CN103317514B

CN103317514B - 一种矿用环境探测机器人控制系统

Info

Publication number: CN103317514B
Application number: CN201310247123.0A
Authority: CN
Inventors: 刘建; 葛世荣; 朱华
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: CN103317514A

Abstract

本发明涉及一种矿用环境探测机器人控制系统，所述以太网网络服务器的光纤端口与中继模块相连通，以太网网络服务器的天线接口与前向天线相连接；以太网网络服务器的三个PoE口分别连接着机头网络摄像机、机尾前向网络摄像机及机尾后向网络摄像机，以太网网络服务器的三个RJ45端口分别连接着运动控制板、数据采集板及音频对讲模块；所述音频对讲模块与本安对讲系统相连通。该控制系统集成能力强、可扩展性好，有利于实现机电一体化，减少装载空间，并且也有利于系统的移植，缩短开发周期，降低开发成本；可以快速的响应环境动态变化，从而适应非结构化环境，并可以满足多机器人系统的协作。

Description

一种矿用环境探测机器人控制系统

技术领域

本发明涉及一种机器人控制系统，尤其是控制机器人进入矿井瓦斯爆炸灾害现场进行环境探测的一种矿用环境探测机器人控制系统。

背景技术

矿用环境探测机器人是代替救护队员对灾害后煤矿井下环境进行探测的设备。矿用环境探测机器人属于危险作业机器人的一种，为适应非结构化环境，危险作业机器人应该是一种具有环境认知、行为决策、运动控制等能力的智能移动机器人。而机器人控制系统是根据指令以及传感信息控制机器人完成以上功能的装置，是机器人的关键部件。

矿用环境探测机器人一般由救援人员搬运至灾害现场，因此重量要求轻。还要考虑防爆要求增加的负载。正常工作的矿井系统是根据地质特点与生产需要，按照一定的标准设计建设的，属于结构化环境，并且从结构上可分为竖井、巷道、回采工作面三类。矿井系统的空间非常狭窄，随着矿井服务年限的增加，环境也会发生变化，从而变成了非结构化环境。煤矿发生瓦斯和煤尘爆炸后，爆炸冲击波所波及到的巷道、工作面会受到不同程度的破坏。事故后的工作环境是由事故后对煤矿系统结构有影响的部分和事故后对煤矿工作环境无影响的部分组成，后者与正常工作的环境结构一致，并且，事故后的工作环境的非几何特征（如温度、风向、风速、瓦斯含量等）也发生了变化，瓦斯爆炸也会破坏供排水系统造成局部积水。矿井通信条件恶劣，矿井无线信号传输衰减大，发射功率受到限制，采用有线方式，会增加机器人的负载。因此，矿井环境对机器人来说是一种复杂的、多样的非结构环境。机器人主要依靠电池供电，并且应用于煤矿井下的电池种类有限，像比能量高的锂电池至今不允许用于煤矿井下，在重量限制下，所携带的电池有限，因此提供的能量也是有限的。

作为矿用环境探测机器人关键部件的控制系统，为适应以上非结构化环境，需要满足以下性能要求：低功耗，体积小，重量轻，减少防爆结构的负载，从而使机器人的负载减轻，提高续航能力；有集成能力强、可扩展性好，有利于实现机电一体化，减少装载空间，并且也有利于系统的移植，缩短开发周期，降低开发成本；采用实时多任务系统。实时系统可以快速的响应环境动态变化，从而适应非结构化环境；多任务处理方式可以充分利用计算能力；具有网络通信功能，满足多机器人系统的协作。

目前，国内已经研发多款矿用环境探测机器人控制系统。主要有以下几种：

基于工控机的闭式控制体系结构以功能较强、结构紧凑、可靠性高的工控机为核心，采用集中控制方式，通过采集卡采集各种数据，并通过I/O控制机器人驱动器。由于工控机的硬件多为固定的标准结构，因此不能灵活布置。工控机的功耗一般很高，热量释放较多。机器人为了防爆、防水，多采用密封设计，因此散热困难。采用闭式结构，专用性很强，扩展性不高。改变功能时，需要重新设计控制体系结构。

