CN103147789B - 煤矿井下救援机器人控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿井下救援机器人控制系统及控制方法，涉及机器人控制技术领域，该系统包括通讯模块、环境感知模块、自身感知模块、避障模块、电机驱动模块、自主导航模块、数据采集控制模块、视觉感知模块、远程监控模块、自动降温模块等。该系统具有远程监控模式和自主导航模式。本发明采用双层网络架构的分布式控制，系统结构灵活；光纤通讯结合无线通讯的灵活性便于调整救援机器人的数量，可以是一台机器人也可是多台机器人执行救援任务；远程监控兼备自主导航的功能提高了机器人运行的安全性和智能化水平；自动降温系统保证了机器人控制系统的可靠运行。

Description

煤矿井下救援机器人控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，具体是一种煤矿井下救援机器人控制系统及控制方法。

背景技术

我国矿井有地质差、瓦斯高的特点，每年都有矿难事故的报道，造成社会的负面影响。当事故发生时，迫切需要了解井下环境情况，如瓦斯浓度、CO浓度、烟雾大小和井下能见度，是否还存在爆炸或其他危险等，但救护人员无法第一时间进入事故现场，这给灾难后实施营救带来严峻的挑战。然而在这种有浓烟、有毒气体和高温的事故现场，机器人不失为一种理想的探测和救援装置。

煤矿井下救援机器人的研究涉及信息通讯、定位及姿态控制、环境感知、自主导航等。煤矿井下通讯尤其图像视频通讯是个难题，无线通讯带宽低且延时长，易散射吸收，而有线通讯的线路搭建难以解决；煤矿井下救援机器人对环境信息要求复杂，要配备多种类型的传感器检测井下环境和自身信息作为煤矿井下救援机器人控制和感知现场环境数据的依据，实时可靠传输也是煤矿井下救援机器人的一大挑战，特别是多路视频及地理扫描信息的可靠传输决定了机器人的能否可靠运行和智能化水平的高低；井下复杂危险不确定的现场环境要求煤矿井下救援机器人具备自主导航能力和机器人自身温度控制功能；这些难题阻碍了煤矿井下救援机器人的发展。

发明内容

为了克服上述现有技术的去缺点，本发明提供一种煤矿井下救援机器人控制

系统及控制方法，能够灵活搭建通讯线路、数据实时传输、安全可靠运行。

本发明是以如下技术方案实现的：一种煤矿井下救援机器人控制系统，包括远程操控端和机器人本体端，远程操控端通过通讯模块发送控制指令遥控机器人的运动、接收机器人本体端上传到数据信息处理后变成直观的信息；其特征在于：所述的机器人本体端包括

用于检测井下现场的多种气体浓度、风速风向、机器人腔体及外部的温湿度的环境感知模块；

用于检测机器人的位置姿态以及检测机器人控制系统线路状态及续航能力的自身感知模块；

用于检测机器人两侧短距离内的障碍物以及检测机器人前后侧的长距离内地障碍物的避障模块；

用于执行控制指令驱动机器人执行动作的驱动模块；

用于生成定位和环境地图的构建进而规划机器人的运动轨迹的自主导航模块；

用于控制冷却剂阀门的启停间隔以及阀门的开度的自动降温模块；

用于采集图像数据和扫描数据并转换成数字信号的视觉感知模块；

用于采集环境感知模块、自身感知模块、避障模块、驱动模块、自动降温模块的数据的数据采集及控制模块。

其进一步是：所述的环境感知模块包括温湿度传感器、甲烷传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器和风速风向传感器。

所述的自身感知模块包括三轴光纤陀螺仪、三轴精密加速度计、力矩传感器、电流传感器、电压传感器和电量传感器；用三轴光纤陀螺仪、三轴精密加速度计、力矩传感器检测机器人的位置姿态，用电流传感器、电压传感器、电量传感器来检测机器人控制系统线路状态及续航能力。

所述的避障模块包括红外传感器和超声波传感器，红外传感器检测机器人两侧短距离内的障碍物，超声波传感器检测机器人前后侧的长距离内地障碍物。

所述的驱动模块包括行走机构的电机驱动器及编码器、摆臂电机驱动器及编码器、光纤收放电机驱动器及编码器，驱动模块与数据采集控制模块交换数据，执行控制指令驱动机器人执行动作。

