基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下機(jī)器人通信控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下機(jī)器人通信控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于井下巡檢和事故救援，特別適用于發(fā)生瓦斯爆炸和火災(zāi)等事故的礦井，井下機(jī)器人可到達(dá)存在有毒害氣體而救援人員無法到達(dá)的區(qū)域；所述系統(tǒng)主要包括井下機(jī)器人、機(jī)器人控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備；井下機(jī)器人具有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊、陀螺儀傳感器、路由投放裝置，視頻采集設(shè)備、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器；所述系統(tǒng)可使井下機(jī)器人的無線通信距離隨機(jī)器人的行進(jìn)而不斷增長，保證井下機(jī)器人與控制設(shè)備的通信。解決了在礦井內(nèi)的原有無線通信系統(tǒng)無法使用的情況下，井下機(jī)器人與控制設(shè)備的無線通信距離有限的問題。
【專利說明】
基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下機(jī)器人通信控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下機(jī)器人通信控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)涉及無線通信和視頻、音頻采集等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著各類礦井生產(chǎn)的機(jī)械化、信息化和自動(dòng)化程度的提高，中國礦井安全生產(chǎn)形勢逐年好轉(zhuǎn)，各類事故率和死亡率均大幅下降。然而井下生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，還是不可避免的發(fā)生各類事故，事故發(fā)生后，及時(shí)掌握井下事故現(xiàn)場情況，是正確、有效救援，減少人員傷亡的關(guān)鍵。井下瓦斯爆炸和火災(zāi)等事故，會(huì)產(chǎn)生大量C0，C02，CH4等有毒有害氣體，消耗大量02。當(dāng)事故現(xiàn)場有毒有害氣體濃度超高、O2含量較低時(shí)、搜尋，救護(hù)人員難以到達(dá)有關(guān)區(qū)域進(jìn)行偵察、搜尋和救援。井下機(jī)器人除用于救災(zāi)外，也可用于井下巡檢領(lǐng)域。因此、研究井下機(jī)器人相關(guān)的技術(shù)十分必要。由于目前井下無線通信的接入設(shè)備需供電系統(tǒng)和通信光纜或電纜連接，所以事故發(fā)生時(shí)，巷道內(nèi)原有無線通信系統(tǒng)無法使用，井下機(jī)器人必須自帶通信系統(tǒng)進(jìn)行通信。輪式、履帶式、蛇形等地面行進(jìn)的機(jī)器人可通過有線通信方式與控制設(shè)備進(jìn)行通信，而采用飛行行進(jìn)方式的機(jī)器人則應(yīng)采用無線通信方式，目前井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已得到較廣泛的應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信具有成本低、組網(wǎng)靈活方便等特點(diǎn)，但通信距離受發(fā)射功率和空間阻擋等因素影響，直接影響井下機(jī)器人的工作距離。所以需要新的井下機(jī)器人通信組網(wǎng)方法與通信系統(tǒng)以保證井下機(jī)器人的通信距離。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型目的在于提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下機(jī)器人通信控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括井下機(jī)器人、機(jī)器人控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備;井下機(jī)器人具有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊、陀螺儀傳感器、路由投放裝置，視頻采集設(shè)備、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器;井下機(jī)器人采用多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器人控制設(shè)備通信;井下機(jī)器人攜帶有多個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備;路由投放裝置用于在井下機(jī)器人行進(jìn)過程中投放無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍隨井下機(jī)器人的行進(jìn)路程的增加而不斷推進(jìn);機(jī)器人控制設(shè)備通過井下機(jī)器人攜帶的視頻采集設(shè)備采集視頻或圖像數(shù)據(jù)；機(jī)器人控制設(shè)備通過井下機(jī)器人攜帶的語音采集元件采集語音信號，通過井下機(jī)器人攜帶的語音放大設(shè)備將語音數(shù)據(jù)還原為語音信號。
[0004]1.所述的通信控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括:井下機(jī)器人在行進(jìn)過程中通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊監(jiān)測最近的固定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備的信號強(qiáng)度，當(dāng)滿足信號強(qiáng)度低于設(shè)定閾值時(shí)，則在當(dāng)前位置投放新的固定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備，重復(fù)執(zhí)行以上監(jiān)測和投放過程，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍隨井下機(jī)器人的行進(jìn)路程的增加而不斷推進(jìn)。