复合式体系结构采用慎思方式分布式控制系统具有较好的开放性和扩展性，是实现智能机器人控制体系结构理想的途径，可以满足对非结构环境进行建模与规划，并运用反应式行为来克服执行过程中动态变化的不确定性，具有较强的功能与应用灵活性。但PLC的实时性不高，不能进行多任务的处理，难以实现智能控制。PLC的体积也较大，不便于布置。

基于工控机的分布式控制体系结构以工控机为主控制器，各个模块之间采用总线方式通信。这种控制体系结构集成能力强、可扩展性好。但上述控制体系结构由于采用工控机，存在与基于工控机的闭式控制体系结构的功耗问题。

综上所述，目前没有一种矿用环境探测机器人控制系统能够完全满足要求。所以需要针对矿用环境探测机器人的特殊需求开发一套控制系统。

发明内容

为了解决现有的矿用环境探测机器人控制系统功耗高、体积大，防爆结构负载大且开发成本高的问题，本发明提供一种矿用环境探测机器人控制系统，该控制系统采用基于以太网的分布式结构，有集成能力强、可扩展性好，有利于实现机电一体化，减少装载空间，并且也有利于系统的移植，缩短开发周期，降低开发成本；采用高性能的32位微控制器嵌入式系统作为运用控制器和数据采集器，低功耗，体积小，重量轻，减少防爆结构的负载，从而使机器人的负载减轻，提高续航能力；采用实时多任务系统，可以快速的响应环境动态变化，从而适应非结构化环境，多任务处理方式可以充分利用计算能力；基于以太网和无线WLAN网的网络通信功能，满足多机器人系统的协作。采用以太网供电技术（PoE）可以实现数据和直流电源同时通过网线传输，简化布线，设备布置更加灵活。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该控制系统包括前向天线、机头网络摄像机、机尾前向网络摄像机、机尾后向网络摄像机、中继模块、以太网网络服务器、运动控制板、数据采集板、音频对讲模块、本安对讲系统、风速传感器、气体传感器、避障传感器、位姿传感器、电机Ⅰ、驱动器Ⅰ、驱动器Ⅱ及电机Ⅱ；所述以太网网络服务器是能够实现以太网供电（PoE）的八口交换机，以太网网络服务器的光纤端口通过光纤跳线①与中继模块相连通，以太网网络服务器的天线接口通过网线②与前向天线相连接，从而组成通信系统，通过前向天线与前面的机器人中继模块建立无线WLAN连接，通过中继模块与后面的机器人的前向天线建立无线WLAN连接；以太网网络服务器的三个PoE口依次通过网线③、网线④及网线⑤分别连接着机头网络摄像机、机尾前向网络摄像机及机尾后向网络摄像机，从而为机头网络摄像机、机尾前向网络摄像机及机尾后向网络摄像机提供工作电源，同时三个网络摄像机的视频信号通过网线传输到通信网络中，以太网网络服务器的三个RJ45端口依次通过网线⑥、网线⑦及网线⑧分别连接着运动控制板、数据采集板及音频对讲模块，所述运动控

制板和数据采集板以高性能的32位STM微控制器嵌入式系统为核心，32位微控制器集成网络接口；所述数据采集板的RS485端口通过485总线⑩与位姿传感器、避障传感器、气体传感器及风速传感器相连，从而采集各个传感器的数据，经过以太网网络服务器传送到网络上；所述音频对讲模块由KXY12矿用浇封兼本安型音箱、ZYF127-M矿用本安型麦克风及E702T型网络音频传输模块组成，所述音频对讲模块的音频接口通过音频线⑨与本安对讲系统相连通，将机器人采集的音频信号转变为网络信号，将上位机经以太网传送过来的音频信号转变

