CN102968118A

CN102968118A - 一种基于无线通信的侦察机器人

Info

Publication number: CN102968118A
Application number: CN2012104360030A
Authority: CN
Inventors: 陈兴文; 姚亚澜; 马浩东; 于洋; 刘燕
Original assignee: Dalian Nationalities University
Current assignee: Dalian Minzu University
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2013-03-13

Abstract

本发明公开了一种基于无线通信的侦察机器人，旨在提供一种具有良好的运动性能，在煤矿井下的复杂环境中可以爬楼梯，还可以翻越障碍，跨越壕沟，涉过积水，自适应非结构地形。本发明是由中央处理控制模块，光电传感模块，超声波测距模块，摄像头采集模块，无线传输模块，显示模块，电机控制模块、遥控器和机器人机械体组成。本发明的主要用途是在煤矿井下发生瓦斯、粉尘等爆炸事故后，能及时代替人进入事故现场，实时将现场信息通过无线传输发送给总部的基于无线通信的侦察机器人。

Description

一种基于无线通信的侦察机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种用于煤矿井下发生瓦斯、粉尘等爆炸事故后，能及时代替人进入事故现场，实时将现场信息通过无线传输发送给总部的基于无线通信的侦察机器人。

技术背景

近年来，随着许多严重事故的发生，消防，抢险，防爆，检测等技术领域中的许多任务包含着其相应的危险性，已经不适合人们亲身去完成这些任务。

在我国，煤炭行业的伤亡事故，尤其是重特大伤亡事故的频频发生，其中该类事故的发生约有76%都是由于瓦斯、火灾的爆炸造成的，事故发生后，煤矿井下巷道内的一氧化碳和瓦斯浓度很高，烟雾大，能见度低，随时还会发生二次爆炸，给救护工作和侦察工作带来了很大的困难和危险。

针对上述问题，开发设计一种用于煤矿井下发生瓦斯、粉尘等爆炸事故后能代替人，及时地进入事故现场，实时的将现场信息通过无线传输发送给总部的侦察机器人就成为一种必要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于无线通信的侦察机器人，它是由中央处理控制模块，光电传感模块，超声波测距模块，摄像头采集模块，无线传输模块，显示模块，电机控制模块、遥控器和机器人机械体组成，所述机器人机械体带有四肢，其上装有电机控制模块控制模块，负责驱动车身及四肢的运动；所述的中央处理控制模块是控制中心负责接受和处理信息，并向各个模块发出指令信息；所述的超声波测距模块负责测距并通过所述的光电传感模块将信息输入到中央处理控制模块；摄像头采集模块采集信息，并将采集到的信号数据通过无线传输模块的发送端，实时地将信息发送到中央控制系统的无线模块接收端，接收端将数据通过中央控制系统处理判断，并实时地将侦查机器人接收到的信息用显示模块显示；遥控器通过无线通讯向无线模块发送信息指令，通过中央处理控制模块对机器人进行实时控制，使侦查机器人完成预定任务。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的模型图；

图3是本发明的程序软件流程图；

图4是本发明实施例中光传感器发射及接收电路原理图；

图5是本发明实施例中超声波发送及接收电路图；

图6是本发明实施例中cc1100无线控制模块原理图；

图7是本发明实施例中电机控制电路原理图；

图8是本发明实施例中电源模块电路图；

图9是本发明的机械设计分析图。

具体实施方案：

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，一种基于无线通信的侦察机器人，是由中央处理控制模块，光电传感模块，超声波测距模块，摄像头采集模块，无线传输模块，显示模块，电机控制模块、遥控器和机器人机械体组成，如图2所示，所述的机器人机械体带有四肢，其上装有电机控制模块控制模块，负责驱动车身及四肢的运动；所述的中央处理控制模块是控制中心负责接受和处理信息，并向各个模块发出指令信息；所述的超声波测距模块负责测距并通过所述的光电传感模块将信息输入到中央处理控制模块；摄像头采集模块采集信息，并将采集到的信号数据通过无线传输模块的发送端，实时地将信息发送到中央控制系统的无线模块接收端，接收端将数据通过中央控制系统处理判断，并实时地将侦查机器人接收到的信息用显示模块显示。遥控器通过无线通讯向无线模块发送信息指令，通过中央处理控制模块对机器人进行实时控制，使侦查机器人完成预定任务。操作人员可通过遥控器控制机器人运动，能够自由活动并完成任务，控制人员可以通过控制遥控器，通过观察，分析传回来的信息，对其实施控制及监测。在机器人跑出控制范围时，他可以根据任务自己寻找目标，完成任务后沿路返回以达到可控范围内，同时发出请求信号通知操作员对其进行控制。其可以搭载各种检测装置以完成不同任务，使机器人能够接替人完成危险，特殊的任务。

