его с креплением с помощью шурупа M4*50MM фланцевого подшипника и медного ,,куста”

3 шаг вставляю обе конструкции получившиеся в ходе 1 и 2 шага в гусеницу.

В итоге получил конструкцию

4 шаг. Проделываем все те же операции и конструируем вторую гусеницу.

5 шаг. Крепим опоры двигателей в одну шурупами M4*35MM и гайками M4 Nuts.

С помощью медных кустов M3*45MM соединяем основную опору платы и опору двигателей.

В пластине на которой держится плата расположены отверстия для установления плады и датчика расстояния . Крепим их с помощью шурупов M3*8MM.

6 шаг .Под платой разместил блок питания на 3 батарейки

10

7 шаг . Дополнения : в ходе испытаний 1 плата arduino вышла из строя .В ходе исследования я пришел к выводу что решить мою проблему можно с использованием кнопки, которая не допускает ток до платы раньше чем нужно.

8 шаг. В процессе подсоединения датчиков я понял что мне не хватает питания 5v и массы(gnd).Данную проблему я решил с помощью макетной платы. Я перенес на плюсовую линию питание , а на минусовую заземление. Макетная плата была размещена ниже датчика расстояния

8.Характеристика робота танка

1. Мини-танк робот-это система обучения прикладного применения микроконтроллера на основе
Arduino. Он обладает такими функциями, как ультразвуковое Предотвращение препятствий, Bluetooth-пульт дистанционного управления. Этот комплект
Содержит много интересных программ. Его можно также расширить с помощью внешних модулей, чтобы иметь другие функции. .

2. Параметры
1.Двигатель параметры:6 В,150 об./мин.
2.Использую модуль драйвера L298N для управления двигателем.
3. Оснащен ультразвуковым модулем, может обнаружить, есть ли препятствия впереди, и
Расстояние между танковым роботом и препятствиями для реализации функции предотвращения препятствий.
4.Оснащен bluetooth беспроводным модулем, может дистанционно управлять роботом после сопряжения с мобильным телефоном Bluetooth.
5.Может быть подключен к внешнему источнику питания 7 ~ 12 В; с различными модулями датчиков,
Он может реализовать различные функции.

Фото моего робота танка

9. Датчики газа

Датчик MQ-2 определит концентрацию углеводородных газов

Датчик построен на базе полупроводникового газоанализатора MQ-6. На логический выход датчик выдаёт аналоговый сигнал, пропорциональный содержанию определяемых газов в окружающей среде.

В газоанализатор встроен нагревательный элемент, который необходим для химической реакции: во время работы сенсор будет горячим — это нормально.

Мы предусмотрели возможность контроля нагревательного элемента сенсора через отдельную группу контактов.

Можно использовать разное напряжение для логики датчика и работы нагревателя. А еще — программно включать и выключать нагреватель, что значительно продлит время автономной работы устройства.

Характеристики

Напряжение питания нагревателя: 5 В

Напряжение питания датчика: 3,3–5 В

Потребляемый ток: 150 мА

Габариты: 25,4×25,4 мм

Датчик газа, построенный на базе газоанализатора MQ-6 позволяет обнаруживать наличие в окружающем воздухе углеводородных газов (пропан, метан, н-бутан), дыма (взвешенные частицы, являющиеся результатом горения), водорода.

Датчик можно использовать для обнаружения утечек промышленного газа и задымления. Выходным результатом является аналоговый сигнал, пропорциональный содержанию газов, к которым восприимчив газоанализатор. Чувствительность может быть настроена с помощью триммера на плате датчика.

В газоанализатор встроен нагревательный элемент, который необходим для химической реакции. Поэтому во время работы сенсор будет горячим, это нормально. Для получения стабильных показаний новый сенсор необходимо один раз прогреть (оставить включённым) в течение 24 часов. После этого стабилизация после включения будет занимать около минуты.

Показания сенсора подвержены влиянию температуры и влажности окружающего воздуха. Поэтому в случае использования датчика газа в изменяющейся среде, при необходимости получения точных показаний, понадобится реализовать компенсацию этих параметров.

Датчик подключается к управляющей электронике через 3 провода.

Характеристики

Напряжение питания: 5 В

Потребляемый ток: 160 мА

Диапазон измерений

Пропан: 0,2 – 5 промилле

Бутан: 0,3 – 5 промилле

Метан: 5 – 20 промилле

Водород: 0,3 – 5 промилле

Пары спиртов: 0,1 – 2 промилле

Датчик газа MQ-5

Датчик MQ-5 относиться к полупроводниковым приборам. Принцип работы датчика основан на изменении сопротивления тонкопленочного слоя диоксида олова SnO2 при контакте с молекулами определяемого газа. Чувствительный элемент датчика состоит из керамической трубки с покрытием Al2O3 и нанесенного на неё чувствительного слоя диоксида олова. Внутри трубки проходит нагревательный элемент, который нагревает чувствительный слой до температуры, при которой он начинает реагировать на определяемый газ. Чувствительность к разным газам достигается варьированием состава примесей в чувствительном слое.

