移動礦山機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

王 燕，史兆偉

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730021）

隨著科技的發(fā)展，煤礦救災(zāi)機(jī)器人應(yīng)用受到關(guān)注，礦山救災(zāi)機(jī)器人有很高的要求。設(shè)計(jì)適用的礦山移動機(jī)器人是研究者面臨的緊迫問題。近年來智能機(jī)器人研究水平不斷提高，全局規(guī)劃與動力學(xué)計(jì)算等模塊應(yīng)用技術(shù)推動機(jī)器人智能能力的增強(qiáng)，為保證智能系統(tǒng)擴(kuò)展，要求機(jī)器人控制系統(tǒng)具有一定的開放性，使得機(jī)器人控制系統(tǒng)研究成為亟待研究解決的復(fù)雜問題[1]。

1 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對集中控制結(jié)構(gòu)具有速度慢、耗時大、花費(fèi)高、可靠性差等缺點(diǎn)，本文提出一種總線型分布式體系結(jié)構(gòu)，此研究主張系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全分散，每一種功能都采用一片單片機(jī)或者其他微控制器來完成，并通過總線將幾個系統(tǒng)進(jìn)行連接，該系統(tǒng)共有5個節(jié)點(diǎn)，分別為：中央控制模塊節(jié)點(diǎn)、超聲避障模塊節(jié)點(diǎn)、導(dǎo)航定位模塊節(jié)點(diǎn)、圖像處理模塊節(jié)點(diǎn)以及其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，其整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主要模塊的功能如下：

（1）中央控制模塊：是整個控制系統(tǒng)的核心部件，機(jī)器人的運(yùn)動控制、運(yùn)行軌跡的規(guī)劃、各種傳感器信息的處理均由嵌入式微處理器ARM來處理完成。

（2）CAN總線接口模塊：CAN總線把ARM中央控制模塊、超聲避障模塊、導(dǎo)航定位模塊等聯(lián)系在一起，構(gòu)成一個分布式控制系統(tǒng)。

（3）超聲避障模塊及導(dǎo)航定位模塊：通過各種傳感器完成對周圍環(huán)境的信號采樣，并把采集到的信號處理成特定信號送到ARM處理模塊中以供其控制使用。

圖1 移動礦山機(jī)器人控制系統(tǒng)流程

2 移動礦山機(jī)器人開發(fā)的必要性

近年來，我國煤炭產(chǎn)量超過10%的速度增長，礦難事故頻發(fā)，百萬噸死亡率為4.17，全國煤礦發(fā)生死亡人數(shù)占世界的80%，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失，煤礦事故高發(fā)，重大事故頻發(fā)，事故后井下救援工作任務(wù)繁重。

目前我國采用救援方式基本為救護(hù)隊(duì)下井搜救，搜救方式時間長，我國煤礦重特大事故高發(fā)，要求必須及時進(jìn)行快速有效的井下救援工作，煤礦井下環(huán)境特殊，井下環(huán)境會受到不同程度破壞，井下與地面救援不同，搜救人員基本在巷道被破壞，高瓦斯惡劣條件下開展救援工作，工作難度大，礦難事故發(fā)生井下救援最佳時間較少，礦井中巷道縱橫交錯，要想實(shí)施有效的救援，關(guān)鍵是準(zhǔn)確確定井下曠工的具體位置[2]。

礦井是機(jī)器人相關(guān)研究發(fā)展緩慢的領(lǐng)域，各國對煤炭需求日益增長，將機(jī)器人技術(shù)引入礦業(yè)，主要用于掘進(jìn)，采煤等方面，國外很少有國家進(jìn)行機(jī)器人研究，美國，英國等是開展礦山救援機(jī)器人研究的最早國家，研究礦山救援機(jī)器人具有重要實(shí)際意義。

3 移動礦山機(jī)器人設(shè)計(jì)要求

煤礦生產(chǎn)經(jīng)常受到火災(zāi)等災(zāi)害的威脅，井下事故分為火災(zāi)事故，運(yùn)輸事故等，及時有效的救援搶救工作是減少事故損失的重要任務(wù)，如果井下作業(yè)礦工不能及時升井會被困在一些局部區(qū)域內(nèi)，搶救工作第一要務(wù)是搜救井下遇險礦工。我國煤礦企業(yè)超過兩萬座，國有重點(diǎn)煤礦基本有自己的救護(hù)隊(duì)伍，我國歷來重視礦業(yè)生產(chǎn)安全，國家安全生產(chǎn)成立應(yīng)急救援指揮中心，礦山救援網(wǎng)絡(luò)形成統(tǒng)一指揮，協(xié)同作戰(zhàn)的模式。

井下救援工作與地面救援不同，礦山救援工作主要由救護(hù)隊(duì)與消防部隊(duì)救援，災(zāi)后井下環(huán)境條件特殊，一些搜救方法不適合井下使用，礦井發(fā)生損毀為搜救工作帶來困難，精確定位井下人員位置是搜救工作的首要任務(wù)，救援設(shè)備缺乏加大了搜救工作的難度。

井下礦山搜尋機(jī)器人設(shè)計(jì)中應(yīng)基于礦山事故特點(diǎn)考慮相關(guān)因素，要滿足礦井特殊工作環(huán)境，要有快速搜尋井下人員功能，具有簡單的急救功能，煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，事故發(fā)生后井下地形，氣候條件惡劣，機(jī)器人需要具備快速搜尋的軟硬件，災(zāi)后發(fā)生前后井下特殊環(huán)境要求，機(jī)器人需要運(yùn)動靈活，具有越障礙的能力，能通過一些狹小空間，具有耐高溫，具備簡單急救功能。