所述的自主导航模块包括图像处理器、路径规划模块和地图生成模块，图像处理器处理视觉感知的数据生成定位和环境地图的构建进而规划机器人的运动轨迹。

所述的视觉感知模块包括全景摄像头、低照度摄像头，红外成像仪、三维激光扫描雷达和DSP采集处理单元，DSP采集处理单元采集图像数据和扫描数据并转换成数字信号，以相应的格式存储。

所述的自动降温模块包括冷却剂容器开关阀、百分比阀和溢出阀，数据采集及控制模块根据控制指令打开冷却剂容器开关阀，按设定的温度调整百分比阀的开度大小，到达设定压力后打开溢出阀。

一种煤矿井下救援机器人控制方法，采用上述控制系统，包括远程监控模式和自主导航模式；

远程监控模式由通讯模块、远程监控模块、数据采集及控制模块、视频感知模块、环境感知模块、自身感知模块、避障模块、驱动模块组成，远程监控模块装载于远程操控端，其他模块装载于机器人本体端；具体步骤如下：

1)控制系统开启并自检；

2)搭建通信网络，检测通讯是否良好；

3)视频感知模块、环境感知模块、自身感知模块、避障模块把相关信息传到远程监控模块，远程监控模块处理并显示机器人的位置姿态、自身状况及环境状况。

4)远程监控模块通过通讯模块将控制指令传送到数据采集控制模块；

5)数据采集控制模块处理后通过CAN网络传到驱动模块相应的驱动器，驱动煤矿井下机器人动作执行。

6)重复步骤3～5，实现远程控制机器人的动作，监测机器人本身及现场的信息；

自主导航模式由视觉感知、数据采集及控制模块、视频感知模块、环境感知模块、自身感知模块、避障模块、驱动模块组成，所有模块均装载于机器人本体；具体步骤如下：

1)控制系统开启并自检；

2)搭建通信网络，检测通讯是否良好；

3)视觉感知模块采集图像、地理扫描信息，处理后存储到内存；

4)自主导航模块读取内存的数据，进行处理计算，规划机器人的行走轨迹，并发指令到数据采集控制模块；

5)数据采集控制模块处理后通过CAN网络传到驱动模块相应的驱动器，驱动煤矿井下机器人动作执行；

6)重复步骤3～5，实现煤矿井下机器人的自主导航。

本发明的有益效果是: 采用双层网络架构的分布式控制系统，结构灵活便于增减；把无线通讯和光纤通讯有机结合，灵活调整机器人的数量，可以是一台机器人也可是多台机器人执行救援任务；采用双芯光纤通讯，从物理上把实时信号和非实时数据分离的特点提高了通讯系统的信息的传输能力和传输速度，进而提高了系统控制精度和实时性；将远程监控和自主导航有机结合的方式，提高了机器人运行的可靠性和智能化；自动降温系统保证了机器人控制系统的安全运行。应用本发明中的煤矿救援机器人控制系统能够方便的进行多机器人协作、机器人视觉感知信息处理、机器人自主导航、在煤矿井下复杂环境下实时安全可靠的进行救援任务，本发明具有很好的推广价值和社会价值。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明所提供的煤矿井下救援机器人控制系统结构示意图；

图2为本发明所提供的煤矿井下救援机器人控制系统的控制方法流程图；

具体实施方式

如图1所示，一种煤矿井下救援机器人控制系统，分远程操控端和机器人本体端，其中线框A为远程操控端，线框B为机器人本体端。具体包括以下几个组成部分：

通讯模块：包括远程通信光纤收发装置、无线模块、双芯阻燃光纤、光纤收放装置，远程通信光纤收发装置传输距离可达数十千米，有视频、数据、以太网接等接口，双芯阻燃光纤通过无线模块和远程操控端进行信息通讯，光纤收放装置用来搭建光纤通讯线路，其收放速度与机器人运动协调同步。

环境感知模块：包括温湿度传感器、甲烷传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器、风速风向传感器、相应的处理电路，检测井下现场的多种气体浓度、风速风向、机器人腔体及外部的温湿度。

自身感知模块：包括三轴光纤陀螺仪、三轴精密加速度计、力矩传感器、电流传感器、电压传感器、电量传感器，用三轴光纤陀螺仪、三轴精密加速度计、力矩传感器检测机器人的位置姿态，用电流传感器、电压传感器、电量传感器来检测机器人控制系统线路状态及续航能力。

