煤礦安全生產(chǎn)探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

索圣超　巴驕

摘 要：煤礦安全生產(chǎn)機(jī)器人可以代替人工在進(jìn)入礦井作業(yè)之前探測(cè)井下是否有安全隱患，并可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式向地面上位機(jī)傳輸當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)，以預(yù)防發(fā)生安全事故。在井下發(fā)生事故之后，救助人員不可能在短時(shí)間內(nèi)救出被困人員，而且此時(shí)無(wú)法保證井下是否會(huì)再次發(fā)生事故，這時(shí)，可利用井下不同位置布置的安全生產(chǎn)機(jī)器人向上位機(jī)通過(guò)wifi方式傳回井下的視頻和圖片以及當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)，這樣一方面可以快速的找到被困人員，另一方面也提高了救援過(guò)程的安全因素。還可以以探測(cè)機(jī)器人為媒介實(shí)現(xiàn)井下與地面的實(shí)時(shí)溝通，以避免重大事故的發(fā)生，通過(guò)上位機(jī)的控制，也可以給下位機(jī)下達(dá)命令，執(zhí)行維修、救援等功能。本文是對(duì)煤礦安全生產(chǎn)機(jī)器人領(lǐng)域的一次探索。設(shè)計(jì)綜合可實(shí)用性、擴(kuò)展性、不同環(huán)境適應(yīng)性等因素，有很好的可持續(xù)開(kāi)發(fā)性。

關(guān)鍵詞：煤礦安全生產(chǎn)；機(jī)器人；設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.140

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的基本功能有：上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)送命令，控制機(jī)器人的動(dòng)作，下位機(jī)通過(guò)wifi模塊將視頻傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示，以達(dá)到監(jiān)控的效果。 如果時(shí)間充裕，可以增加溫度采集，空氣成分采集，避障，循跡等擴(kuò)展功能。根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的這些功能，制定出以下的總體設(shè)計(jì)方案：機(jī)器人需要向上位機(jī)傳輸視頻，為了能夠監(jiān)控到盡可能大的范圍，所以應(yīng)該為攝像頭設(shè)計(jì)一個(gè)可以?xún)蓚€(gè)自由度旋轉(zhuǎn)的云臺(tái)，這樣就可以通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控到攝像頭前方各個(gè)方向的環(huán)境。云臺(tái)可由兩個(gè)9g小舵機(jī)和一個(gè)攝像頭云臺(tái)改裝而成。為了能夠更好的適應(yīng)井下復(fù)雜的環(huán)境，機(jī)器人采用履帶方式。攝像頭云臺(tái)、電源、主控板、wifi模塊、藍(lán)牙模塊均搭載到一塊雅克力材料板上面。

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)器人的功能，下位機(jī)電路需要有單片機(jī)最小系統(tǒng)、穩(wěn)壓電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭模塊、WIFI模塊、藍(lán)牙模塊、UART模塊、ISP下載接口、JTAG仿真接口。還需要在PCB板上設(shè)計(jì)好電機(jī)接口、舵機(jī)接口、傳感器接口、藍(lán)牙模塊接口、wifi模塊接口以及電源接入口、電源擴(kuò)展口、單片機(jī)I/O擴(kuò)展接口等。由于是初次設(shè)計(jì)硬件電路，最好把各個(gè)模塊部分分別引出標(biāo)準(zhǔn)接口，這樣即使設(shè)計(jì)思路有問(wèn)題，也可以通過(guò)外接方式進(jìn)行修改。這樣還有個(gè)好處就是用到某個(gè)模塊的時(shí)候可以通過(guò)杜邦線(xiàn)或者短路帽將此模塊與單片機(jī)相連接。不用的時(shí)候也可以斷開(kāi)，這樣某一個(gè)模塊出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候不會(huì)影響到其他模塊，便與維修。

（1）CPU的選擇：CPU的選擇是十分重要的。先根據(jù)機(jī)器人的功能來(lái)確定CPU需要有哪些功能。第一，CPU要控制機(jī)器人的行進(jìn)電機(jī)和攝像頭云臺(tái)的兩個(gè)舵機(jī)，而舵機(jī)需要通過(guò)PWM來(lái)控制旋轉(zhuǎn)角度，雖然能通過(guò)軟件模擬的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM輸出，但是軟件模擬PWM輸出比較復(fù)雜而且不精確，所以CPU需要有PWM輸出的功能。第二，機(jī)器人要采集環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)，所以需要CPU具有AD轉(zhuǎn)換的功能。第三，本設(shè)計(jì)需要上位機(jī)與機(jī)器人進(jìn)行通信，所以CPU必須具有UART功能。由于機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的功能比較多，需要外擴(kuò)幾個(gè)模塊和傳感器所以CPU需要有較多的IO。綜上所述，CPU需要有PWM輸出功能，要有較多的IO，并且具有AD轉(zhuǎn)換功能和UART功能。經(jīng)過(guò)幾天時(shí)間的比較選擇，最后決定使用ATmega128作為機(jī)器人的控制芯片。