如图4所示，光电传感模块采用CD4081、红外调制管和激光发射管等器件组成，目的实现激光发射管远距离发射。为了使机器人能够有效地避开障碍物，在本发明中，为其安置了5mw激光管，使机器人能够探测前方是否存在障碍物，以便及时地做出判断，实时地对调整自身的运动速度与方向。激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特点。

超声波测距模块包括发射和解调两部分，均以CT40-16R/T(直径16mm）型号的超声波传感器为核心，发射部分由传感器和图5（a）中的74LS04整形电路组成，接收部分由传感器和图5（b）中CX20106为核心的电路组成。该模块在40KHz的频率下能够正常地工作，随时进行测距，实时地将信号传给中央处理控制模块，中央处理控制模块对其进行分析、处理，将控制信号传输给电机与舵机，控制机器人判断障碍物的位置，并对其进行及时的躲避，改变其运动的方向。

摄像头采集模块采用OV7620 CMOS型号摄像头。摄像头工作的主要原理是：按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采样图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度成一一对应关系的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。

如图6所示，无线传输模块采用CC1100及外围器件组成的无线控制模块，用于对机器人的远程控制，避免用导线对其进行控制，使机器人能够适应更多的地形。在实施本发明时，曾尝试采用2401进行控制，但发现2401的传输距离比较小，不利于控制，容易失去采集信号。经过大量的实验及精细的筛选，最后决定采用CC1100作为无线传输模块，从而实现了传输距离的提高。

CC1100是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在 315、 433、 868 和915MHz 的 ISM （工业，科学和医学）和 SRD（短距离设备）频率波段，可以容易地设置为 300-348 MHz、 400-464 MHz和 800-928 MHz 的其他频率。RF 收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达 500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。CC1100 为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。CC1100 的主要操作参数和 64 位传输/接收FIFO （先进先出堆栈）可通过 SPI 接口控制。

如图7所示，在电机控制模块中，其控制原理与履带式机器人不同，在本发明中，将轮胎与四肢同时安置。当机器人行进路况好时，四肢收起，只需用轮胎与导航舵机行进。电机的控制采用了H桥电路实现：

控制臂 1 置高电平（U=VCC），控制臂 2 置为低电平（U=0）时，Q1、Q4 截止，Q2、Q3 导通，电机左端低电平，右端高电平，所以电流沿着箭头方向流动。设电机正转；

控制臂 1 置为低电平、控制臂 2 置高电平时，Q2、Q3 截止，Q1、Q4 导通，电机左端为高电平，右端低电平，所以电流沿箭头方向流动。设电机反转。当置控制臂 1、2均为低电平时，Q1、Q2导通，Q3、Q4截止，电机两端均为高电平，电机不转；当置控制臂 1、2均为高电平时，Q1、Q2截止，Q3、Q4导通，电机两端均为低电平，电机也不转。

如图8所示，由于在电机控制模块中共有十一个舵机和一个电机及其他模块，需要的工作电流很大。为了保证系统的稳定供电采用了LM2576稳压芯片（最大电流可达3A）对电源进行控制，使舵机在负载的情况下能有足够的电流驱动，以便及时的对检查出的信息做出相应的反应。

图9为对机械结构设计及其分析原理图从图 9A可以看出，0~2.25 s 前，虽然小车支撑臂未与地面接触，但由于车身和支撑臂相对电机有一定质量，则当电机转动时容易引起整个模型的震动，表现在0~2.25 s 间曲线是上下波动的。在2.25 s 左右时，前支撑臂与地面接触，使该铰链处所受的力产生大的突变，在图3 中表现为垂直上升的直线。在2.25 s 以后，前支撑臂处所受的力随时间的增加而缓慢减小，这是由于当支撑臂从接触地面开始，到将小车完全抬起来的过程中，轮子与地面间的摩擦力变小了，使得撑起小车所需的力也相对变小。

从图9B可以看出，后支撑臂在铰链处所受的力与前支撑臂情况非常相似，但是力的大小变化趋势与前支撑臂相反.

