專利名稱：一種基于無線通信的偵察機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種機器人，尤其涉及一種用于煤礦井下發(fā)生瓦斯、粉塵等爆炸事故后，能及時代替人進入事故現(xiàn)場，實時將現(xiàn)場信息通過無線傳輸發(fā)送給總部的基于無線通信的偵察機器人。
背景技術(shù)：
近年來，隨著許多嚴重事故的發(fā)生，消防，搶險，防爆，檢測等技術(shù)領(lǐng)域中的許多任務(wù)包含著其相應(yīng)的危險性，已經(jīng)不適合人們親身去完成這些任務(wù)。在我國，煤炭行業(yè)的傷亡事故，尤其是重特大傷亡事故的頻頻發(fā)生，其中該類事故的發(fā)生約有76%都是由于瓦斯、火災(zāi)的爆炸造成的，事故發(fā)生后，煤礦井下巷道內(nèi)的一氧化碳和瓦斯?jié)舛群芨撸瑹熿F大，能見度低，隨時還會發(fā)生二次爆炸，給救護工作和偵察工作帶來了很大的困難和危險。針對上述問題，開發(fā)設(shè)計一種用于煤礦井下發(fā)生瓦斯、粉塵等爆炸事故后能代替人，及時地進入事故現(xiàn)場，實時的將現(xiàn)場信息通過無線傳輸發(fā)送給總部的偵察機器人就成為一種必要。
發(fā)明內(nèi)容為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種基于無線通信的偵察機器人，它是由中央處理控制模塊，光電傳感模塊，超聲波測距模塊，攝像頭采集模塊，無線傳輸模塊，顯示模塊，電機控制模塊、遙控器和機器人機械體組成，所述機器人機械體帶有四肢，其上裝有電機控制模塊負責(zé)驅(qū)動車身及四肢的運動；所述的中央處理控制模塊是控制中心負責(zé)接受和處理信息，并向各個模塊發(fā)出指令信息；所述的超聲波測距模塊負責(zé)測距并通過所述的光電傳感模塊將信息輸入到中央處理控制模塊；攝像頭采集模塊采集信息，并將采集到的信號數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊的發(fā)送端，實時地將信息發(fā)送到中央控制系統(tǒng)的無線模塊接收端，接收端將數(shù)據(jù)通過中央控制系統(tǒng)處理判斷，并實時地將偵查機器人接收到的信息用顯示模塊顯示；遙控器通過無線通訊向無線模塊發(fā)送信息指令，通過中央處理控制模塊對機器人進行實時控制，使偵查機器人完成預(yù)定任務(wù)。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本實用新型的程序軟件流程圖；圖3是本實用新型實施例中光傳感器發(fā)射電路原理圖；圖4是本實用新型實施例中光傳感器接收電路原理圖；圖5是本實用新型實施例中超聲波發(fā)送電路圖；圖6是本實用新型實施例中超聲波接收電路圖；圖7是本實用新型實施例中ccllOO無線控制模塊原理圖；[0013]圖8是本實用新型實施例中電機控制電路原理圖；圖9是本實用新型實施例中電源模塊電路圖；圖10是本實用新型的機械設(shè)計分析圖-前支撐臂與車身鉸接處測得的受力情況；圖11是本實用新型的機械設(shè)計分析圖-后支撐臂與車身鉸接處測得的受力情況；圖12是本實用新型的機械設(shè)計分析圖-前支撐臂與車身鉸接處測得的扭矩變化；圖13是本實用新型的機械設(shè)計分析圖-后支撐臂與車身鉸接處測得的扭矩變化。
具體實施方式
