杜勝盛，雷美珍，連琴燕

（浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

煤炭是我國(guó)的主體能源，占我國(guó)能源生產(chǎn)總量的3/4。同時(shí)，我國(guó)也是煤礦災(zāi)害事故最嚴(yán)重的國(guó)家。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，超過(guò)48小時(shí)后被困在廢墟中的幸存者存活的概率變得越來(lái)越低。因此，在發(fā)生礦難后，及時(shí)進(jìn)行搜救非常重要[1,2]。但是，災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境復(fù)雜性、未知性及潛在的二次傷害等特點(diǎn)，使得救援人員無(wú)法第一時(shí)間在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施救援工作。因此，研發(fā)搜救機(jī)器人用于災(zāi)后第一時(shí)間進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，獲取現(xiàn)場(chǎng)信息和探明被困者位置非常有必要[3,4]。

井下環(huán)境復(fù)雜，通信問(wèn)題一直是搜救系統(tǒng)的一大難題。通信方式一般分為兩種：有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信。有線(xiàn)通信，加大了機(jī)器人的負(fù)載，而且在行進(jìn)過(guò)程中容易被纏住[5]。傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信，雖然機(jī)器人可以靈活運(yùn)動(dòng)，但是具有傳輸距離短的缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)一種基于ZigBee動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)的通信方式，在無(wú)線(xiàn)信號(hào)衰減較快的地方放置ZigBee中轉(zhuǎn)站，以延長(zhǎng)無(wú)線(xiàn)通信的距離，并通過(guò)設(shè)計(jì)一種具有搜救機(jī)器人和通信機(jī)器人的搜救系統(tǒng)對(duì)該通信方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

1 搜救機(jī)器人和通信機(jī)器人設(shè)計(jì)

本搜救系統(tǒng)由搜救機(jī)器人和通信機(jī)器人兩種機(jī)器人組成。搜救機(jī)器人主要由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、信號(hào)燈和ZigBee通信系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)對(duì)井下環(huán)境的探測(cè)和被困人員的搜索。通信機(jī)器人主要由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、紅外攝像頭系統(tǒng)和ZigBee通信系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)維持搜救機(jī)器人與控制中心的通信。

1.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

為了適應(yīng)礦井下的惡劣環(huán)境，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用履帶式行走機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由無(wú)刷直流電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)成。此處的無(wú)刷直流電機(jī)，采用360BL99-230/430型號(hào)的直流無(wú)刷電機(jī)，其額定電壓為24V，額定功率為200W，額定轉(zhuǎn)速為3000RPM。此處的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用AQMD3610NS-A型號(hào)的BLDC驅(qū)動(dòng)器，支持電機(jī)電壓9～36V，長(zhǎng)時(shí)間可持續(xù)負(fù)載電流8A，最大負(fù)載電流10A，支持PWM調(diào)速（調(diào)壓）、恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速（穩(wěn)流）、自測(cè)速閉環(huán)調(diào)速（穩(wěn)速）、外接測(cè)速發(fā)電機(jī)閉環(huán)調(diào)速（穩(wěn)速）多種調(diào)速方式，極小的PWM死區(qū)，僅0.5us，PWM有效范圍：0.1%～99.9%。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 環(huán)境感知系統(tǒng)

為了讓控制中心了解井下的環(huán)境狀況并搜索被困人員，在機(jī)器人上搭載多種傳感器，包括熱釋電傳感器、甲烷傳感器、溫度傳感器和CO傳感器等。

圖1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1）熱釋電傳感器：主要由傳感器探測(cè)元、菲涅爾透鏡、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器等幾部分組成，主要利用熱電效應(yīng)原理來(lái)完成對(duì)紅外輻射的感應(yīng)。本系統(tǒng)采用HC-SR501型號(hào)的熱釋電傳感器，采用德國(guó)原裝進(jìn)口LHI778探頭設(shè)計(jì)具有靈敏度高，可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確快速的探測(cè)到被困人員。其檢測(cè)原理框圖如圖2所示。