Диапазон измерений

Метан: 200–10000 ppm

Характеристики

Напряжение питания нагревателя: 5 В

Напряжение питания датчика: 3,3–5 В

Потребляемый ток: 150 мА

Габариты: 25,4×25,4 мм

10. Bluetooth модуль HC-06

Сфера применения этого модуля не исчерпывается управлением. Его можно использовать и для пересылки показаний разнообразных сенсоров.

Рабочее напряжение этого bluetooth-модуля — 3,3 В, но его входы толерантны к 5 В, поэтому он совместим со всеми платами Ardui

Характеристики

11.Программа на робота

int MotorLeftSpeed = 9; // Левый (А) мотор СКОРОСТЬ — ENA

int MotorLeftForward = 3; // Левый (А) мотор ВПЕРЕД — IN1

int MotorLeftBack = 2; // Левый (А) мотор НАЗАД — IN2

int MotorRightForward = 6; // Правый (В) мотор ВПЕРЕД — IN3

int MotorRightBack = 4; // Правый (В) мотор НАЗАД — IN4

int MotorRightSpeed = 10; // Правый (В) мотор СКОРОСТЬ — ENB

char btCommand = 'S';// Задаем переменную BLUETOOTH команда — по умолчанию "S" — СТОП

void setup () { Serial.begin (9600); //Включаем серйиный порт — скрость 9600

pinMode (MotorLeftForward, OUTPUT);

pinMode (MotorLeftBack, OUTPUT);

pinMode (MotorLeftSpeed, OUTPUT);

pinMode (MotorRightForward, OUTPUT);

pinMode (MotorRightBack, OUTPUT);

pinMode (MotorRightSpeed, OUTPUT); }

void forward (int a) // ВПЕРЕД

{

digitalWrite (MotorRightBack, LOW);

digitalWrite (MotorRightForward, HIGH);

analogWrite (MotorRightSpeed, 100);

digitalWrite (MotorLeftBack, LOW);

digitalWrite (MotorLeftForward, HIGH);

analogWrite (MotorLeftSpeed, 100);

delay (a * 50);

}

void right (int b)

{ digitalWrite (MotorLeftBack, LOW);

digitalWrite (MotorLeftForward, HIGH);

analogWrite (MotorLeftSpeed, 130);

digitalWrite (MotorRightBack, LOW);

digitalWrite (MotorRightForward, LOW);

delay (b * 50); }

void left (int c)

{ digitalWrite (MotorRightBack, LOW);

digitalWrite (MotorRightForward, HIGH);

analogWrite (MotorRightSpeed, 130);

digitalWrite (MotorLeftBack, LOW);

digitalWrite (MotorLeftForward, LOW);

delay (c * 50); }

void turnR (int d)

{ digitalWrite (MotorRightBack, HIGH);

digitalWrite (MotorRightForward, LOW);

digitalWrite (MotorLeftBack, LOW);

digitalWrite (MotorLeftForward, HIGH);

delay (d * 50); }

void turnL (int e)

{ digitalWrite (MotorRightBack, LOW);

digitalWrite (MotorRightForward, HIGH);

digitalWrite (MotorLeftBack, HIGH);

digitalWrite (MotorLeftForward, LOW);

delay (e * 50); }

void stopp (int f) // СТОП

{ digitalWrite (MotorRightBack, LOW);

digitalWrite (MotorRightForward, LOW);

digitalWrite (MotorLeftBack, LOW);

digitalWrite (MotorLeftForward, LOW);

delay (f * 50); }

void back (int g)

{ digitalWrite (MotorRightBack, HIGH);

digitalWrite (MotorRightForward, LOW);

digitalWrite (MotorLeftBack, HIGH);

digitalWrite (MotorLeftForward, LOW);

delay (g * 50); }

void loop()

{

int sensorValue = analogRead(A0);

int sensorValue2 = analogRead(A5);

Serial.println(sensorValue);

Serial.println(sensorValue2);

if (Serial.available() > 0)

{ btCommand = Serial.read();

// Считываем инвормацию с "Серийного порта"

Serial.println(btCommand);

// Печатаем инвормацию с "Серийного порта" — необходио в слуае отладки программы

switch (btCommand)// Отрабатывем в соотвествии с поступившей командой

{ case 'F':

forward (3);

// едемВПЕРЕД

break;

case 'B':

back (3);

// едемНАЗАД break;

case 'R':

right (3);

// поворачиваем ВПРАВО

break;

case 'L':

left (3);

// поворачиваем ВЛЕВО

break;

case 'S':

stopp (3);

// СТОП!

}

}

}

Вывод

В ходе своего научного исследования ,я достиг решения поставленных мною в начале исследование цели . А именно Разработал конструкцию мобильного робота для контроля утечек газа

Выполнил поставленные задачи:

1.Провел обзор литературных источников по проблеме контроля утечек газов в угольных шахтах , жилых помещениях и способов её решения

2.Предложил способ контроля утечек газов с помощью мобильного робота

3.Спроектировал конструкцию и разработал ПО для мобильного робота

4.Изготовил опытный образец (макет) мобильного робота и провел его испытание

Список литературы

http://wiki.amperka.ru/

https://www.rbc.ru/society/10/12/2004/5703be019a7947afa08cc3c9

https://ria.ru/spravka/20140514/1007705396.html

https://www.smprobotics.ru/applications/robot-dlya-poiska-i-obnaruzheniya-utechek-gaza