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以下結(jié)合附圖與具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細描述:如圖1所示，一種基于無線通信的偵察機器人，是由中央處理控制模塊，光電傳感模塊，超聲波測距模塊，攝像頭采集模塊，無線傳輸模塊，顯示模塊，電機控制模塊、遙控器和機器人機械體組成，所述的機器人機械體帶有四肢，其上裝有電機控制模塊負責(zé)驅(qū)動車身及四肢的運動；所述的中央處理控制模塊是控制中心負責(zé)接受和處理信息，并向各個模塊發(fā)出指令信息；所述的超聲波測距模塊負責(zé)測距并通過所述的光電傳感模塊將信息輸入到中央處理控制模塊；攝像頭采集模塊采集信息，并將采集到的信號數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊的發(fā)送端，實時地將信息發(fā)送到中央控制系統(tǒng)的無線模塊接收端，接收端將數(shù)據(jù)通過中央控制系統(tǒng)處理判斷，并實時地將偵查機器人接收到的信息用顯示模塊顯示。遙控器通過無線通訊向無線模塊發(fā)送信息指令，通過中央處理控制模塊對機器人進行實時控制，使偵查機器人完成預(yù)定任務(wù)。操作人員可通過遙控器控制機器人運動，能夠自由活動并完成任務(wù)，控制人員可以通過控制遙控器，通過觀察，分析傳回來的信息，對其實施控制及監(jiān)測。在機器人跑出控制范圍時，他可以根據(jù)任務(wù)自己尋找目標，完成任務(wù)后沿路返回以達到可控范圍內(nèi)，同時發(fā)出請求信號通知操作員對其進行控制。其可以搭載各種檢測裝置以完成不同任務(wù)，使機器人能夠接替人完成危險，特殊的任務(wù)。如圖3-4所示，光電傳感模塊采用⑶4081、紅外調(diào)制管和激光發(fā)射管等器件組成，目的實現(xiàn)激光發(fā)射管遠距離發(fā)射。為了使機器人能夠有效地避開障礙物，在本實用新型中，為其安置了 5MW激光管，使機器人能夠探測前方是否存在障礙物，以便及時地做出判斷，實時地對調(diào)整自身的運動速度與方向。激光的發(fā)射原理及產(chǎn)生過程的特殊性決定了激光具有普通光所不具有的單色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特點。超聲波測距模塊包括發(fā)射和解調(diào)兩部分，均以CT40-16R/T(直徑16MM)型號的超聲波傳感器為核心，發(fā)射部分由傳感器和圖5中的74LS04整形電路組成，接收部分由傳感器和圖6中CX20106為核心的電路組成。該模塊在40KHZ的頻率下能夠正常地工作，隨時進行測距，實時地將信號傳給中央處理控制模塊，中央處理控制模塊對其進行分析、處理，將控制信號傳輸給電機與舵機，控制機器人判斷障礙物的位置，并對其進行及時的躲避，改變其運動的方向。攝像頭采集模塊采用0V7620 CMOS型號攝像頭。攝像頭工作的主要原理是:按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采樣圖像上的點，當掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度成一一對應(yīng)關(guān)系的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。如圖7所示，無線傳輸模塊采用CCllOO及外圍器件組成的無線控制模塊，用于對機器人的遠程控制，避免用導(dǎo)線對其進行控制，使機器人能夠適應(yīng)更多的地形。在實施本發(fā)明時，曾嘗試采用2401進行控制，但發(fā)現(xiàn)2401的傳輸距離比較小，不利于控制，容易失去采集信號。經(jīng)過大量的實驗及精細的篩選，最后決定采用CCllOO作為無線傳輸模塊，從而實現(xiàn)了傳輸距離的提高。CCllOO是一種低成本真正單片的UHF收發(fā)器，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計。電路主要設(shè)定為在315、433、868和915MHZ的ISM (工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué))和SRD (短距離設(shè)備)頻率波段，可以容易地設(shè)置為300-348MHZ、400-464MHZ和800-928MHZ的其他頻率。