基于A(yíng)RM的煤礦機(jī)器人井下防護(hù)探測(cè)系統(tǒng)研究

程立新，程靜濤

CHENG Li-xin, CHENG Jing-tao

（山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030013)

0 引言

煤礦井下作業(yè)，經(jīng)常發(fā)生瓦斯爆炸事故，造成很大的人員傷亡，給國(guó)家造成數(shù)以百萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失。如何防止此類(lèi)惡性事故的發(fā)生是當(dāng)今科技界亟待解決的問(wèn)題，本文就此問(wèn)題采用了ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感和履帶式機(jī)器人探測(cè)技術(shù)可以較好的進(jìn)行井下瓦斯爆炸事故的預(yù)測(cè)和報(bào)警工作，其特點(diǎn)是快速準(zhǔn)確探測(cè)、及時(shí)預(yù)報(bào)報(bào)警。

1 ZigBee無(wú)線(xiàn)站點(diǎn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)站點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)

圖1 ZigBee無(wú)線(xiàn)站點(diǎn)電路原理框圖

ZigBee站點(diǎn)的電路采用統(tǒng)一的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)， ZigBee無(wú)線(xiàn)站點(diǎn)主要完成的功能有三個(gè)：1）進(jìn)行瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)；2）溫度探測(cè)，主要用于探測(cè)井下溫度是否適合開(kāi)采作業(yè)或搶險(xiǎn)救援；3）當(dāng)發(fā)現(xiàn)上述情況異常時(shí)及時(shí)報(bào)警。

ZigBee模塊采用Chipcon公司的的2.4 GHz射頻系統(tǒng)的CC2430芯片。該芯片具有成本低、耗電小、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多和傳輸距離遠(yuǎn)等顯著特點(diǎn)。芯片上集成了ZigBee射頻前端、128KB可編程內(nèi)存和8KB的RAM、51內(nèi)核微控制器；還有ADC、定時(shí)器、協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器和21個(gè)可編程I／O引腳。需要很少的外圍電路CC2430芯片即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能。

1.2 瓦斯?jié)舛葌鞲衅髂K

煤礦機(jī)器人最核心的任務(wù)是對(duì)井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)，為了準(zhǔn)確檢測(cè)瓦斯?jié)舛龋瑢?duì)傳感器等設(shè)備選取很關(guān)鍵。而光纖傳感器很適合在惡劣和危險(xiǎn)環(huán)境下使用，因而得到普遍重視。瓦斯?jié)舛葯z測(cè)光纖傳感器利用瓦斯氣體的光譜吸收檢測(cè)其濃度，光譜吸收式光纖傳感系統(tǒng)遵循氣體分子的選擇吸收理論，即氣體分子只能吸收那些能量正好等于它的某兩個(gè)能級(jí)能量之差的光子(△E=hv)。不同分子結(jié)構(gòu)的氣體只能吸收不同頻率的光子。當(dāng)光強(qiáng)為I0的平行光入射到含有待測(cè)瓦斯氣體的開(kāi)放氣室時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，由Beer—Lambert定律知：輸出光強(qiáng)I(λ)與輸入光強(qiáng)I0(λ)和氣體濃度C之聞的關(guān)系為：

(1)式中各量意義如下：

aλ—波長(zhǎng)一定時(shí)單位濃度、單像長(zhǎng)度的介質(zhì)吸收系數(shù)；

L—吸收路徑的長(zhǎng)度；

C—?dú)怏w的濃度。

由(1)式進(jìn)一步推出

由(2)式可知:如果已知L，aλ、I0(λ)，就能通過(guò)測(cè)量I(λ)計(jì)算出氣體的濃度C。但要明確不同濃度的同一物質(zhì)在相同的波長(zhǎng)處有著相同的吸收系數(shù)aλ，而同一種物質(zhì)在不同波長(zhǎng)處的吸收系數(shù)是不同的。瓦斯氣體在波長(zhǎng)l330nm附近的吸收譜線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)可知波長(zhǎng)1331.5nm處為瓦斯氣體的吸收波峰。

本系統(tǒng)中選用上海光傲生產(chǎn)的PD34SC型中紅外窄帶響應(yīng)半導(dǎo)體光電二極管探測(cè)器作為瓦斯?jié)舛葌鞲衅? PD34SC型中紅外窄帶響應(yīng)半導(dǎo)體光電二極管探測(cè)器具有響應(yīng)速度快(ns級(jí))，電壓電流靈敏度高、工作溫度范圍寬、光譜響應(yīng)范圍窄和探測(cè)度精準(zhǔn)等特點(diǎn)。