（2）攝像頭模塊的選擇：對(duì)于整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)而言，攝像頭模塊是十分重要的一部分，攝像頭的選擇直接決定下位機(jī)給下位機(jī)傳輸視頻的質(zhì)量。下位機(jī)傳回的圖像首先要保證清晰度，這就要求攝像頭的像素要高，還要保證視頻流暢，所以攝像頭模塊要支持mjpeg格式。綜合這些條件，最終決定選擇天敏S608高清攝像頭，這款攝像頭像素為軟件增強(qiáng)1600萬(wàn)，感光片類(lèi)型為CMOS Sensor，各方面性能都滿(mǎn)足本機(jī)器人的要求，而且價(jià)格也適中。

（3）通信模塊的選擇：本設(shè)計(jì)中通信模塊有三個(gè)作用，第一是上位機(jī)通過(guò)通信模塊給下位機(jī)發(fā)送命令，控制機(jī)器人的行動(dòng)，第二是下位機(jī)通過(guò)通信模塊給上位機(jī)傳回溫度、氣體濃度等環(huán)境參數(shù)，第三是機(jī)器人要向上位機(jī)傳回視頻，以達(dá)到監(jiān)控的目的。前兩個(gè)作用對(duì)通信模塊要求不是很高，藍(lán)牙、WIFI、無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊均可達(dá)到要求，但傳輸視頻對(duì)通信模塊的要求比較高，因?yàn)樯厦嬉呀?jīng)說(shuō)過(guò)，傳回的視頻要保證清晰度和流暢度，這就要求通信模塊有很快的傳輸速率。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的選擇與學(xué)習(xí)，決定選用機(jī)器人創(chuàng)意工作室研發(fā)的Robot-Link V3.0 RT WIFI視頻數(shù)傳模塊和HC-06無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙串口透?jìng)髂K，這兩個(gè)模塊配合使用可以滿(mǎn)足機(jī)器人上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信要求，而且這兩個(gè)模塊的價(jià)格也不太貴。

（4）下位機(jī)軟件選擇：機(jī)器人下位機(jī)采用C語(yǔ)言編程，而AVR單片機(jī)的編程環(huán)境不同于51單片，必須采用專(zhuān)用的軟件，本設(shè)計(jì)選用ICCV7 for AVR進(jìn)行編程，選用AVR Studio 4進(jìn)行在線(xiàn)仿真和程序下載。

3 上位機(jī)軟件選擇

機(jī)器人小車(chē)可以選擇PC機(jī)、手機(jī)、Pad、遙控器等做上位機(jī)控制端。這些途徑均較容易實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)選用安卓手機(jī)控制機(jī)器人動(dòng)作，由于時(shí)間限制，所以機(jī)器人直接選用成品的上位機(jī)軟件進(jìn)行控制，下位機(jī)軟件根據(jù)上位機(jī)源碼編程。同時(shí)使用兩部安卓手機(jī)控制機(jī)器人，一部手機(jī)控制小車(chē)的動(dòng)作，另外一部手機(jī)顯示機(jī)器人傳回的視頻，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。上位機(jī)軟件要包括以下幾個(gè)部分：控制行進(jìn)電機(jī)行進(jìn)方向的按鍵、控制攝像頭云臺(tái)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的按鍵、視頻采集窗口、環(huán)境參數(shù)采集窗口。整個(gè)軟件要形成模塊化，操作簡(jiǎn)單，要使其他人也可以在很短的時(shí)間內(nèi)能夠操作上位機(jī)軟件。

4 功能實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)調(diào)試，機(jī)器人各部分均能夠正常工作，上位機(jī)可以控制機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。攝像頭云臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)水平方向和垂直方向旋轉(zhuǎn)。機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)避障。下位機(jī)傳回的視頻非常流暢、清晰。機(jī)器人基本功能均能夠?qū)崿F(xiàn)。

5 結(jié)論

在我國(guó)，煤礦生產(chǎn)存在著較大的隱患，幾乎每天都有在礦井作業(yè)中死亡的礦工，而將煤礦安全生產(chǎn)機(jī)器人應(yīng)用到井下探測(cè)與事故救援中會(huì)大大提升煤礦生產(chǎn)的安全系數(shù)。煤礦安全生產(chǎn)機(jī)器人不僅可以探測(cè)礦井的環(huán)境參數(shù)并傳回地面上位機(jī)顯示，而且可以向上位機(jī)通過(guò)WIFI發(fā)回當(dāng)前環(huán)境的視頻和圖像，這樣就可以預(yù)防事故的發(fā)生。在發(fā)生事故時(shí)，安全生產(chǎn)機(jī)器人還可以協(xié)助地面救助人員熟悉事故現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境因素和實(shí)時(shí)拍攝視頻和圖像，這樣不僅可以預(yù)防二次事故的發(fā)生，保障救援人員的安全，還可以提高救援效率，為救援工作節(jié)省大量時(shí)間，并為被困人員提高生存的可能。

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