为声音，从而实现控制终端操作人员与幸存人员的对讲功能；运动控制板的RS232端口通过串口线Ⅰ与驱动器Ⅰ相连，驱动器Ⅰ通过电缆线Ⅲ与电机Ⅰ相连，驱动器Ⅰ与驱动器Ⅱ之间通过CAN总线Ⅱ相连接，驱动器Ⅱ通过电缆线Ⅳ连接着电机Ⅱ，从而实现对电机Ⅰ及电机Ⅱ的控制。

所述机头网络摄像机、机尾前向网络摄像机及机尾后向网络摄像机的型号为DS-2CD2012-1；所述以太网网络服务器的型号TL-SF1008P；所述风速传感器的型号为GFW15；所述气体传感器的型号为CD8；所述位姿传感器的型号为AHRS1000。

本发明的有益效果是，该控制系统采用基于以太网的分布式结构，有集成能力强、可扩展性好，有利于实现机电一体化，减少装载空间，并且也有利于系统的移植，缩短开发周期，降低开发成本；采用高性能的32位微控制器嵌入式系统作为运用控制器和数据采集器，低功耗，体积小，重量轻，减少防爆结构的负载，从而使机器人的负载减轻，提高续航能力；采用实时多任务系统可以快速的响应环境动态变化，从而适应非结构化环境，多任务处理方式可以充分利用计算能力；基于以太网和无线WLAN网的网络通信功能，满足多机器人系统的协作。采用以太网供电技术（PoE）可以实现数据和直流电源同时通过网线传输，简化布线，设备布置更加灵活。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构原理示意图。

图1中，1.前向天线，2.机头网络摄像机，3.机尾前向网络摄像机4.机尾后向网络摄像机，5.中继模块，6.以太网网络服务器，7.运动控制板，8.数据采集板，9.音频对讲模块，10.本安对讲系统，11.风速传感器，12.气体传感器，13.避障传感器，14.位姿传感器，15.电机Ⅰ，16.驱动器Ⅰ，17.驱动器Ⅱ，18.电机Ⅱ。

具体实施方式

在图1中，该控制系统包括前向天线1、机头网络摄像机2、机尾前向网络摄像机3、机尾后向网络摄像机4、中继模块5、以太网网络服务器6、运动控制板7、数据采集板8、音频对讲模块9、本安对讲系统10、风速传感器11、气体传感器12、避障传感器13、位姿传感器14、电机Ⅰ15、驱动器Ⅰ16、驱动器Ⅱ17及电机Ⅱ18；所述以太网网络服务器6是能够实现以太网供电（PoE）的八口交换机，以太网网络服务器6的光纤端口通过光纤跳线①与中继模块5相连通，以太网网络服务器6的天线接口通过网线②与前向天线1相连接，从而组成通信系统，通过前向天线1与前面的机器人中继模块建立无线WLAN连接，通过中继模块5与后面的机器人的前向天线建立无线WLAN连接；以太网网络服务器6的三个PoE口依次通过网线③、网线④及网线⑤分别连接着机头网络摄像机2、机尾前向网络摄像机3及机尾后向网络摄像机4，从而为机头网络摄像机2、机尾前向网络摄像机3及机尾后向网络摄像机4提供工作电源，同时三个网络摄像机的视频信号通过网线传输到通信网络中，以太网网络服务器6的三个RJ45端口依次通过网线⑥、网线⑦及网线⑧分别连接着运动控制板7、数据采集板8及音频对讲模块9，所述运动控制板7和数据采集板8以高性能的32位STM微控制器嵌入式系统为核心，32位微控制器集成网络接口；所述数据采集板8的RS485端口通过485总线⑩与位姿传感器14、避障传感器13、气体传感器12及风速传感器11相连，从而采集各个传感器的数据，经过以太网网络服务器6传送到网络上；所述音频对讲模块9由KXY12矿用浇封兼本安型音箱、ZYF127-M矿用本安型麦克风及E702T型网络音频传输模块组成，所述音频对讲模块9的音频接口通过音频线⑨与本安对讲系统10相连通，将机器人采集的音