4 礦山機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦山搜尋機(jī)器人主要滿足井下事故后工作環(huán)境要求，礦山搜尋機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)采用履帶式，設(shè)計(jì)四履帶結(jié)構(gòu)[1]。

井下搜尋工作對機(jī)器人外形尺寸有要求，應(yīng)考慮電源，控制電路的布置，有小的質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量。

礦山搜訓(xùn)機(jī)器人主要組成部分包括車體，視覺識別系統(tǒng)，控制系統(tǒng)等。車體是機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動平臺，承擔(dān)機(jī)器人井下行走功能，傳感器系統(tǒng)主要由超聲波傳感器及氣候參數(shù)檢測傳感器組成，用于收集井下氣候情況，機(jī)器人視覺識別系統(tǒng)由單目黑白CCD與數(shù)據(jù)采集卡組成，進(jìn)行圖像處理與礦工識別。為井下救援決策工作提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)承擔(dān)機(jī)器人運(yùn)動控制等工作。通訊系統(tǒng)完成內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，機(jī)器人后方井下臨時基站數(shù)據(jù)傳輸，可采用光纖傳輸方式。

礦山搜尋機(jī)器人運(yùn)動控制通過履帶單元運(yùn)動協(xié)調(diào)控制，包括對直流伺服電機(jī)驅(qū)動主動輪轉(zhuǎn)動速度控制，對第二輪直流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動支架轉(zhuǎn)動速度控制。

采用上下位機(jī)控制模式，通過通信系統(tǒng)與底層控制器作用，機(jī)器人控制系統(tǒng)由控機(jī)，電極驅(qū)動器等部分組成，機(jī)器人上位機(jī)根據(jù)傳感器采集狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)出指令，調(diào)整運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)。

上位機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，主要是規(guī)劃機(jī)器人系統(tǒng)動作，處理傳感器信號，視覺信息與圖像處理等，通過PCI總線接口連接多軸運(yùn)動控制卡，采用八軸運(yùn)動控制卡作為系統(tǒng)底層控制器，接受編碼器反饋信號，控制驅(qū)動電動機(jī)速度，腿式轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行伺服控制，實(shí)現(xiàn)履帶單元行走等基本動作，履帶單元基本動作組合實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動，DSP芯片適用于數(shù)據(jù)量大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，較好滿足機(jī)器人運(yùn)動精度的控制。

5 礦山搜尋機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對集中式控制結(jié)構(gòu)具有速度慢，花費(fèi)高等缺點(diǎn)，提出基于CAN總線的分布式體系結(jié)構(gòu)，每個功能采用單片機(jī)完成，通過CAN總線連接子系統(tǒng)，系統(tǒng)有中央控制模塊節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)航定位模塊節(jié)點(diǎn)，及其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。

中央控制模塊是控制系統(tǒng)的核心部件，機(jī)器人的運(yùn)動軌跡規(guī)劃由嵌入式處理器ARM處理完成，CAN總線將ARM中央控制模塊，導(dǎo)航定位模塊等聯(lián)系，導(dǎo)航定位模塊完成對周圍環(huán)境信號采樣，將采集信號處理成特定信號供ARM處理模塊使用[2]。

中央控制模塊系統(tǒng)采用周立功單片機(jī)公司開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺，是功能強(qiáng)大的32位ARM開發(fā)板，核心控制芯片采用ARM7TDMI-S內(nèi)核，具有JTAG調(diào)試功能。提供鍵盤，LED等常用功能部件，具有CF存儲卡結(jié)構(gòu)等，方便了在ARM嵌入式系統(tǒng)織進(jìn)行開發(fā)實(shí)驗(yàn)。CAN總線是支持分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，在自動控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，支持差分收發(fā)，傳輸距離較遠(yuǎn)。

導(dǎo)航等模塊節(jié)點(diǎn)CAN接口電路系統(tǒng)采用獨(dú)立的CAN控制器SJA1000，主要完成CAN通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)接受信息的過濾等。由于使用中央控制模塊開發(fā)板提供串行RS232接口，系統(tǒng)采用CSM100芯片，實(shí)現(xiàn)UART串行數(shù)據(jù)的雙向透明轉(zhuǎn)換。

實(shí)驗(yàn)通過超聲波傳感器進(jìn)行周圍環(huán)境采樣，發(fā)送梳子信號流到接地CAN總線接口模塊，對信號流進(jìn)行拆分形成CAN總線報文幀，中央控制模塊經(jīng)過節(jié)點(diǎn)的CAN接口?？简?yàn)收報文幀，確認(rèn)報文幀由超聲波模塊送的信號流，ARM分析決定機(jī)器人運(yùn)動，發(fā)送控制信號，驅(qū)動模塊轉(zhuǎn)換完成PWM信號控制電機(jī)速度。

6 結(jié)語

本文基于移動礦山機(jī)器人要求，設(shè)計(jì)CAN總線分布式機(jī)器人控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)中央控制模塊硬件電路，實(shí)驗(yàn)論證系統(tǒng)可靠性，控制系統(tǒng)具有靈活性。