李亞文, 黃樂樂, 張文奕

(商洛學(xué)院 電子信息工程與電氣工程學(xué)院， 陜西 商洛 726000)

0 引言

我國作為一個產(chǎn)煤大國，煤炭產(chǎn)出占世界35%，然而，在開采過程中煤礦井災(zāi)害屢發(fā)不斷，每年因礦難死亡的人數(shù)占世界的83.7%[1]，工人的生命財產(chǎn)安全和企業(yè)的收入受到嚴重的危及，在礦難發(fā)生時遇難人員平均只有約48小時的存活時間，且井下環(huán)境復(fù)雜，救援人員在深入井下后可能會遇到二次爆炸和坍塌等各種危險狀況[2-3]?；谀壳暗拿旱V開采和救災(zāi)狀況，井下環(huán)境探測機器人體積小、行動安靜又易于操控[4]，能代替人工快速完成危險工作，在遠程監(jiān)控、能源開發(fā)和搶險救援等方面的工作中都具有重大作用[5-6]。因此，本文合理分析了煤礦井下環(huán)境，設(shè)計了分別為嵌入式控制模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等為主要核心硬件，搭載遠程PC和機載PC進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，實現(xiàn)了煤礦產(chǎn)井下環(huán)境安全探測仿生機器人的設(shè)計，并進了實驗測試。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

(1) 機器人理論設(shè)計

機器人理論設(shè)計可以分為硬件搭載平臺與軟件基本架構(gòu)兩部分進行設(shè)計,如圖1所示。

圖1 機器人設(shè)計理論框架

硬件是機器人的肉體，軟件是機器人的靈魂。微型控制器相當(dāng)于機器人的大腦控制機器人的數(shù)據(jù)處理并提供反饋信息[7]；傳感器模塊是機器人的感官，包含各種數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)元件用于采集礦井內(nèi)部所需要的環(huán)境信息[8-9]；動力模塊是機器人的手腳，用于控制機器人的運動并且為數(shù)據(jù)采集提供便利的采集條件；電源系統(tǒng)為機器人系統(tǒng)提供電源支撐，是機器人運動和數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)保障；通信系統(tǒng)保障良好的遠程通信能力，為數(shù)據(jù)傳輸和機器人控制提供有利保障[10]。這些都是機器人硬件平臺上所必需的基本模塊，是所有功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。

在硬件模塊的基礎(chǔ)上，用軟件賦予硬件以靈魂，以高效簡潔的模塊化設(shè)計方法為不同功能模塊設(shè)計處理程序。微型控制器安裝上思想即操作系統(tǒng)使之具有強大的思考能力和處理功能，為傳感器模塊、運動模塊、控制模塊設(shè)計相應(yīng)的程序使之實現(xiàn)相應(yīng)功能。軟硬結(jié)合設(shè)計實現(xiàn)嵌入式探測機器人的全部功能設(shè)計。

(2) 機器人設(shè)計原理

根據(jù)機器人設(shè)計理論框架按照功能可將其劃分為5個功能模塊，機器人系統(tǒng)設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計方案

分別為嵌入式控制模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。遠程PC和機載PC是機器人的控制核心[11-12]，負責(zé)所有的數(shù)據(jù)采集、信息交互及驅(qū)動控制。電源模塊負責(zé)為機器人內(nèi)相關(guān)模塊供電及提供電源保護，驅(qū)動模塊執(zhí)行控制模塊的指令控制機器人的運動和工作；通訊模塊負責(zé)機器人與遠程PC之間的數(shù)據(jù)交互[13]；數(shù)據(jù)采集模塊是機器人功能實現(xiàn)的直接途徑，包括攝像頭、氣體傳感器、氣壓傳感器和一些姿位傳感器等[14-15]，負責(zé)采集礦井內(nèi)部作業(yè)環(huán)境和機器人工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 機器人硬件系統(tǒng)設(shè)計方案

為實現(xiàn)機器人總體設(shè)計中設(shè)計的機器人功能，機器人硬件系統(tǒng)總體設(shè)計如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計

機器人采集的數(shù)據(jù)將通過總線串口傳遞到微型處理器處理，機載電源通過穩(wěn)壓電路為所有功能模塊提供穩(wěn)定的電源，處理器將數(shù)據(jù)處理后通過串口交由無線通信模塊發(fā)送給上位機的無線通訊模塊，數(shù)據(jù)再通過串口總線到達控制PC進行處理，方便工作人員處理。

2.2 電路原理圖

在確定設(shè)計方案后需要設(shè)計硬件電路來實現(xiàn)設(shè)計方案，部分硬件模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 電路原理圖

其中主要包括電源模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、串口電路模塊、芯片最小系統(tǒng)的電路原理圖。根據(jù)電路原理圖便于機器人的電路仿真設(shè)計實現(xiàn)，根據(jù)原理圖可以設(shè)計相應(yīng)的PCB電路板，便于根據(jù)電氣特性排線布線優(yōu)化電路。

在確保設(shè)計原理的正確性的同時還要考慮電路的電氣特性，必需適合所選硬件的電氣特性。然后再考慮電路的魯棒性、穩(wěn)定性和優(yōu)化等一系列工作。所以硬件器件選型和電路設(shè)計是整個系統(tǒng)實現(xiàn)中最關(guān)鍵的部分。

2.3 機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人的車體結(jié)構(gòu)為機器人的主要硬件部分，機器人的移動機構(gòu)又是整個機器人正常工作的前提[10]，要讓機器人實現(xiàn)預(yù)定的功能，不僅要使執(zhí)行機構(gòu)能完成機器人運動的要求，還要考慮其可靠性和穩(wěn)定性。針對礦井內(nèi)部復(fù)雜的環(huán)境情況，選擇對環(huán)境適應(yīng)能力較好的輪履式機器人作為硬件的移動搭載平臺，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 機器人車體結(jié)構(gòu)