避障模块：包括红外传感器和超声波传感器，红外传感器检测机器人两侧短距离内的障碍物，超声波传感器检测机器人前后侧的长距离内地障碍物。

驱动模块：包括行走机构的电机驱动器及编码器、摆臂电机驱动器及编码器、光纤收放电机驱动器及编码器，驱动模块与数据采集控制模块交换数据，执行控制指令驱动机器人执行动作。

自主导航模块：包括图像处理器，路径规划模块、地图生成模块，图像处理器处理视觉感知的数据生成定位和环境地图的构建进而规划机器人的运动轨迹。

远程监控模块：包括无线模块、嵌入式工控机、LCD显示器、监控键盘摇杆、驻留在工控机的监控软件，通过无线模块发送控制指令遥控机器人的运动、接收机器人本体端上传到数据信息处理后变成直观的信息。

数据采集及控制模块：包括高性能微控制器及外设、数据采集单元、以太网单元、CAN单元，采集处理CAN网络上的环境感知模块、自身感知模块、避障模块、驱动模块、自动降温模块的数据，通过以太网传到通讯网络；处理发来的控制信息生成相应的控制指令通过CAN网络控制行走电机、摆臂电机、光纤收放电机及降温模块的阀组。

视觉感知模块：包括全景摄像头、低照度摄像头，红外成像仪、三维激光扫描雷达、DSP采集处理单元，DSP采集处理单元采集图像数据和扫描数据并转换成数字信号，以相应的格式存储。

自动降温模块：包括冷却剂容器开关阀、百分比阀、溢出阀，数据采集及控制模块根据控制指令打开冷却剂容器开关阀，按设定的温度调整百分比阀的开度大小，到达一定压力后打开溢出阀。

本发明所提供的上述系统根据控制模式可分为远程监控模式和自主导航模式，模式的切换通过远程监控模块的监控软件进行切换。参照图2，远程监控模式：由远程监控模块处理机器人本体端传来的数据生成直观的信息，人工控制远程监控模块得到远程控制指令通过通讯模块传送到数据采集及控制模块，远程控制指令进一步被解析生成指令信号经CAN网络传到相应单元执行动作。

自主导航模式：视觉感知获取图像和雷达扫描数据，由自主导航模块进行处理后规划机器人运动轨迹然后发控制指令给数据采集及控制模块，控制指令进一步被解析生成指令信号经CAN网络传到相应单元执行动作，实现煤矿井下机器人智能完成任务。

如图2所示，自主导航模式由视觉感知、数据采集及控制模块、视频感知模块、环境感知模块、自身感知模块、避障模块、驱动模块组成，所有模块均装载于机器人本体；

远程监控模式由通讯模块、远程监控模块、数据采集及控制模块、视频感知模块、环境感知模块、自身感知模块、避障模块、驱动模块组成，远程监控模块装载于远程操控端，其他模块装载于机器人本体端；具体步骤如下：

1)控制系统开启并自检；

2)搭建通信网络，检测通讯是否良好；

3)视频感知模块、环境感知模块、自身感知模块、避障模块把相关信息传到远程监控模块，远程监控模块处理并显示机器人的位置姿态、自身状况及环境状况。

4)远程监控模块通过通讯模块将控制指令传送到数据采集控制模块；

5)数据采集控制模块处理后通过CAN网络传到驱动模块相应的驱动器，驱动煤矿井下机器人动作执行。

6)重复步骤3～5，实现远程控制机器人的动作，监测机器人本身及现场的信息。

自主导航模式由视觉感知、数据采集及控制模块、视频感知模块、环境感知模块、自身感知模块、避障模块、驱动模块组成，所有模块均装载于机器人本体；具体步骤如下：

1)控制系统开启并自检；

2)搭建通信网络，检测通讯是否良好；

3)视觉感知模块采集图像、地理扫描信息，处理后存储到内存；

4)自主导航模块读取内存的数据，进行处理计算，规划机器人的行走轨迹，并发指令到数据采集控制模块；

5)数据采集控制模块处理后通过CAN网络传到驱动模块相应的驱动器，驱动煤矿井下机器人动作执行；

6)重复步骤3～5，实现煤矿井下机器人的自主导航。

Claims (4)

1.一种煤矿井下救援机器人控制系统，包括远程操控端和机器人本体端，远程操控端通过通讯模块发送控制指令遥控机器人的运动、接收机器人本体端上传到数据信息处理后变成直观的信息；其特征在于：所述的机器人本体端包括