1.3 溫度采集模塊

這里采用一線(xiàn)式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，溫度測(cè)量范圍為-55—+125℃，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，CPU只需一根端口線(xiàn)就能與多個(gè)DS18B20 通信，占用微處理器的端口少，將數(shù)字溫度傳感器DS18B20的數(shù)據(jù)線(xiàn)與CC2430的P2-0相連。CC2410和DS18B20 的通訊是由一個(gè)CPU的復(fù)位脈沖和一個(gè)DS18B20 的應(yīng)答脈沖開(kāi)始的。CC2430先發(fā)一個(gè)復(fù)位脈沖, 保持低電平480μs 到960μs后CC2430釋放總線(xiàn)，等待DS18B20應(yīng)答。DS18B20接受到復(fù)位脈沖后等待15 —60μs 發(fā)出應(yīng)答脈沖。

2 機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人機(jī)械部分設(shè)計(jì)

機(jī)器人主要完成巷道內(nèi)爬行，同時(shí)應(yīng)具備發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)也能夠行走的功能。因此，本機(jī)器人采用履帶式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)利用左右兩邊的驅(qū)動(dòng)電機(jī)即可完成前行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和后行停止等運(yùn)動(dòng)形態(tài)，整個(gè)裝置采用密封技術(shù),目的是為能夠適應(yīng)井下濕地行走，整個(gè)主電路部分設(shè)計(jì)平面比上下履帶高度小，這樣的設(shè)計(jì)為的是發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，能夠照常運(yùn)行，只是在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)翻轉(zhuǎn)感應(yīng)器，一旦發(fā)生翻轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)翻轉(zhuǎn)感應(yīng)器即可判斷出正確的運(yùn)行方向，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行姿態(tài)，使其正常運(yùn)行。

2.2 基于A(yíng)RM的嵌入式機(jī)器人控制模塊

嵌入式機(jī)器人控制模塊采用三星公司ARM9系列的S3C2410處理器作為服務(wù)機(jī)器人的控制CPU，在嵌入式系統(tǒng)Linux下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制。S3C2410處理器采用 ARM920T內(nèi)核，5級(jí)流水線(xiàn)指令結(jié)構(gòu)，片內(nèi)鎖相環(huán)，內(nèi)部時(shí)鐘可達(dá)200 MHz，因此可用來(lái)進(jìn)行復(fù)雜控制算法，提高控制精度。S3C2410有117個(gè)I／O口和24個(gè)外部中斷源，內(nèi)部具有豐富的接口控制器和如：USB控制器、DMA控制器、UART控制器和I2C控制器等，這樣既可簡(jiǎn)化外圍電路，同時(shí)其內(nèi)部時(shí)鐘可達(dá)200 MHz，高性能指令集與C語(yǔ)言交叉匯編能使其完成復(fù)雜運(yùn)算，提高機(jī)器人控制的實(shí)時(shí)性。整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 主電路模塊

嵌入式CPU（S3C2410處理器）外圍設(shè)備包括：1）SDRAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器可以完成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭搿?）FLASH閃存主要完成程序存儲(chǔ)和常用數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。3）JTAG接口主要完成程序的調(diào)試和寫(xiě)入。4）液晶屏可以顯示目前機(jī)器人的工作狀態(tài)。S3C2410內(nèi)置有液晶控制器，可以支持最大256 K色的TFT彩色液晶屏、最大4 K色的STN彩色液晶屏，這里選用LQ080V3DG01型8英寸640x480 TFT液晶屏，該液晶屏上配有4線(xiàn)電阻式觸摸屏，用于檢測(cè)屏幕觸摸輸入信息，有利于提高人機(jī)交互的友好性；5）鍵盤(pán)可以完成必要的基本操作和系統(tǒng)復(fù)位操作。用ARM S3C2410系統(tǒng)8個(gè)按鍵中的S11、S12、S13作為輸入部分,實(shí)現(xiàn)對(duì)人機(jī)界面的選擇操作。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

由于有刷電機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，火花易引燃瓦斯而產(chǎn)生爆炸, 而步進(jìn)電機(jī)不會(huì)像有刷電機(jī)那樣產(chǎn)生火花,為此,本機(jī)器人驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力能源。目前已有多種用于小功率的步進(jìn)電機(jī)集成功率驅(qū)動(dòng)接口電路可供選用。利用H橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線(xiàn)上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