[0005]2.所述的通信控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括:井下機(jī)器人同時(shí)通過陀螺儀傳感器測量行進(jìn)路程長度，當(dāng)行進(jìn)的路程長度達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，則在當(dāng)前位置投放新的固定無線路由設(shè)備，重復(fù)執(zhí)行以上監(jiān)測和投放過程，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍隨井下機(jī)器人的行進(jìn)路程的增加而不斷推進(jìn)。
[0006]3.所述的通信控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括:井下機(jī)器人所攜帶的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備在投放前均已加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并可正常工作。
[0007]4.所述的通信控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括:井下機(jī)器人采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，用于攜帶各類與井下現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測相關(guān)的傳感器模塊，所采集數(shù)據(jù)通過多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制設(shè)備。
[0008]5.所述的通信控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括:井下機(jī)器人攜帶的傳感器包括:溫度、一氧化碳、二氧化碳、甲烷氧氣傳感器。
[0009]6.所述的通信控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括:機(jī)器人控制設(shè)備可部署于井上也可部署于井下，井下機(jī)器人可受機(jī)器人控制設(shè)備控制從井上出發(fā)移動(dòng)至井下。
[0010]7.所述的通信控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括:井下機(jī)器人包括采用兩軸或多軸旋翼飛行移動(dòng)的機(jī)器人。
【附圖說明】
[0011]圖1系統(tǒng)實(shí)施方式I示意圖。
[0012]圖2系統(tǒng)實(shí)施方式2示意圖。
[0013]圖3四軸旋翼井下機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由器投放裝置示意圖。
[0015]圖5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由器投放裝置仰視圖。
[0016]圖6四軸旋翼井下機(jī)器人主控板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖7四軸旋翼井下機(jī)器人數(shù)據(jù)采集板結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]所述通信控制系統(tǒng)的【具體實(shí)施方式】I如圖1所示，組成包括:
[0019]1.機(jī)器人控制設(shè)備(101)，負(fù)責(zé)控制井下機(jī)器人，通過多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)接收井下機(jī)器人上傳的各類數(shù)據(jù)，包括視頻或圖像數(shù)據(jù)，各類傳感器數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)；同時(shí)通過以太網(wǎng)和多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向井下機(jī)器人發(fā)送控制數(shù)據(jù)和語音數(shù)據(jù)。
[0020]2.井上交換機(jī)(102)，負(fù)責(zé)所有接入以太網(wǎng)的設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)交換。
[0021]3.井下交換機(jī)(103)，負(fù)責(zé)井下所有接入以太網(wǎng)的設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。
[0022]4.井下機(jī)器人(104)，可采用旋翼飛行機(jī)器人，也可采用輪式、履帶式、蛇形等地面行進(jìn)的機(jī)器人，攜帶多個(gè)Wifi路由設(shè)備(106)，用于在行進(jìn)中投放布網(wǎng)。
[0023]5.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(105)，負(fù)責(zé)多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，接收和轉(zhuǎn)發(fā)所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)，無線芯片采用TI的Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的CC2531，并具有網(wǎng)絡(luò)接口和USB接口，用于連接井下交換機(jī)或直接通過USB接口機(jī)器人控制設(shè)備。
[0024]6.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備(106)，負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的接入和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接續(xù)，由電池供電，體積小重量輕，便于井下機(jī)器人攜帶，無線芯片采用TI的CC2530o
[0025]所述通信控制系統(tǒng)的【具體實(shí)施方式】2如圖2所示，與實(shí)施方式I的區(qū)別在于機(jī)器人控制設(shè)備(101)直接連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(105)，機(jī)器人控制設(shè)備可部署于井上也可部署于井下，機(jī)器人控制設(shè)備部署于井上時(shí)，井下機(jī)器人可直接通過斜井、平硐飛行至井下。