用于检测井下现场的多种气体浓度、风速风向、机器人腔体及外部的温湿度的环境感知模块；

用于检测机器人的位置姿态以及检测机器人控制系统线路状态及续航能力的自身感知模块；

用于检测机器人两侧短距离内的障碍物以及检测机器人前后侧的长距离内地障碍物的避障模块；

用于执行控制指令驱动机器人执行动作的驱动模块；

用于生成定位和环境地图的构建进而规划机器人的运动轨迹的自主导航模块；

用于控制冷却剂阀门的启停间隔以及阀门的开度的自动降温模块；

用于采集图像数据和扫描数据并转换成数字信号的视觉感知模块；

用于采集环境感知模块、自身感知模块、避障模块、驱动模块、自动降温模块的数据的数据采集及控制模块；

所述的环境感知模块包括温湿度传感器、甲烷传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器和风速风向传感器；所述的自身感知模块包括三轴光纤陀螺仪、三轴精密加速度计、力矩传感器、电流传感器、电压传感器和电量传感器；用三轴光纤陀螺仪、三轴精密加速度计、力矩传感器检测机器人的位置姿态，用电流传感器、电压传感器、电量传感器来检测机器人控制系统线路状态及续航能力；所述的避障模块包括红外传感器和超声波传感器，红外传感器检测机器人两侧短距离内的障碍物，超声波传感器检测机器人前后侧的长距离内地障碍物；所述的自主导航模块包括图像处理器、路径规划模块和地图生成模块，图像处理器处理视觉感知的数据生成定位和环境地图的构建进而规划机器人的运动轨迹；所述的视觉感知模块包括全景摄像头、低照度摄像头，红外成像仪、三维激光扫描雷达和DSP采集处理单元，DSP采集处理单元采集图像数据和扫描数据并转换成数字信号，以相应的格式存储；所述的数据采集及控制模块微控制器及外设、数据采集单元、以太网单元、CAN单元，采集处理CAN网络上的环境感知模块、自身感知模块、避障模块、驱动模块、自动降温模块的数据，通过以太网传到通讯网络；处理发来的控制信息生成相应的控制指令通过CAN网络控制行走电机、摆臂电机、光纤收放电机及降温模块的阀组。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下救援机器人控制系统，其特征在于：所述的驱动模块包括行走机构的电机驱动器及编码器、摆臂电机驱动器及编码器、光纤收放电机驱动器及编码器，驱动模块与数据采集控制模块交换数据，执行控制指令驱动机器人执行动作。

3.根据权利要求1所述的煤矿井下救援机器人控制系统，其特征在于：所述的自动降温模块包括冷却剂容器开关阀、百分比阀和溢出阀，数据采集及控制模块根据控制指令打开冷却剂容器开关阀，按设定的温度调整百分比阀的开度大小，到达设定压力后打开溢出阀。

4.一种煤矿井下救援机器人控制方法，采用权利要求1-3中的控制系统，其特征在于：包括远程监控模式和自主导航模式；

远程监控模式由通讯模块、远程监控模块、数据采集及控制模块、视频感知模块、环境感知模块、自身感知模块、避障模块、驱动模块组成，远程监控模块装载于远程操控端，其他模块装载于机器人本体端；具体步骤如下：

1)控制系统开启并自检；

2)搭建通信网络，检测通讯是否良好；

3)视频感知模块、环境感知模块、自身感知模块、避障模块把相关信息传到远程监控模块，远程监控模块处理并显示机器人的位置姿态、自身状况及环境状况；

4)远程监控模块通过通讯模块将控制指令传送到数据采集控制模块；

5)数据采集控制模块处理后通过CAN网络传到驱动模块相应的驱动器，驱动煤矿井下机器人动作执行；

6)重复步骤3）～5），实现远程控制机器人的动作，监测机器人本身及现场的信息；

自主导航模式由视觉感知、数据采集及控制模块、视频感知模块、环境感知模块、自身感知模块、避障模块、驱动模块组成，所有模块均装载于机器人本体；具体步骤如下：

1)控制系统开启并自检；

2)搭建通信网络，检测通讯是否良好；

3)视觉感知模块采集图像、地理扫描信息，处理后存储到内存；

4)自主导航模块读取内存的数据，进行处理计算，规划机器人的行走轨迹，并发指令到数据采集控制模块；

5)数据采集控制模块处理后通过CAN网络传到驱动模块相应的驱动器，驱动煤矿井下机器人动作执行；

6)重复步骤3）～5），实现煤矿井下机器人的自主导航。