基于無線傳感器網絡的井下機器人通信控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于無線傳感器網絡的井下機器人通信控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用于井下巡檢和事故救援，特別適用于發(fā)生瓦斯爆炸和火災等事故的礦井，井下機器人可到達存在有毒害氣體而救援人員無法到達的區(qū)域；所述系統(tǒng)主要包括井下機器人、機器人控制設備、無線傳感器網絡協(xié)調器和無線傳感器網絡路由設備；井下機器人具有無線傳感器網絡通信模塊、陀螺儀傳感器、路由投放裝置，視頻采集設備、麥克風和揚聲器；所述系統(tǒng)可使井下機器人的無線通信距離隨機器人的行進而不斷增長，保證井下機器人與控制設備的通信。解決了在礦井內的原有無線通信系統(tǒng)無法使用的情況下，井下機器人與控制設備的無線通信距離有限的問題。
【專利說明】
基于無線傳感器網絡的井下機器人通信控制系統(tǒng)
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種基于無線傳感器網絡的井下機器人通信控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)涉及無線通信和視頻、音頻采集等領域。
【背景技術】
[0002]隨著各類礦井生產的機械化、信息化和自動化程度的提高，中國礦井安全生產形勢逐年好轉，各類事故率和死亡率均大幅下降。然而井下生產環(huán)境復雜，還是不可避免的發(fā)生各類事故，事故發(fā)生后，及時掌握井下事故現場情況，是正確、有效救援，減少人員傷亡的關鍵。井下瓦斯爆炸和火災等事故，會產生大量C0，C02，CH4等有毒有害氣體，消耗大量02。當事故現場有毒有害氣體濃度超高、O2含量較低時、搜尋，救護人員難以到達有關區(qū)域進行偵察、搜尋和救援。井下機器人除用于救災外，也可用于井下巡檢領域。因此、研究井下機器人相關的技術十分必要。由于目前井下無線通信的接入設備需供電系統(tǒng)和通信光纜或電纜連接，所以事故發(fā)生時，巷道內原有無線通信系統(tǒng)無法使用，井下機器人必須自帶通信系統(tǒng)進行通信。輪式、履帶式、蛇形等地面行進的機器人可通過有線通信方式與控制設備進行通信，而采用飛行行進方式的機器人則應采用無線通信方式，目前井下無線傳感器網絡已得到較廣泛的應用，無線傳感器網絡通信具有成本低、組網靈活方便等特點，但通信距離受發(fā)射功率和空間阻擋等因素影響，直接影響井下機器人的工作距離。所以需要新的井下機器人通信組網方法與通信系統(tǒng)以保證井下機器人的通信距離。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型目的在于提供一種基于無線傳感器網絡的井下機器人通信控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括井下機器人、機器人控制設備、無線傳感器網絡協(xié)調器和無線傳感器網絡路由設備;井下機器人具有無線傳感器網絡通信模塊、陀螺儀傳感器、路由投放裝置，視頻采集設備、麥克風和揚聲器;井下機器人采用多跳無線傳感器網絡與機器人控制設備通信;井下機器人攜帶有多個無線傳感器網絡路由設備;路由投放裝置用于在井下機器人行進過程中投放無線傳感器網絡路由設備，無線傳感器網絡的覆蓋范圍隨井下機器人的行進路程的增加而不斷推進;機器人控制設備通過井下機器人攜帶的視頻采集設備采集視頻或圖像數據；機器人控制設備通過井下機器人攜帶的語音采集元件采集語音信號，通過井下機器人攜帶的語音放大設備將語音數據還原為語音信號。
[0004]1.所述的通信控制系統(tǒng)進一步包括:井下機器人在行進過程中通過無線傳感器網絡通信模塊監(jiān)測最近的固定無線傳感器網絡路由設備的信號強度，當滿足信號強度低于設定閾值時，則在當前位置投放新的固定無線傳感器網絡路由設備，重復執(zhí)行以上監(jiān)測和投放過程，無線傳感器網絡的覆蓋范圍隨井下機器人的行進路程的增加而不斷推進。
[0005]2.所述的通信控制系統(tǒng)進一步包括:井下機器人同時通過陀螺儀傳感器測量行進路程長度，當行進的路程長度達到設定閾值時，則在當前位置投放新的固定無線路由設備，重復執(zhí)行以上監(jiān)測和投放過程，無線傳感器網絡的覆蓋范圍隨井下機器人的行進路程的增加而不斷推進。
[0006]3.所述的通信控制系統(tǒng)進一步包括:井下機器人所攜帶的無線傳感器網絡路由設備在投放前均已加入無線傳感器網絡，并可正常工作。
[0007]4.所述的通信控制系統(tǒng)進一步包括:井下機器人采用模塊化結構，具有標準通信接口，用于攜帶各類與井下現場環(huán)境監(jiān)測相關的傳感器模塊，所采集數據通過多跳無線傳感器網絡傳輸至控制設備。