频信号转变为网络信号，将上位机经以太网传送过来的音频信号转变为声音，从而实现控制终端操作人员与幸存人员的对讲功能；运动控制板7的RS232端口通过串口线Ⅰ与驱动器Ⅰ16相连，驱动器Ⅰ16通过电缆线Ⅲ与电机Ⅰ15相连，驱动器Ⅰ16与驱动器Ⅱ17之间通过CAN总线Ⅱ相连接，驱动器Ⅱ17通过电缆线Ⅳ连接着电机Ⅱ18，从而实现对电机Ⅰ15及电机Ⅱ18的控制。

所述机头网络摄像机2、机尾前向网络摄像机3及机尾后向网络摄像机4的型号为DS-2CD2012-1；所述以太网网络服务器6的型号为TL-SF1008P;所述风速传感器11的型号为GFW15；所述气体传感器12的型号为CD8；所述位姿传感器14的型号为AHRS1000。

Claims

1.一种矿用环境探测机器人控制系统，该控制系统包括前向天线（1）、机头网络摄像机（2）、机尾前向网络摄像机（3）、机尾后向网络摄像机（4）、中继模块（5）、以太网网络服务器（6）、运动控制板（7）、数据采集板（8）、音频对讲模块（9）、本安对讲系统（10）、风速传感器（11）、气体传感器（12）、避障传感器（13）、位姿传感器（14）、电机Ⅰ（15）、驱动器Ⅰ（16）、驱动器Ⅱ（17）及电机Ⅱ（18），其特征在于，所述以太网网络服务器（6）是能够实现以太网供电（PoE）的八口交换机，以太网网络服务器（6）的光纤端口通过光纤跳线①与中继模块（5）相连通，以太网网络服务器（6）的天线接口通过网线②与前向天线（1）相连接，通过前向天线（1）与前面的机器人中继模块建立无线WLAN连接，通过中继模块（5）与后面的机器人的前向天线建立无线WLAN连接；以太网网络服务器（6）的三个PoE口依次通过网线③、网线④及网线⑤分别连接着机头网络摄像机（2）、机尾前向网络摄像机（3）及机尾后向网络摄像机（4），从而为机头网络摄像机（2）、机尾前向网络摄像机（3）及机尾后向网络摄像机（4）提供工作电源，同时三个网络摄像机的视频信号通过网线传输到通信网络中，以太网网络服务器（6）的三个RJ45端口依次通过网线⑥、网线⑦及网线⑧分别连接着运动控制板（7）、数据采集板（8）及音频对讲模块(9），所述数据采集板（8）的RS485端口通过485总线⑩与位姿传感器（14）、避障传感器（13）、气体传感器（12）及风速传感器（11）相连；所述音频对讲模块（9）的音频接口通过音频线⑨与本安对讲系统（10）相连通，将机器人采集的音频信号转变为网络信号，将上位机经以太网传送过来的音频信号转变为声音；运动控制板（7）的RS232端口通过串口线Ⅰ与驱动器Ⅰ（16）相连，驱动器Ⅰ（16）通过电缆线Ⅲ与电机Ⅰ（15）相连，驱动器Ⅰ（16）与驱动器Ⅱ（17）之间通过CAN总线Ⅱ相连接，驱动器Ⅱ（17）通过电缆线Ⅳ连接着电机Ⅱ（18）。

2.根据权利要求1所述的一种矿用环境探测机器人控制系统，其特征在于，所述运动控制板（7）和数据采集板（8）以高性能的32位STM微控制器嵌入式系统为核心，32位微控制器集成网络接口。