一種基于ucosii的礦井搜救系統(tǒng)及搜救方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于UC0SII的礦井搜救系統(tǒng)及搜 救方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤炭是一個(gè)國(guó)家不可或缺的能源，也是我國(guó)主要的能源之一。然而，國(guó)內(nèi)外煤礦事 故頻發(fā)，給經(jīng)濟(jì)建設(shè)與人們帶來(lái)了極大的損害。在加強(qiáng)礦井安全措施與注重礦井安全監(jiān)管 的同時(shí)，還需要一種應(yīng)用于事故發(fā)生后救援的搜救設(shè)備，將災(zāi)害降到最低。井下一旦發(fā)生事 故，通道狹隘，復(fù)雜的礦洞巷道，且空氣中充滿(mǎn)著爆炸性氣體，都將給礦難救援帶來(lái)極大的 困難。這就是需要井下救援機(jī)器人除具備良好的移動(dòng)設(shè)備之外，還需要良好的地形適應(yīng)能 力、避障能力以及搜索功能。因此，本發(fā)明針對(duì)目前國(guó)內(nèi)礦難頻發(fā)的狀況以及國(guó)內(nèi)外的機(jī)器 人研究現(xiàn)狀，提出了一種基于UC0SII的礦井搜救系統(tǒng)，可有效智能地執(zhí)行井下搜救任務(wù)，便 于礦難發(fā)生時(shí)被困人員的快速搜救。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于UC0SII的礦井搜救系統(tǒng)及搜救方法，能夠在礦難 發(fā)生后第一時(shí)間進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，幫助救援人員快速獲取現(xiàn)場(chǎng)信息，探明被困人員位置、采集災(zāi)難 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)信息、實(shí)時(shí)地返回災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)圖像、動(dòng)態(tài)規(guī)劃搜救路徑，力求搜救過(guò)程的高效 性，為生命救援提供保障。
[0004] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0005] 本發(fā)明基于UC0SII的礦井搜救系統(tǒng)由控制中心、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點(diǎn)和搜救 機(jī)器人組成;所述的搜救機(jī)器人攜帶移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)；所述的移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)將搜救機(jī)器人采 集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到路由器節(jié)點(diǎn)；所述的路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)的路徑查詢(xún)，并將數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器;所述的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在接收到移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息后，通過(guò) 串口向控制中心發(fā)送數(shù)據(jù);所述的控制中心在接收到數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)信息， 并向搜救機(jī)器人發(fā)出指令。
[0006] 所述的搜救機(jī)器人包括搜救機(jī)器人本體和搜救機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng);所述的搜救機(jī)器 人本體為三層車(chē)體結(jié)構(gòu);車(chē)體底層放置電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和電機(jī);車(chē)體中間層 放置電源模塊及主控板，電源模塊包括蓄電池和電源轉(zhuǎn)換模塊;機(jī)器人頂層放置多類(lèi)環(huán)境 傳感器、三軸加速度傳感器、無(wú)線(xiàn)通信模塊和機(jī)械手;所述的環(huán)境傳感器包括煙霧傳感器、 甲烷傳感器、溫濕度傳感器和熱釋電紅外傳感器;所述的機(jī)械手為六自由度機(jī)械手;所述的 主控板設(shè)有負(fù)責(zé)控制算法調(diào)度及驅(qū)動(dòng)各類(lèi)傳感器的下位機(jī)系統(tǒng);搜救機(jī)器人本體設(shè)有視覺(jué) 傳感器、雷達(dá)模塊和輪胎。