[0008]5.所述的通信控制系統(tǒng)進一步包括:井下機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)進一步包括:機器人控制設備可部署于井上也可部署于井下，井下機器人可受機器人控制設備控制從井上出發(fā)移動至井下。
[0010]7.所述的通信控制系統(tǒng)進一步包括:井下機器人包括采用兩軸或多軸旋翼飛行移動的機器人。
【附圖說明】
[0011]圖1系統(tǒng)實施方式I示意圖。
[0012]圖2系統(tǒng)實施方式2示意圖。
[0013]圖3四軸旋翼井下機器人結構示意圖。
[0014]圖4無線傳感器網絡路由器投放裝置示意圖。
[0015]圖5無線傳感器網絡路由器投放裝置仰視圖。
[0016]圖6四軸旋翼井下機器人主控板結構示意圖。
[0017]圖7四軸旋翼井下機器人數據采集板結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]所述通信控制系統(tǒng)的【具體實施方式】I如圖1所示，組成包括:
[0019]1.機器人控制設備(101)，負責控制井下機器人，通過多跳無線傳感器網絡和以太網接收井下機器人上傳的各類數據，包括視頻或圖像數據，各類傳感器數據、語音數據；同時通過以太網和多跳無線傳感器網絡向井下機器人發(fā)送控制數據和語音數據。
[0020]2.井上交換機(102)，負責所有接入以太網的設備的管理和數據交換。
[0021]3.井下交換機(103)，負責井下所有接入以太網的設備的數據交換。
[0022]4.井下機器人(104)，可采用旋翼飛行機器人，也可采用輪式、履帶式、蛇形等地面行進的機器人，攜帶多個Wifi路由設備(106)，用于在行進中投放布網。
[0023]5.無線傳感器網絡協(xié)調器(105)，負責多跳無線傳感器網絡的管理，接收和轉發(fā)所有無線傳感器網絡設備的數據，無線芯片采用TI的Zigbee標準的CC2531，并具有網絡接口和USB接口，用于連接井下交換機或直接通過USB接口機器人控制設備。
[0024]6.無線傳感器網絡路由設備(106)，負責無線傳感器網絡終端設備的接入和無線傳感器網絡接續(xù)，由電池供電，體積小重量輕，便于井下機器人攜帶，無線芯片采用TI的CC2530o
[0025]所述通信控制系統(tǒng)的【具體實施方式】2如圖2所示，與實施方式I的區(qū)別在于機器人控制設備(101)直接連接無線傳感器網絡協(xié)調器(105)，機器人控制設備可部署于井上也可部署于井下，機器人控制設備部署于井上時，井下機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)中的井下機器人可采用飛行機器人也可采用地面行進機器人，在本示例采用四軸旋翼井下機器人，機器人結構如圖3所示:
[0027]1.旋翼(301),通過旋轉使空氣向下運動產生升力，使機器人懸浮在空中。
[0028]2.電機(302)，負責為旋翼提供動力，由控制板控制轉速，通過各旋翼不同轉速而實現機器人的不同運動方向和姿態(tài)。
[0029]3.傳感器倉(303)用于放置各種類與井下現場環(huán)境監(jiān)測相關的傳感器模塊。
[0030]4.天線(304)用于無線信號發(fā)送和接收。
[0031]5.控制板倉(305)內置無人機控制板，用于飛行控制、數據采集和無線通信等。
[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(307)用于語音信號采集，當救援無人機到達井下工作人員被困地點時，可通過麥克風采集被困人員的語音信號，并通過無線傳感器網絡將語音數據傳送至機器人控制設備。
[0034]8.數字攝像機(308)用于視頻信號采集，由將視頻信號數字化并編碼壓縮，通過無線網絡和以太網將視頻或圖像數據傳送至控制設備。
[0035]9.舵機(311)為路由設備投放裝置提供動力，由控制板發(fā)出的脈沖信號控制，根據脈沖信號轉動特定角度。
[0036]10.無線傳感器網絡路由設備存放倉(309)用于路由設備存放。
[0037]11.轉盤(310)用于無線傳感器網絡路由設備投放控制。
[0038]路由設備投放裝置結構如圖4和圖5所示，主要包括無線傳感器網絡路由設備存放倉(309)和轉盤(310)，無線傳感器網絡路由設備存放倉(309)在上部，底部為帶有投放窗口的轉盤，舵機(311)的傳動軸連接舵盤(312)通過轉盤連接孔(317)和螺釘連接在轉盤(310)上，舵機帶動轉盤轉動將投放窗口(314)轉至無線傳感器網絡路由設備(106)下方，設備在重力作用下離開存放倉。
[0039 ] 如圖6所示為機器人的主控單元，包括:
[0040]1.主控板(601)，是機器人控制的核心部件，板上元件包括核心處理器、存儲單元、電源與時鐘單元、姿態(tài)傳感器的電機驅動單元;主控板還通過各類接口連接板外的各模塊或功能設備。
[0041 ] 2.核心處理器(602)，采用三星S3C2440處理器，S3C2440是基于ARM920T內核的微處理器，具有3個UART接口，2個SPI接口，2個USB接口，I個IIC-BUS接口 ；搭載Linux系統(tǒng)。
