Международный школьный научный вестник

Научный журнал для старшеклассников и учителей ISSN 2542-0372

• Авторы
• Научный руководитель
• Файлы
• Литература

Алтышкин А.В. 1

---

1 г.Сызрань, ГБОУ СОШ №5, 9 класс

Альмеев Р.И. (Сызрань, Филиал САМ ГТУ в г. Сызрани)

Статья в формате PDF

0 KB

1. http://wiki.amperka.ru/

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

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

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

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 ее решения

2.Предложить способ контроля утечек газов в угольных шахтах 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.

2.Жертвы утечек газов в угольных шахтах в России и В Китае

3. 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 передается 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. Ее 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.

4. Плюсы и минусы вариантов

5. 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 все помещение.

В данной таблице можно рассмотреть все характеристики не передвижных газоанализаторов

Практическая часть

6. 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. Далеесобирае

м 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.

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.

7. 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.

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.

8. Датчики газа

Датчик MQ-2 определит концентрацию углеводородных газов

Датчик построен на базе полупроводникового газоанализатора MQ-6. На логический выход датчик выдает 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

o Напряжение питания нагревателя: 5 В

o Напряжение питания датчика: 3,3–5 В

o Потребляемый ток: 150 мА

o 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 включенным) 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

o Напряжение питания: 5 В

o Потребляемый ток: 160 мА

Диапазон измерений

o Пропан: 0,2 – 5 промилле

o Бутан: 0,3 – 5 промилле

o Метан: 5 – 20 промилле

o Водород: 0,3 – 5 промилле

o 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 нее 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

9. Программа для робота танка

#include <Ultrasonic.h>

// Подключаем библиотеку управляющую дальномером.

#include «Ultrasonic.h»

// Инициализируем дальномер

// Контакт Trig соединен с 5 портом, Echo с 6 портом.

Ultrasonic sonar(12, 13);

// Объявляем переменные для хранения состояния двух моторов.

int motor_L1, motor_L2, input_L;

int motor_R1, motor_R2, input_R;

void setup()

{

// При инициализации задаем скорость порта для связи с ПК.

Serial.begin(9600); // start the serial port

pinMode(13, INPUT);

// Переменные – номера контактов (пинов) Arduino.

// Для левых и правых моторов машинки.

setup_motor_system(3, 4, 11, 7, 8, 10);

// Двигатели остановлены.

setspeed(0, 0);

//Serial.begin(9600)? //Set serial baud rate to 9600 bps

}

void loop()

{

// read the input on analog pin 0:

// int sensorValue = analogRead(A0);

int sensorValue2 = analogRead(A5);

// print out the value you read:

//Serial.println(sensorValue);

Serial.println(sensorValue2);

delay(1000); // delay in between reads for stability

// В цикле loop отправляем значение полученное с дальномера в порт через 0,5с.

int prepyatstvie = sonar.Ranging(CM); // получаем дистанцию с сантиметрах.

long prepyatstvie2 = sonar.Timing();

Serial.print(“Distance=”); // оформляем вывод.

Serial.print(prepyatstvie); // выводим дистанцию.

Serial.println(“ cm.”); // оформляем вывод.

//Serial.print(“Time sonar=”); // оформляем вывод.

//Serial.print(prepyatstvie2); // выводим дистанцию.

//Serial.println(“ micros”); // оформляем вывод.

//delay(50); // приостанавливаем программу.

// Пример движения робота задан жестко в программе

//и повторяется в цикле.

setspeed(145, 135); // устанавливает макс, скорость колес,

if (prepyatstvie < 40)

{

stop1() ;

}

else

{

forward() ;

}

}

// Функция инициализации управления моторами.

void setup_motor_system(int L1, int L2, int iL, int R1, int R2, int iR)

{

// Заносятся в переменные номера контактов (пинов) Arduino.

motor_L1 = L1; motor_L2 = L2; input_L = iL;

// Для левых и правых моторов робота.

motor_R1 = R1; motor_R2 = R2; input_R = iR;

// Переводятся указанные порты в состояние вывода данных.

pinMode(motor_L1, OUTPUT);

pinMode(motor_L2, OUTPUT);

pinMode(input_L, OUTPUT);

pinMode(motor_R1, OUTPUT);

pinMode(motor_R2, OUTPUT);

pinMode(input_R, OUTPUT);

}

// Функция задает скорость двигателя,

void setspeed(int LeftSpeed, int RightSpeed)

{

// Задает ширину положительного фронта от 0 до 255.

analogWrite(input_L, LeftSpeed);

analogWrite(input_R, RightSpeed);

// Чем больше, тем интенсивнее работает мотор.

}

// Движение вперед,

void backward()

{

// Если двигатель будет работать не в ту сторону,

// поменять на нем контакты местами.

digitalWrite(motor_L1, HIGH);

digitalWrite(motor_L2, LOW);

digitalWrite(motor_R1, HIGH);

digitalWrite (motor_R2, LOW) ;

}

// Поворот налево с блокировкой левых колес,

void forward_left()

{

// блокировка вращения левых колес.

digitalWrite(motor_L1, LOW);

digitalWrite(motor_L2, LOW);

// правые колеса вращаются.

digitalWrite(motor_R1, LOW);

digitalWrite(motor_R2, HIGH);

}

// Поворот направо с блокировкой правых колес,

void forward_right()

{

// левые колеса вращаются.

digitalWrite(motor_L1, LOW);

digitalWrite(motor_L2, HIGH);

// блокировка вращения правых колес.

digitalWrite(motor_R1, LOW);

digitalWrite(motor_R2, LOW);

}

// Включаем движение назад,

void forward()

{

// Смена направления вращения двигателей.

digitalWrite(motor_L2, HIGH);

digitalWrite(motor_L1, LOW);

digitalWrite(motor_R2, HIGH);

digitalWrite(motor_R1, LOW);

}

void stop1()

{

// Блокировка всех колес.

digitalWrite(motor_L2, LOW);

digitalWrite(motor_L1, LOW);

digitalWrite(motor_R2, LOW);

digitalWrite(motor_R1, LOW);

}

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 и способах ее решения

2.Предложил способ контроля утечек газов в угольных шахтах с использованием мобильного робота

3.Спроектировал конструкцию и разработал ПО для мобильного робота

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

Библиографическая ссылка