RF收發(fā)器集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。這個調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達500KBPS。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。CCllOO為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。CCllOO的主要操作參數(shù)和64位傳輸/接收FIFO(先進先出堆棧)可通過SPI接口控制。如圖8所示，在電機控制模塊中，其控制原理與履帶式機器人不同，在本實用新型中，將輪胎與四肢同時安置。當機器人行進路況好時，四肢收起，只需用輪胎與導(dǎo)航舵機行進。電機的控制采用了 H橋電路實現(xiàn):控制臂I置高電平(U=VCC),控制臂2置為低電平(U=O)時，Q1、Q4截止，Q2、Q3導(dǎo)通，電機左端低電平，右端高電平，所以電流沿著箭頭方向流動。設(shè)電機正轉(zhuǎn)；控制臂I置為低電平、控制臂2置高電平時，Q2、Q3截止，Q1、Q4導(dǎo)通，電機左端為高電平，右端低電平，所以電流沿箭頭方向流動。設(shè)電機反轉(zhuǎn)。當置控制臂1、2均為低電平時，QU Q2導(dǎo)通，Q3 、Q4截止，電機兩端均為高電平，電機不轉(zhuǎn)；當置控制臂1、2均為高電平時，Ql、Q2截止，Q3、Q4導(dǎo)通，電機兩端均為低電平，電機也不轉(zhuǎn)。如圖9所不，由于在電機控制模塊中共有^ 個舵機和一個電機及其他模塊，需要的工作電流很大。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定供電采用了 LM2576穩(wěn)壓芯片(最大電流可達3A)對電源進行控制，使舵機在負載的情況下能有足夠的電流驅(qū)動，以便及時的對檢查出的信息做出相應(yīng)的反應(yīng)。圖10-13為對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及其分析原理圖，從圖，10可以看出，O 2.25S前，雖然小車支撐臂未與地面接觸，但由于車身和支撐臂相對電機有一定質(zhì)量，則當電機轉(zhuǎn)動時容易引起整個模型的震動，表現(xiàn)在O 2.25S間曲線是上下波動的。在2.25S左右時，前支撐臂與地面接觸，使該鉸鏈處所受的力產(chǎn)生大的突變，在圖3中表現(xiàn)為垂直上升的直線。在
2.25S以后，前支撐臂處所受的力隨時間的增加而緩慢減小，這是由于當支撐臂從接觸地面開始，到將小車完全抬起來的過程中，輪子與地面間的摩擦力變小了，使得撐起小車所需的力也相對變小。從圖11可以看出，后支撐臂在鉸鏈處所受的力與前支撐臂情況非常相似，但是力的大小變化趨勢與前支撐臂相反.[0032]從圖12可以看出，2.25S左右時，前支撐臂與地面接觸，使該鉸鏈處所受的扭矩產(chǎn)生大的突變，在圖中表現(xiàn)為垂直上升的直線。2.25S以后，前支撐臂處所受的扭矩表現(xiàn)為隨時間的增加而有規(guī)律地減小。這是因為在測量扭矩時主要的因素是Z軸，當小車剛接觸地面時，支撐臂的力作用點和測量的鉸鏈處的距離最大。根據(jù)T=FS(F代表鉸鏈處所受的力，S代表距離Z軸的距離)，從圖3可以看出，F(xiàn)雖然有變化，但不是很大，而S的變化相對明顯，所以呈現(xiàn)出的一條曲線類似于二次函數(shù)曲線。從圖13可以看出，后支撐臂與車身鉸接處測得的扭矩變化與前支撐臂類似，由于車體重心偏后，所以扭矩的數(shù)值要明顯大于前支撐臂，這由圖反映的后支撐臂受力值大于前支撐臂的情況對應(yīng)。如圖2所示，本實用新型的工作過程是:當機器人收到開始工作指令時，各模塊開始初始化和前進，在前進過程中判斷是否有障礙物，如果有障礙物則開始采集數(shù)據(jù)并發(fā)送，同時壁障；否則繼續(xù)偵查。