[0042]3.存儲單元(603);包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片IIC-BUS接口的 EEPR0M。
[0043]4.電源與時鐘模塊(604)包括電壓轉換和時鐘管理元件，DC電壓轉換均采用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，該傳感器內部包含三軸陀螺儀、三軸加速度計和一個AK8975三軸磁強計的MEMS器件，具有封裝體積小，讀寫配置方便的優(yōu)點，MPU-9150內部分別自帶了 16位的A/D，將其測量的模擬量，轉化為可輸出的數字量，采用IIC-BUS總線與核心處理器進行通信。
[0045]6.電機驅動單元(606)采用ST的直流電機驅動芯片L6234為核心進行電機的功率放大和驅動電路，將核心處理器輸出的PWM信號經驅動電路進行功率放大后驅動電機(3 O 2 )，通過P WM信號的不同脈寬實現對旋翼不同轉速的控制;每個電機需3個P WM控制信號和3個使能信號共6個接口，4個電機共需24個I/O接口。
[0046]7.數據采集板(607)，用于搭載各種井下現場環(huán)境監(jiān)測相關的傳感器模塊，將傳感器模塊的模擬信號I/O采集轉換，并將數據通過UART接口發(fā)送給主控板。
[0047]8.舵機(311)由一個I/0接口直接驅動控制，通過輸出不同脈沖寬度的脈沖信號實現對舵機轉動角度的控制。
[0048]9.數字攝像機(308)，采用自帶光源的具有數字視頻壓縮功能的USB口數字攝像機，USB 口連接主控板，由Linux及設備驅動程序提供支持。
[0049]10.麥克風(307)連接主控板的Mic接口，用于采集語音信號。
[0050]11.揚聲器(608)連接主控板的Phone接口，用于語音信號放大輸出。
[0051 ] 12.無線傳感器網絡通信模塊(609)，采用具有USB接口 Zigbee模塊，核心芯片采用TI的CC2531，由Linux及設備驅動程序提供支持，采用外置天線(304)。
[0052]數據采集板采用模塊化設計，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轉換I/O接口上。圖7為機器人的數據采集板的結構示意圖，主要包括:
[0053]1.處理器(701)，選擇TI公司的MSP430F147單片機，該型號為16位RISC結構，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內置精度為12位200kps的A/D轉換器，MSP430F147具有5種低功耗模式，使用LPM4模式時最低功耗可降至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.電源與時鐘模塊(704)，包括電壓轉換和時鐘管理元件，DC電壓轉換均采用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 二氧化碳氣體傳感器模塊，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 %。
【主權項】
1.一種基于無線傳感器網絡的井下機器人通信控制系統(tǒng)，其特征在于:系統(tǒng)主要包括井下機器人、機器人控制設備、無線傳感器網絡協(xié)調器和無線傳感器網絡路由設備;井下機器人具有無線傳感器網絡通信模塊、陀螺儀傳感器、路由投放裝置，視頻采集設備、麥克風和揚聲器;井下機器人采用多跳無線傳感器網絡與機器人控制設備通信;井下機器人攜帶有多個無線傳感器網絡路由設備;路由投放裝置用于在井下機器人行進過程中投放無線傳感器網絡路由設備，無線傳感器網絡的覆蓋范圍隨井下機器人的行進路程的增加而不斷推進;機器人控制設備通過井下機器人攜帶的視頻采集設備采集視頻或圖像數據;機器人控制設備通過井下機器人攜帶的語音采集元件采集語音信號，通過井下機器人攜帶的語音放大設備將語音數據還原為語音信號。2.如權利要求1所述的通信控制系統(tǒng)，其特征在于:井下機器人所攜帶的無線傳感器網絡路由設備在投放前均已加入無線傳感器網絡，并可正常工作。3.如權利要求1所述的通信控制系統(tǒng)，其特征在于:井下機器人采用模塊化結構，具有標準通信接口，用于攜帶各類與井下現場環(huán)境監(jiān)測相關的傳感器模塊，所采集數據通過多跳無線傳感器網絡傳輸至控制設備。4.如權利要求3所述的通信控制系統(tǒng)，其特征在于:井下機器人攜帶包括溫度、一氧化碳、二氧化碳、甲燒氧氣傳感器中的一個或多個傳感器。5.如權利要求1所述的通信控制系統(tǒng)，其特征在于:當機器人控制設備部署于井上時，井下機器人受機器人控制設備控制從井上出發(fā)移動至井下。6.如權利要求1所述的通信控制系統(tǒng)，其特征在于:井下機器人包括采用兩軸或多軸旋翼飛行移動的機器人。
【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(北京)