[0007] 所述主控板的核心為STM32F103RC型號(hào)微處理器;搜救機(jī)器人之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信 模塊自主組網(wǎng)及精確定位，無(wú)線(xiàn)通信模塊采用ZigBee模塊;ZigBee模塊的TX1、RX1腳分別與 微處理器的29、30腳相連;煙霧傳感器采用MQ2煙霧傳感器，溫濕度傳感器采用M2301數(shù)字溫 濕度傳感器;煙霧傳感器的輸出腳ADC1與微處理器的11腳相連，微處理器的ADC米樣煙霧傳 感器的輸出電壓;數(shù)字溫濕度傳感器的輸出引腳ADC2與微處理器的20引腳相連;熱釋電紅 外傳感器是BIS0001熱釋電紅外傳感器;熱釋電紅外傳感器的觸發(fā)腳EXTER1與微處理器的 41腳相連，當(dāng)熱釋電紅外傳感器感應(yīng)到人體紅外線(xiàn)時(shí)，輸出一個(gè)上升沿脈沖，微處理器捕獲 到這個(gè)脈沖，并向控制中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)；視覺(jué)傳感器的TX2、RX2腳分別與微處理器的51 腳、52腳相連，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)圖像的實(shí)時(shí)采集與傳輸;三軸加速度傳感器型號(hào)為MPU6050，其SCL 引腳和SDA引腳分別與微處理器的86、87引腳相連;雷達(dá)的OUT引腳與微處理器的57引腳相 連;雷達(dá)、三軸加速度傳感器、ZigBee模塊、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、視覺(jué)傳感器和熱釋 電紅外傳感器的VCC端都與電源模塊相連，GND端均接地;三軸加速度傳感器的其它引腳懸 空。
[0008]所述的搜救機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)包括第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)、第四電機(jī)、第一 驅(qū)動(dòng)器和第二驅(qū)動(dòng)器;第一電機(jī)和第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)搜救機(jī)器人本體前面的兩個(gè)輪胎，第三電 機(jī)和第四電機(jī)驅(qū)動(dòng)搜救機(jī)器人本體后面的兩個(gè)輪胎;第一驅(qū)動(dòng)器控制第一電機(jī)和第二電 機(jī)，第二驅(qū)動(dòng)器控制第三電機(jī)和第四電機(jī);微處理器的2~10腳依次接第一驅(qū)動(dòng)器的輸入端 口八1)2、81、82及第二驅(qū)動(dòng)器的輸入端口(：1工2、01、02 ;微處理器的58、59、61、62腳依次接 入第一驅(qū)動(dòng)器的PWMA、PWMB腳及第二驅(qū)動(dòng)器的PWMA、PWMB腳。
[0009] 所述的機(jī)械手以Arduino Uno R3單片機(jī)為控制板;Arduino Uno R3單片機(jī)的5、6、 7、15、16、17腳與實(shí)現(xiàn)機(jī)械手六個(gè)自由度的六個(gè)舵機(jī)的信號(hào)端相連;六個(gè)舵機(jī)的VCC端都與 電源模塊相連，GND端均接地;Arduino Uno R3單片機(jī)的2引腳與微處理器的46引腳相連，3 引腳與微處理器的45引腳相連。
[0010] 所述的無(wú)線(xiàn)通信模塊采用基于RSSI的極大似然估計(jì)算法來(lái)精確定位搜救機(jī)器人 方位，確定搜救機(jī)器人坐標(biāo);RSSI測(cè)距技術(shù)的公式為： 中，Pt表示移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，取值為0dBm;pL(dQ)表示距離為lm處的接受功率;p(d) 為距離未知節(jié)點(diǎn)d處接收的RSSI信號(hào)強(qiáng)度值;X。為遮蔽因子;極大似然估計(jì)算法是在已知η 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的情況下，通過(guò)求取未知節(jié)點(diǎn)到各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離均方差最小得到，η 2 3。
[0011] 所述的每種傳感器在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)之前，通過(guò)卡爾曼濾波原理對(duì)采集 的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。
[0012] 所述的下位機(jī)系統(tǒng)為UC0SII嵌入式系統(tǒng)，包括開(kāi)始任務(wù)模塊及與開(kāi)始任務(wù)模塊通 信的數(shù)據(jù)采集任務(wù)模塊、無(wú)線(xiàn)通訊任務(wù)模塊、機(jī)械手控制任務(wù)模塊和算法調(diào)度任務(wù)模塊;數(shù) 據(jù)采集任務(wù)模塊管理環(huán)境傳感器、三軸加速度傳感器和視覺(jué)傳感器;環(huán)境傳感器通過(guò)RS232 接口與數(shù)據(jù)采集任務(wù)模塊通訊;視覺(jué)傳感器通過(guò)RS485接口將現(xiàn)場(chǎng)圖像傳送到數(shù)據(jù)采集任 務(wù)模塊中；三軸加速度傳感器通過(guò)IIC接口將角度值傳送到數(shù)據(jù)采集任務(wù)模塊中；機(jī)械手控 制任務(wù)模塊管理搜救機(jī)器人上搭載的機(jī)械手;算法調(diào)度任務(wù)模塊通過(guò)主控板中的動(dòng)態(tài)尋優(yōu) 算法輸出PWM值，控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速;無(wú)線(xiàn)通信任務(wù)模塊通過(guò)RS485與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通 信;無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)將控制中心、無(wú)線(xiàn)通信模塊和搜救機(jī)器人聯(lián)系起來(lái)。