[0026]所述通信控制系統(tǒng)中的井下機(jī)器人可采用飛行機(jī)器人也可采用地面行進(jìn)機(jī)器人，在本示例采用四軸旋翼井下機(jī)器人，機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖3所示:
[0027]1.旋翼(301),通過旋轉(zhuǎn)使空氣向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生升力，使機(jī)器人懸浮在空中。
[0028]2.電機(jī)(302)，負(fù)責(zé)為旋翼提供動(dòng)力，由控制板控制轉(zhuǎn)速，通過各旋翼不同轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的不同運(yùn)動(dòng)方向和姿態(tài)。
[0029]3.傳感器倉(303)用于放置各種類與井下現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測相關(guān)的傳感器模塊。
[0030]4.天線(304)用于無線信號發(fā)送和接收。
[0031]5.控制板倉(305)內(nèi)置無人機(jī)控制板，用于飛行控制、數(shù)據(jù)采集和無線通信等。
[0032]6.電池倉(306)用于電池存放，為旋翼、控制板及各傳感器模塊供電。
[0033]7.麥克風(fēng)(307)用于語音信號采集，當(dāng)救援無人機(jī)到達(dá)井下工作人員被困地點(diǎn)時(shí)，可通過麥克風(fēng)采集被困人員的語音信號，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將語音數(shù)據(jù)傳送至機(jī)器人控制設(shè)備。
[0034]8.數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(308)用于視頻信號采集，由將視頻信號數(shù)字化并編碼壓縮，通過無線網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)將視頻或圖像數(shù)據(jù)傳送至控制設(shè)備。
[0035]9.舵機(jī)(311)為路由設(shè)備投放裝置提供動(dòng)力，由控制板發(fā)出的脈沖信號控制，根據(jù)脈沖信號轉(zhuǎn)動(dòng)特定角度。
[0036]10.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備存放倉(309)用于路由設(shè)備存放。
[0037]11.轉(zhuǎn)盤(310)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備投放控制。
[0038]路由設(shè)備投放裝置結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示，主要包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備存放倉(309)和轉(zhuǎn)盤(310)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備存放倉(309)在上部，底部為帶有投放窗口的轉(zhuǎn)盤，舵機(jī)(311)的傳動(dòng)軸連接舵盤(312)通過轉(zhuǎn)盤連接孔(317)和螺釘連接在轉(zhuǎn)盤(310)上，舵機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)將投放窗口(314)轉(zhuǎn)至無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備(106)下方，設(shè)備在重力作用下離開存放倉。
[0039 ] 如圖6所示為機(jī)器人的主控單元，包括:
[0040]1.主控板(601)，是機(jī)器人控制的核心部件，板上元件包括核心處理器、存儲(chǔ)單元、電源與時(shí)鐘單元、姿態(tài)傳感器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元;主控板還通過各類接口連接板外的各模塊或功能設(shè)備。
[0041 ] 2.核心處理器(602)，采用三星S3C2440處理器，S3C2440是基于ARM920T內(nèi)核的微處理器，具有3個(gè)UART接口，2個(gè)SPI接口，2個(gè)USB接口，I個(gè)IIC-BUS接口 ；搭載Linux系統(tǒng)。
[0042]3.存儲(chǔ)單元(603);包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片IIC-BUS接口的 EEPR0M。
[0043]4.電源與時(shí)鐘模塊(604)包括電壓轉(zhuǎn)換和時(shí)鐘管理元件，DC電壓轉(zhuǎn)換均采用MAX1724系列電源芯片，為所有芯片供電；選用12MHz晶振。
[0044]5.姿態(tài)傳感器(605)，采用invensense公司的MPU9150，該傳感器內(nèi)部包含三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和一個(gè)AK8975三軸磁強(qiáng)計(jì)的MEMS器件，具有封裝體積小，讀寫配置方便的優(yōu)點(diǎn)，MPU-9150內(nèi)部分別自帶了 16位的A/D，將其測量的模擬量，轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，采用IIC-BUS總線與核心處理器進(jìn)行通信。
[0045]6.電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元(606)采用ST的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L6234為核心進(jìn)行電機(jī)的功率放大和驅(qū)動(dòng)電路，將核心處理器輸出的PWM信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)(3 O 2 )，通過P WM信號的不同脈寬實(shí)現(xiàn)對旋翼不同轉(zhuǎn)速的控制;每個(gè)電機(jī)需3個(gè)P WM控制信號和3個(gè)使能信號共6個(gè)接口，4個(gè)電機(jī)共需24個(gè)I/O接口。
[0046]7.數(shù)據(jù)采集板(607)，用于搭載各種井下現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測相關(guān)的傳感器模塊，將傳感器模塊的模擬信號I/O采集轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)通過UART接口發(fā)送給主控板。