圖2 熱釋電傳感器檢測(cè)原理框圖

2）甲烷傳感器：采用ZC01-CH4型號(hào)的傳感器，其采用高穩(wěn)定性燃燒式氣敏元件、高性能微電腦處理器，配合紅外遙控調(diào)校方式，是一款十分高性能的傳感器。額定電壓3.1～5.0V，誤差小于0.1%。其檢測(cè)原理框圖如圖3所示。

圖3 甲烷傳感器檢測(cè)原理框圖

3）溫度傳感器：采用DS18B20單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器，測(cè)量范圍為-55℃～+125℃，精度為±0.5℃，采用單總線(xiàn)接口方式，與微處理器連接時(shí)僅需一條線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)通訊。其檢測(cè)原理框圖如圖4所示。

4）CO傳感器：采用ZE07-CO型號(hào)的CO傳感器，利用電化學(xué)原理對(duì)空氣中存在的CO進(jìn)行檢測(cè)，具有良好的選擇性，穩(wěn)定性。內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償，具有高靈敏度、高分辨率、低功耗，提供UART、模擬電壓信號(hào)、PWM信號(hào)等多種輸出方式。其檢測(cè)原理框圖如圖5所示。

1.3 信號(hào)燈和攝像頭

圖4 溫度傳感器檢測(cè)原理框圖

圖5 CO傳感器檢測(cè)原理框圖

在搜救機(jī)器人上搭載紅外信號(hào)燈，用于發(fā)送紅外信號(hào)。在通信機(jī)器人上搭載加有紅外濾光片的OV7725鷹眼攝像頭，用于獲取紅外信號(hào)燈發(fā)出的紅外信號(hào)，其分辨率為160×120，幀率為60幀，具有硬件二值化功能，可以減輕控制器的計(jì)算負(fù)擔(dān)，加快圖像處理速度。攝像頭的原理框圖如圖6所示。

圖6 攝像頭模塊原理框圖

1.4 ZigBee通信系統(tǒng)

常用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)主要有Bluetooth、WiFi和ZigBee[6]等，考慮到Zigbee技術(shù)具有自主網(wǎng)和低功耗的特點(diǎn)，非常適合用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)，故本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)。本文采用CC2530芯片搭建ZigBee模塊，其電路原理圖如圖7所示。其工作頻段為2.4GHz，傳輸距離為1500米，通過(guò)串口接口與ARM控制器相連即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能，波特率最高可達(dá)115200bps。

2 搜救機(jī)器人和通信機(jī)器人編隊(duì)設(shè)計(jì)

本搜救系統(tǒng)由搜救機(jī)器人和通信機(jī)器人組成，搜救機(jī)器人通過(guò)搭載多種環(huán)境傳感器，熱釋電傳感器和攝像頭獲取井下的信息，通信機(jī)器人通過(guò)搭載多個(gè)ZigBee模塊，負(fù)責(zé)維持搜救機(jī)器人和控制中心的通信。為了減少工作人員的工作負(fù)擔(dān)，本文設(shè)計(jì)了一種搜救機(jī)器人與通信機(jī)器人編隊(duì)方式，使通信機(jī)器人自主跟隨搜救機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

圖7 ZigBee模塊電路原理圖

通信機(jī)器人通過(guò)搭載加有紅外濾光片的攝像頭，濾除外界干擾，快速準(zhǔn)確的獲取搜救機(jī)器人上搭載的紅外信號(hào)燈的圖像，如圖8所示。通信機(jī)器人通過(guò)圖像處理算法處理獲取的圖像，獲取兩個(gè)機(jī)器人的相對(duì)位置，如圖9所示。通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算左右輪的預(yù)期速度，然后通過(guò)增量式PID算法，如式(3)所示，調(diào)節(jié)通信機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向與速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)搜救機(jī)器人的跟隨。