當行進過程中失去了遙控器控制，機器人將采取自主控制運動模式，在這一模式下，機器人在不斷尋找遙控器發(fā)出的指令和偵查(數(shù)據(jù)采集)任務(wù)，如找到則自動切換為遙控模式；否則在自主控制運動模式下完成偵查(數(shù)據(jù)采集)任務(wù)。本實用新型系統(tǒng)是以飛思卡爾的MC9S12DG128B作為中央處理控制核心，以四輪驅(qū)動車輛為載體，車上裝有一臺電機，主要負責(zé)驅(qū)動車身及四肢的運動，舵機對機器人的肢體的控制，在機器人行走的過程中，通過光電傳感器的感應(yīng)和超聲波的測距，及時的做出對障礙物的避開與越過，攝像頭圖像采集信息，通過無線傳輸將采集到的信號及時返回給操作人員，通過顯示器顯示采集到的信息。通過以上功能模塊實現(xiàn)了機器人能夠適應(yīng)復(fù)雜的地形環(huán)境，偵察，處理并發(fā)送實地信息等相關(guān)功能。由于采用上述技術(shù)方案，本實用新型提供的一種基于無線通信的偵察機器人，具有這樣的有益效果:本實用新型具有良好的運動性能，在煤礦井下的復(fù)雜環(huán)境中可以爬樓梯，還可以翻越障礙，跨越壕溝，涉過積水，自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)地形。為人們的安全及準確實時的檢查提供了極大地方便。本實用新型是一個具有一定智能的機器，在一定程度上完成了上述的功能，實現(xiàn)了能夠跨越，行走在復(fù)雜，危險的環(huán)境下，代替人承擔監(jiān)測、勘察、取樣以及對現(xiàn)場緊急情況進行及時處理等任務(wù)，且通過無線傳輸，實時的將信息發(fā)回給總部，方便人們及時了解到危險環(huán)境下的一些重要信息，對事故后環(huán)境的救援和監(jiān)測工作做到及時的了解和對其進行處理，最大程度上減少了在安全和經(jīng)濟方面上的損失。
權(quán)利要求1.一種基于無線通信的偵察機器人，其特征在于:它是由中央處理控制模塊，光電傳感模塊，超聲波測距模塊，攝像頭采集模塊，無線傳輸模塊，顯示模塊，電機控制模塊、遙控器和機器人機械體組成，所述機器人機械體帶有四肢，其上裝有電機控制模塊負責(zé)驅(qū)動車身及四肢的運動；所述的中央處理控制模塊是控制中心負責(zé)接受和處理信息，并向各個模塊發(fā)出指令信息；所述的超聲波測距模塊負責(zé)測距并通過所述的光電傳感模塊將信息輸入到中央處理控制模塊；攝像頭采集模塊采集信息，并將采集到的信號數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊的發(fā)送端，實時地將信息發(fā)送到中央控制系統(tǒng)的無線模塊接收端，接收端將數(shù)據(jù)通過中央控制系統(tǒng)處理判斷，并實時地將偵查機器人接收到的信息用顯示模塊顯示；遙控器通過無線通訊向無線模塊發(fā)送信息指令，通過中央處理控制模塊對機器人進行實時控制，使偵查機器人完成預(yù)定 任務(wù)。
專利摘要本實用新型公開了一種基于無線通信的偵察機器人，旨在提供一種具有良好的運動性能，在煤礦井下的復(fù)雜環(huán)境中可以爬樓梯，還可以翻越障礙，跨越壕溝，涉過積水，自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)地形。本實用新型是由中央處理控制模塊，光電傳感模塊，超聲波測距模塊，攝像頭采集模塊，無線傳輸模塊，顯示模塊，電機控制模塊、遙控器和機器人機械體組成。本實用新型的主要用途是在煤礦井下發(fā)生瓦斯、粉塵等爆炸事故后，能及時代替人進入事故現(xiàn)場，實時將現(xiàn)場信息通過無線傳輸發(fā)送給總部的基于無線通信的偵察機器人。
文檔編號G05D1/02GK203084552SQ20122057728
公開日2013年7月24日 申請日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者陳興文, 姚亞瀾, 馬浩東, 于洋, 劉燕 申請人:大連民族學(xué)院