[0013] 所述控制中心的上位機(jī)系統(tǒng)包括菜單模塊、狀態(tài)模塊、串口模塊、攝像頭模塊、機(jī) 械臂模塊、傳感器模塊和幫助模塊;菜單模塊選擇軟件功能;狀態(tài)模塊顯示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)；串口模塊設(shè)置串口參數(shù);攝像頭模塊顯示視覺(jué)傳感器的當(dāng)前數(shù)據(jù)和控制視覺(jué)傳感器的 角度;機(jī)械臂模塊控制機(jī)械臂的動(dòng)作;傳感器模塊顯示各類(lèi)傳感器的數(shù)據(jù)并且具有報(bào)警功 能;幫助模塊顯示軟件使用的注意事項(xiàng)及基本操作。
[0014] 基于UC0SII的礦井搜救系統(tǒng)進(jìn)行搜救的方法，具體步驟如下：
[0015] 步驟一、控制中心發(fā)出搜索指令，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊傳輸?shù)剿丫葯C(jī)器人，搜救機(jī)器 人開(kāi)始無(wú)序搜索。
[0016] 步驟二、搜救機(jī)器人在搜索過(guò)程中，通過(guò)環(huán)境傳感器采集當(dāng)前環(huán)境參數(shù)信息，并且 將當(dāng)前環(huán)境參數(shù)信息進(jìn)行卡爾曼濾波后反饋至控制中心，控制中心對(duì)采集到的環(huán)境參數(shù)信 息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。
[0017] 步驟三、搜救機(jī)器人將視覺(jué)傳感器采集到的現(xiàn)場(chǎng)圖像信息實(shí)時(shí)地反饋到控制中 心，控制中心的視頻顯示界面顯示出當(dāng)前災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的圖像信息。
[0018] 步驟四、無(wú)線(xiàn)通信模塊通過(guò)定位算法對(duì)當(dāng)前的搜救機(jī)器人進(jìn)行定位，并將搜救機(jī) 器人的坐標(biāo)信息反饋至控制中心的上位機(jī)系統(tǒng);上位機(jī)系統(tǒng)繪制各個(gè)搜救機(jī)器人運(yùn)行軌跡 圖，實(shí)時(shí)分析當(dāng)前搜救路線(xiàn)。
[0019] 步驟五、搜救機(jī)器人若通過(guò)熱釋電紅外傳感器檢測(cè)到生命信息，便將在當(dāng)前坐標(biāo) 定位一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，并將該標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)信息反饋至控制中心，控制中心發(fā)出警報(bào)聲，所有搜救 機(jī)器人都將以該標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)為中心，進(jìn)行組網(wǎng)聯(lián)動(dòng)搜索，逐步擴(kuò)大搜索范圍。搜救機(jī)器人若 沒(méi)有檢測(cè)到生命信息，則繼續(xù)無(wú)序搜索。
[0020] 步驟六、搜救機(jī)器人上搭載的主控板在搜索過(guò)程中進(jìn)行算法分析，對(duì)多種傳感器 及組網(wǎng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合算法，規(guī)劃動(dòng)態(tài)路徑。
[0021] 步驟七、災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)地圖已搜索完畢，各搜救機(jī)器人按當(dāng)前規(guī)劃的最優(yōu)搜救路徑返 回。
[0022]步驟八、進(jìn)行下一個(gè)地圖的搜索工作。
[0023]本發(fā)明的有益效果在于:為礦難發(fā)生時(shí)礦井環(huán)境復(fù)雜、潛在危險(xiǎn)性大、救援工作開(kāi) 展緩慢、大型救援設(shè)備難以及時(shí)到位提供了一套解決方案。與傳統(tǒng)的人力救援相比，其優(yōu)勢(shì) 在于：（1)用機(jī)器代替人去執(zhí)行復(fù)雜、危險(xiǎn)的礦井救援任務(wù)，保障了救援人員的安全性。（2) 通過(guò)搜救機(jī)器人上搭載的視覺(jué)傳感器及多種環(huán)境傳感器，救援人員可對(duì)災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)有一個(gè)初 步環(huán)境認(rèn)知，解決了傳統(tǒng)救援環(huán)境數(shù)據(jù)缺失的缺點(diǎn)。（3)通過(guò)先進(jìn)的搜救算法，由搜救機(jī)器 人作為"先行者"，合理地規(guī)劃出一條"最優(yōu)搜救路徑"，提高了搜救效率。（4)能夠在礦難發(fā) 生后第一時(shí)間進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，幫助救援人員快速獲取現(xiàn)場(chǎng)信息，探明被困人員位置、采集災(zāi)難現(xiàn) 場(chǎng)環(huán)境參