式中Exp_L和Exp_R分別為通信機(jī)器人左右輪預(yù)期的速度，SearchR_Spd為搜救機(jī)器人的速度，Kx和Ky分別為橫向和縱向的常數(shù)，dx和dy分別為紅外信號(hào)距離圖像中心的橫向距離和縱向距離。

式中d_PWM是電機(jī)PWM的改變值，dd_e是上上次的誤差，d_e是上次的誤差，e是這次的誤差，Kp是比例系數(shù)，Ki是積分系數(shù)，Kd是微分系數(shù)。

圖8 通信機(jī)器人與搜救機(jī)器人編隊(duì)圖

圖9 通信機(jī)器人獲取的圖像

3 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

礦井下環(huán)境復(fù)雜，搜救機(jī)器人的通信問(wèn)題一直是一個(gè)大難題。通信方式從大的方面可分為有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信。有線(xiàn)通信方式具有通信距離遠(yuǎn)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是其增加了搜救機(jī)器人的負(fù)載，且機(jī)器人容易被障礙物纏住。傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信方式具有通信距離短，可靠性低的特點(diǎn)。

針對(duì)有線(xiàn)和傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信存在的問(wèn)題，本文提出了一種基于ZigBee動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)的通信方式。當(dāng)搜救機(jī)器人進(jìn)入分支搜索時(shí)，通信方式如圖10所示。由于無(wú)線(xiàn)通信遇到障礙物時(shí)信號(hào)衰減很快，將通信機(jī)器人留在分支路口，ZigBee模塊具有自組網(wǎng)的特點(diǎn)，所以此時(shí)通信機(jī)器人充當(dāng)中轉(zhuǎn)站，維持搜救機(jī)器人和監(jiān)控中心的通信。當(dāng)分支內(nèi)還有分支時(shí)，通信方式如圖11所示。通信機(jī)器人會(huì)在第一個(gè)分支處放置一個(gè)搭載的ZigBee模塊，然后跟隨搜救機(jī)器人前進(jìn)，留在第二個(gè)分支處維持通信。

圖10 只有單個(gè)拐點(diǎn)時(shí)的通信方式

圖11 具有多個(gè)拐點(diǎn)時(shí)的通信方式

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的搜救機(jī)器人和通信機(jī)器人的編隊(duì)效果和無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)的通信效果，在地下車(chē)庫(kù)對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。圖12和圖13分別為搜救機(jī)器人和通信機(jī)器人編隊(duì)效果測(cè)試和在拐彎處釋放中轉(zhuǎn)站搭建無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。經(jīng)多次測(cè)試和參數(shù)調(diào)整，搜救機(jī)器人和通信機(jī)器人的編隊(duì)距離維持在1.5m～2m之間。在空曠處，ZigBee模塊的通信距離約為1200m，當(dāng)存在直角拐彎時(shí)，不在拐角處放置中繼站，通信距離只能維持到拐角后100m左右的距離，在拐角處放置中繼站后，通信距離延長(zhǎng)到拐角后1200m。

實(shí)驗(yàn)表明，只要在合適的拐角處放置中繼站，搜救機(jī)器人就可全程與控制中心進(jìn)行通信。

圖12 編隊(duì)測(cè)試

圖13 通信車(chē)釋放中轉(zhuǎn)站

5 結(jié)論

針對(duì)有線(xiàn)通信和傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信方式存在的問(wèn)題，本文提出了一種基于ZigBee動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)的通信方式，并通過(guò)設(shè)計(jì)一種具有搜救機(jī)器人和通信機(jī)器人的搜救系統(tǒng)對(duì)該通信方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)中的通信機(jī)器人具有自主跟隨搜救機(jī)器人的能力，并在合適的地方充當(dāng)中轉(zhuǎn)站或放置攜帶的ZigBee節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)搜救機(jī)器人在礦井下與監(jiān)控中心進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的無(wú)線(xiàn)通信。該通信方式對(duì)同類(lèi)型機(jī)器人的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值和推廣價(jià)值。