[0047]8.舵機(jī)(311)由一個(gè)I/0接口直接驅(qū)動(dòng)控制，通過輸出不同脈沖寬度的脈沖信號實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制。
[0048]9.數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(308)，采用自帶光源的具有數(shù)字視頻壓縮功能的USB口數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，USB 口連接主控板，由Linux及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供支持。
[0049]10.麥克風(fēng)(307)連接主控板的Mic接口，用于采集語音信號。
[0050]11.揚(yáng)聲器(608)連接主控板的Phone接口，用于語音信號放大輸出。
[0051 ] 12.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊(609)，采用具有USB接口 Zigbee模塊，核心芯片采用TI的CC2531，由Linux及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供支持，采用外置天線(304)。
[0052]數(shù)據(jù)采集板采用模塊化設(shè)計(jì)，所有傳感器均為模塊，具有排針接口，通過排針插座與采集板連接，獲得電源供電，并將所采集的模擬信號輸出到處理器支持A/D轉(zhuǎn)換I/O接口上。圖7為機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集板的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括:
[0053]1.處理器(701)，選擇TI公司的MSP430F147單片機(jī)，該型號為16位RISC結(jié)構(gòu)，具有32k Flash，IkRAM13MSPASO可在1.8?3.6V低電壓下工作，系統(tǒng)采用3.3V工作電壓。MSP430F147內(nèi)置精度為12位200kps的A/D轉(zhuǎn)換器，MSP430F147具有5種低功耗模式，使用LPM4模式時(shí)最低功耗可降至0.luA。
[0054]2.溫度傳感器(702)，采用DS18B20溫度傳感器模塊，量程范圍-55攝氏度至+125攝氏度。
[0055]3.甲烷傳感器(703)，采用MQ-4甲烷傳感器模塊，量程范圍300至lOOOOppm。
[0056]4.電源與時(shí)鐘模塊(704)，包括電壓轉(zhuǎn)換和時(shí)鐘管理元件，DC電壓轉(zhuǎn)換均采用MAX1724系列電源芯片，為處理器和所有傳感器模塊供電；選用SMHz晶振;使用一路A/D轉(zhuǎn)換器用于電池電壓檢測。
[0057]5.—氧化碳傳感器(705)，采用ME2-C0—氧化碳傳感器模塊，量程范圍O至100ppm0
[0058]6.二氧化碳傳感器(706)，采用MG811 二氧化碳?xì)怏w傳感器模塊，量程范圍O至10000ppmo
[0059]7.氧氣傳感器(707)，采用ME3-02氧氣傳感器模塊，量程范圍O至30 %。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下機(jī)器人通信控制系統(tǒng)，其特征在于:系統(tǒng)主要包括井下機(jī)器人、機(jī)器人控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備;井下機(jī)器人具有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊、陀螺儀傳感器、路由投放裝置，視頻采集設(shè)備、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器;井下機(jī)器人采用多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器人控制設(shè)備通信;井下機(jī)器人攜帶有多個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備;路由投放裝置用于在井下機(jī)器人行進(jìn)過程中投放無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍隨井下機(jī)器人的行進(jìn)路程的增加而不斷推進(jìn);機(jī)器人控制設(shè)備通過井下機(jī)器人攜帶的視頻采集設(shè)備采集視頻或圖像數(shù)據(jù);機(jī)器人控制設(shè)備通過井下機(jī)器人攜帶的語音采集元件采集語音信號，通過井下機(jī)器人攜帶的語音放大設(shè)備將語音數(shù)據(jù)還原為語音信號。2.如權(quán)利要求1所述的通信控制系統(tǒng)，其特征在于:井下機(jī)器人所攜帶的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備在投放前均已加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并可正常工作。3.如權(quán)利要求1所述的通信控制系統(tǒng)，其特征在于:井下機(jī)器人采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，用于攜帶各類與井下現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測相關(guān)的傳感器模塊，所采集數(shù)據(jù)通過多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制設(shè)備。4.如權(quán)利要求3所述的通信控制系統(tǒng)，其特征在于:井下機(jī)器人攜帶包括溫度、一氧化碳、二氧化碳、甲燒氧氣傳感器中的一個(gè)或多個(gè)傳感器。5.如權(quán)利要求1所述的通信控制系統(tǒng)，其特征在于:當(dāng)機(jī)器人控制設(shè)備部署于井上時(shí)，井下機(jī)器人受機(jī)器人控制設(shè)備控制從井上出發(fā)移動(dòng)至井下。6.如權(quán)利要求1所述的通信控制系統(tǒng)，其特征在于:井下機(jī)器人包括采用兩軸或多軸旋翼飛行移動(dòng)的機(jī)器人。
【文檔編號】G08C17/02GK205648007SQ201620141953
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年2月25日
【發(fā)明人】孫繼平, 劉毅
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)(北京)