這是整個機器人平臺的基礎(chǔ)部分。機器人通過履帶移動，可旋轉(zhuǎn)的擺臂調(diào)整自身體位姿態(tài)，幫助機器人實現(xiàn)越障和攀爬的功能，機器人中間的平臺可供攝像頭和某些數(shù)據(jù)采集模塊使用，可旋轉(zhuǎn)的平臺使數(shù)據(jù)采集更加靈活，可以獲得更大范圍內(nèi)的環(huán)境信息，將為機器人的導(dǎo)航奠定較好的基礎(chǔ)。

3 功能實現(xiàn)

將所有軟件程序組合在一起形成一個完整的遠程控制系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 遠程控制系統(tǒng)運作圖

基于嵌入式的遠程控制系統(tǒng)主要包括：地面監(jiān)控系統(tǒng)、井下監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由各類傳感器、攝像機、車載設(shè)備和機器人車體構(gòu)成，主要通過仿生履帶式結(jié)構(gòu)的機器人行走采集井下的瓦斯氣體、CO、溫度、濕度、故障距離、環(huán)境圖像視頻等，通過無線局域網(wǎng)傳送給井下的監(jiān)控設(shè)備，進行危險因素的預(yù)警，同時通過有線網(wǎng)絡(luò)傳送給地面的監(jiān)控中心進行報警處理。該系統(tǒng)的具體功能實現(xiàn)主要有4個方面。

(1) 初始化機器人設(shè)備驅(qū)動如傳感器、攝像頭、電機等模塊驅(qū)動，并設(shè)置其運作模式。

(2) 監(jiān)控由無線網(wǎng)絡(luò)傳送的來自上位機的控制指令，然后根據(jù)指令向機器人內(nèi)部的總線發(fā)送不同指令，使機器人完成指定功能。

(3) 監(jiān)聽機器人內(nèi)部總線上的來自電機及信息采集板的機器人內(nèi)部、外部狀態(tài)信息，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置處理信息并返回給上位機。

(4) 將視頻處理單元處理后的圖像數(shù)據(jù)傳送給上位機。

由于核心數(shù)據(jù)處理單片機處理量較大，而運動控制也需要占用許多硬件資源，所以為了降低主處理器的運算壓力，本文采用雙MPU的結(jié)構(gòu)[16]，從運動處理器負責(zé)對運動的獨立控制，運動處理器作為子處理器受主處理器控制，而主處理器負責(zé)視頻數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與傳輸，攝像頭是ov7670，網(wǎng)卡采用enc28j60移植的lwip協(xié)議[17]，兩款單片機均由FreeRTOS進行任務(wù)管理。

4 功能測試

(1) PC上位機控制軟件測試

上位機控制軟件運行圖如圖7所示。

圖7 PC控制軟件運行圖

圖7為便于操作和獲取機器人信息，設(shè)計界面簡潔使用方便的上位機操控軟件，并能清晰明了地獲取礦井機器所探查的礦井環(huán)境如各種氣體濃度、溫濕度、圖像信息等。

(2) 經(jīng)過聯(lián)機調(diào)試，上位機能正常穩(wěn)定工作，能達到預(yù)期設(shè)計要求。通過密閉的空間每2分鐘記錄一次，測試氣體濃度(以氧氣為例)，將其結(jié)果與色譜儀進行對比計算誤差，測得結(jié)果如表1所示。

表1 氧氣濃度測試

將機器人的溫度傳感器放入約19攝氏度密閉加熱箱中,測試機器人溫度傳感靈敏程度，每2分鐘記錄一次，記錄結(jié)果與正常溫度計進行對比計算誤差，測量結(jié)果如表2所示。

表2 溫度傳感器測試

對比計算結(jié)果，機器人傳感器與標準值之間的誤差都不高于2%，足以滿足探測機器人所需的精度要求。

(3) 控制軟件可以控制機器人的前進、后退、轉(zhuǎn)向等操作，攝像頭采集數(shù)據(jù)正常且流暢并能通過預(yù)期設(shè)計的平臺實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)拍攝。拍攝圖像清晰,如圖8所示。

圖8 控制機器人數(shù)據(jù)采集模擬

圖像能夠通過上位設(shè)計程序?qū)D像保存成照片在本地文件夾中,如圖9所示。

圖9 攝像頭環(huán)境數(shù)據(jù)采集測試與保存

5 總結(jié)

通過分析礦井環(huán)境探測機器人所具備的功能，從硬件和軟件為切入點完善的介紹設(shè)計礦井環(huán)境探測機器人的整體實現(xiàn)方案，從硬件的車體設(shè)計、電路設(shè)計和元件選擇，到軟件的操作系統(tǒng)的選擇、通信的實現(xiàn)、功能設(shè)計等方面介紹了機器人的設(shè)計實現(xiàn)過程。機器人能夠通過傳感器和攝像頭采集周圍環(huán)境數(shù)據(jù)和視頻信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給上位機顯示。對控制系統(tǒng)、傳感器精度、數(shù)據(jù)采集進行測試，測試結(jié)果均符合預(yù)期設(shè)計要求。但機器人對圖像處理、自動避障功能還未完善，系統(tǒng)局限性較大[18]，且探測機器人還應(yīng)該具有PSD、DA、DI檢測、定位、陀螺儀、云控制等功能，讓機器人更加智能化，為我國礦業(yè)開采安全做出貢獻。