L298芯片是一種H橋式驅(qū)動(dòng)器，它設(shè)計(jì)成接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。H橋可承受46V電壓，相電流高達(dá)2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的邏輯電路使用5V電源，功放級(jí)使用5-46V電壓，下橋發(fā)射極均單獨(dú)引出，以便接入電流取樣電阻。L298(等)采用15腳雙列直插小瓦數(shù)式封裝，工業(yè)品等級(jí)。從圖3可知，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制是由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制器完成轉(zhuǎn)速的調(diào)整，使用L297(環(huán)形分配器專(zhuān)用芯片)和L298構(gòu)成的具有恒流斬波功能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。完全滿(mǎn)足機(jī)器人行進(jìn)速度的控制要求。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)器人行進(jìn)方向主要是利用左右兩個(gè)履帶的轉(zhuǎn)速不同而產(chǎn)生方向的變化，如左履帶速度快，右履帶速度慢則機(jī)器人向右轉(zhuǎn)，反之向左轉(zhuǎn)。可以分別控制左右兩個(gè)履帶的速度完成向前、前左轉(zhuǎn)、前右轉(zhuǎn)、后行、后左轉(zhuǎn)、后右轉(zhuǎn)和停止等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的操作。

2.4 CCD圖像采集模塊

圖象信號(hào)采集轉(zhuǎn)換電路使用SAA7111，它是雙通道模擬信號(hào)處理電路芯片，每一處理電路包括模擬信號(hào)的選擇、抗混疊濾波器、ADC、一個(gè)自動(dòng)鉗位和增益控制、時(shí)鐘發(fā)生電路、數(shù)字多標(biāo)準(zhǔn)解碼器、亮度/對(duì)比度/飽和度控制電路和顏色空間矩陣。它基本的功能是A/D轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字視頻信號(hào)符合ITU601標(biāo)準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee模塊的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似于移動(dòng)通信網(wǎng)，所不同的是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)與站點(diǎn)距離僅100m左右。為了防止站點(diǎn)之間相互通信占用頻帶空間，本ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1）正常情況下以機(jī)器人站點(diǎn)為基站，每個(gè)相鄰站點(diǎn)只能和基站進(jìn)行通信，站點(diǎn)之間不能相互通信。

2）特殊情況下，如遇到瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，發(fā)現(xiàn)透水，巷道溫度超標(biāo)等特殊情況，處于危險(xiǎn)區(qū)的站點(diǎn)或機(jī)器人基站均可以使用廣播形式發(fā)送預(yù)警信號(hào)，此時(shí)不管是相鄰站點(diǎn)還是基站均可以接收，并以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)到下一站點(diǎn)或基站。使其在最短時(shí)間內(nèi)通知整個(gè)作業(yè)面甚至井上指揮部，采取措施進(jìn)行撤離。

3）站點(diǎn)之間的通信均遵守類(lèi)802.3的載波偵聽(tīng)/沖突檢測(cè)協(xié)議。

3.2 機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括：嵌入式系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)。主要完成在嵌入式系統(tǒng)Linux下完成的系統(tǒng)初始化，中斷處理程序接口，機(jī)器人ZigBee通信程序的設(shè)計(jì)，CCD視頻處理軟件設(shè)計(jì)，液晶屏軟件設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)接口軟件設(shè)計(jì)，按鍵功能軟件設(shè)計(jì)等。

按鍵功能設(shè)計(jì)采用控制三個(gè)按鍵S11、S12、S13的掃描并檢測(cè)其連擊次數(shù)。程序中先設(shè)置好默認(rèn)菜單,再調(diào)用函數(shù)GetKey()讀取被按下的鍵值。GetKey()函數(shù)直接讀取CPU器件上的按鍵值。若S11被按下,表示指向上一個(gè)圖標(biāo)菜單;若S12被按下,表示選擇當(dāng)前的圖標(biāo)功能;若S13被按下,表示指向下一個(gè)圖標(biāo)菜單。程序代碼如下

key = GetKey();

if(key==KEY_OK) break; // 點(diǎn)擊OK 鍵選擇

if(key==KEY_NEXT)

{ maenu[select].state = 0; // 取消上一選擇

GUI_MenuIcoDraw(&maenu [select]);

select++; // 指向下一菜單

if(select＞2) select=0;

maenu[select].state = 1;

GUI_MenuIcoDraw(&maenu [select]);

}

if(key==KEY_BACK)

{ maenu[select].state = 0; // 取消上一選擇

GUI_MenuIcoDraw(&maenu [select]);

if(select==0) select=2;

else select--; // 指向下一菜單

maenu[select].state = 1;

GUI_MenuIcoDraw(&maenu [select]);

4 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用S3C2410作為核心微控制器、基于ZigBee技術(shù)的CC2430作為無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，兩者之間實(shí)現(xiàn)了可靠的無(wú)線(xiàn)通訊,對(duì)煤礦中的瓦斯和溫度等進(jìn)行無(wú)線(xiàn)檢測(cè)；用步進(jìn)電機(jī)控制器控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向和速度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)控制,達(dá)到了理想的實(shí)用效果。

[1] 高立明,王駿,白建明.基于光纖傳感的瓦斯?jié)舛葴y(cè)試[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2006,6(16):2438-2448.

[2] 張明,劉岑俐.基于PIC單片機(jī)和DS18B20的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,2010,(4):54-56.