从图 9C可以看出，2.25 s 左右时，前支撑臂与地面接触，使该铰链处所受的扭矩产生大的突变，在图中表现为垂直上升的直线。2.25 s 以后，前支撑臂处所受的扭矩表现为随时间的增加而有规律地减小。这是因为在测量扭矩时主要的因素是z 轴，当小车刚接触地面时，支撑臂的力作用点和测量的铰链处的距离最大。根据T = FS (F 代表铰链处所受的力，S 代表距离z 轴的距离)，从图3 可以看出，F 虽然有变化，但不是很大，而S 的变化相对明显，所以呈现出的一条曲线类似于二次函数曲线。

从图9D可以看出，后支撑臂与车身铰接处测得的扭矩变化与前支撑臂类似，由于车体重心偏后，所以扭矩的数值要明显大于前支撑臂，这由图反映的后支撑臂受力值大于前支撑臂的情况对应。

如图3所示，本发明的工作过程是：当机器人收到开始工作指令时，各模块开始初始化和前进，在前进过程中判断是否有障碍物，如果有障碍物则开始采集数据并发送，同时壁障；否则继续侦查。当行进过程中失去了遥控器控制，机器人将采取自主控制运动模式，在这一模式下，机器人在不断寻找遥控器发出的指令和侦查（数据采集）任务，如找到则自动切换为遥控模式；否则在自主控制运动模式下完成侦查（数据采集）任务。

本发明系统是以飞思卡尔的MC9S12DG128B作为中央处理控制核心，以四轮驱动车辆为载体，车上装有一台电机，主要负责驱动车身及四肢的运动，舵机对机器人的肢体的控制，在机器人行走的过程中，通过光电传感器的感应和超声波的测距，及时的做出对障碍物的避开与越过，摄像头图像采集信息，通过无线传输将采集到的信号及时返回给操作人员，通过显示器显示采集到的信息。通过以上功能模块实现了机器人能够适应复杂的地形环境，侦察，处理并发送实地信息等相关功能。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种基于无线通信的侦察机器人，具有这样的有益效果：本发明具有良好的运动性能，在煤矿井下的复杂环境中可以爬楼梯，还可以翻越障碍，跨越壕沟，涉过积水，自适应非结构地形。为人们的安全及准确实时的检查提供了极大地方便。

侦察机器人是一个具有一定智能的机器，在一定程度上完成了上述的功能，实现了能够跨越，行走在复杂，危险的环境下，代替人承担监测、勘察、取样以及对现场紧急情况进行及时处理等任务，且通过无线传输，实时的将信息发回给总部，方便人们及时了解到危险环境下的一些重要信息，对事故后环境的救援和监测工作做到及时的了解和对其进行处理，最大程度上减少了在安全和经济方面上的损失。

Claims

1.一种基于无线通信的侦察机器人，其特征在于：它是由中央处理控制模块，光电传感模块，超声波测距模块，摄像头采集模块，无线传输模块，显示模块，电机控制模块、遥控器和机器人机械体组成，所述机器人机械体带有四肢，其上装有电机控制模块控制模块，负责驱动车身及四肢的运动；所述的中央处理控制模块是控制中心负责接受和处理信息，并向各个模块发出指令信息；所述的超声波测距模块负责测距并通过所述的光电传感模块将信息输入到中央处理控制模块；摄像头采集模块采集信息，并将采集到的信号数据通过无线传输模块的发送端，实时地将信息发送到中央控制系统的无线模块接收端，接收端将数据通过中央控制系统处理判断，并实时地将侦查机器人接收到的信息用显示模块显示；遥控器通过无线通讯向无线模块发送信息指令，通过中央处理控制模块对机器人进行实时控制，使侦查机器人完成预定任务。