CN104265358B - 便携式矿用本安救援探测机器人无线遥控指挥通信系统装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式矿用本安救援探测机器人无线遥控指挥通信系统装置，包括矿用本安型救援探测机器人本体、矿用本安型救援终端和若干个矿用本安型无线路由器；所述若干个矿用本安型无线路由器组成矿用WIFI无线多跳网络；所述矿用本安型无线路由器用于传输，所述机器人本体传感检测设备的数据和救援终端遥控指令，所述矿用本安型救援终端收发由路由器自组织无线网络传输的数据，并将所述数据通过无线网络发送至矿用本安型救援终端。本发明具有较高带宽，其遥控距离远，能通过远程遥控指挥煤矿救援探测机器人，将探测事故现场气体浓度等数据信息传回指挥中心，不但能减小救援人员到危险区域探测危险性，而且可为煤矿救援决策提供依据和指导。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人通信系统，特别涉及一种便携式矿用本安救援探测机器人无线遥控指挥通信系统装置。
背景技术
近年来，我国煤炭工业发展迅速，2013年全国煤炭产量36.8亿吨，煤炭是我国的基础能源，也是国家能源安全的基石，在我国一次能源生产和消费中始终占70％左右。但我国又是煤矿重大事故频繁发生的国家，造成了重大的人员伤亡，产生了不良的社会影响。当煤矿事故发生后矿井环境十分复杂，井下因灾受伤人员面临极其危险的状况，需尽快地转移与救护，但此时救援人员进入井下施救，很容易遇到二次爆炸等各种危险状况从而导致更多人员的伤亡。因此研发代替或部分代替救护人员及时、快速深入矿井灾区进行环境探测的机器人具有极其重要的意义。在危险复杂的煤矿救灾等领域内灵活使用煤矿探测机器人，能迅速探测灾区状况，为抢险救灾提供决策支持，是安全高效救援的迫切需要。在这种产生浓烟、有毒气体和高温的事故现场，探测机器人所携带的气体采样系统可将现场的温度、气体情况等环境参数检测出来，并将数据传回指挥中心，从而大大减少工作人员到危险区域探测的危险性。因此，探测机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，同时业界也迫切需要能辅助或代替救援队员深入危险区域执行灾情侦察的遥控式智能矿用本安探测机器人。
目前国内外矿用救援探测遥控机器人大多采用有线和无线操控，然而有线操控会增加机器人本体的负重，而且机器人的运动也受到通信信号或电源线缆的羁绊，影响其在井下灾区环境自由移动和顺利行进；另外一些采用无线遥控的矿用机器人，大多缺乏行走距离反馈和显示，且无线通信传输带宽小和传输距离短，视频清晰度受到严重影响，遥测的机器人本体运动状态或环境参数较少，精细运动控制功能缺乏或不足等。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种便携式矿用本安救援探测机器人无线遥控指挥通信系统装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种便携式矿用本安救援探测机器人无线遥控指挥通信系统装置，包括矿用本安型救援探测机器人本体、矿用本安型救援终端(简称遥控台)和若干个矿用本安型无线路由器；所述若干个矿用本安型无线路由器组成矿用WIFI无线Mesh网络；所述矿用本安型救援探测机器人本体用于采集其自身运动和负载的传感检测设备数据及执行救援终端发来的遥控指令，所述矿用本安型救援终端负责收发由路由器自组织无线网络传输的数据，并将所述遥控指令通过无线网络发送至矿用本安型救援探测机器人本体。
进一步，所述矿用本安型救援探测机器人本体负载的传感检测设备包括气体采样与检测处理装置、机器人行走距离传感器、拾音器/扬声器和视频摄像头。
进一步，所述矿用本安型救援探测机器人本体包括蓝牙和WIFI通信模块；所述气体采样与检测处理装置采集到的数据信息通过蓝牙传输到WIFI通信模块，所述WIFI通信模块将接收到的信息通过无线网络发送至矿用本安型救援终端；所述机器人行走距离传感器、拾音器/扬声器和视频摄像头采集到的数据信息通过蓝牙传输到WIFI通信模块，所述WIFI通信模块将接收到的信息通过无线Mesh网络发送至矿用本安型救援终端。
本发明的有益效果：
本发明具有较高带宽，其遥控距离远，能通过远程遥控指挥煤矿救援探测机器人，使其顺利到达目的地，然后将探测的事故现场气体浓度等数据信息传回指挥中心，不但能减小救援人员到危险区域探测的危险性，而且可为煤矿救援决策提供依据和指导。
附图说明
图1为本发明结构框图；
图2为机器人遥控指挥系统功能模块示意图；
图3为基于物联网的救援侦测和通信一体化设计模型；
图4为机器人行走距离数据流图；
图5为环境多参数实时监测信息数据流框图；
图6为声响监测和视频监控数据流图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，一种便携式矿用本安救援探测机器人无线遥控指挥通信系统装置，其特征在于：包括矿用本安型救援探测机器人本体、矿用本安型救援终端(简称遥控台)和若干个矿用本安型无线路由器；所述若干个矿用本安型无线路由器组成矿用WIFI无线Mesh网络(本发明中采用链形或渔网形网络拓扑结构)；所述矿用本安型无线路由器用于传输所述机器人本体传感检测设备的数据和救援终端遥控指令，所述矿用本安型救援终端收发由路由器自组织无线网络传输的数据，并将所述数据通过无线网络发送至矿用本安型救援终端。
所述传感检测设备包括气体采样与检测处理装置、机器人行走距离传感器、拾音器/扬声器和视频摄像头。
所述矿用本安型救援探测机器人本体包括蓝牙和WIFI通信模块；所述气体采样与检测处理装置采集到的数据信息通过蓝牙传输到WIFI通信模块，所述通信模块将接收到的信息通过无线网络发送至矿用本安型救援终端；所述机器人行走距离传感器、拾音器/扬声器和视频摄像头采集到的数据信息通过蓝牙传输到WIFI通信模块，所述WIFI通信模块将接收到的信息通过无线Mesh网络发送至矿用本安型救援终端。
便携式矿用本安救援探测机器人无线遥控指挥系统装置首先通过机器人上的气体采样与检测处理装置、拾音器/扬声器和摄像头、机器人行走距离传感器分别采集环境多参数实时数据、音视频数据和行走距离数据，然后通过无线Mesh网络进行数据的无线传输，最后通过救援终端对数据进行解析、接收、显示和存储。
如图2所示，本实施例中救援探测机器人功能主要包括机器人本体运动控制、环境多参数实时监测、气体采样与检测处理装置、声响监测与视频监控、越障模式控制五个部分构成。
如图3所示，本实施例基于物联网的救援侦测和通信一体化设计技术：设计了基于物联网的侦测和通信一体化模型，通过感知层的救援探测机器人本体获取和存储环境实时监测信息、音视频图像数据和机器人行走距离数据，并通过网络层(矿用本安型无线路由器)实现网络互联互通和采集的相关信息数据传输，再通过应用层(救援终端)实现机器人遥控指挥及人机交互。应用层实现机器人行走距离显示、音视频播放/显示、环境多参数显示、机器人本体运动控制、环境多参数实时监测、气体采样与检测处理装置控制、声响监测与视频控制和越障模式控制；网络层实现网络管理及基础数据库管理、信息编解码、MD加解密、协同工作流、数据库驱动、音视频驱动、蓝牙驱动、WIFI通信协议驱动；感知层实现硬件驱动。
机器人本体运动控制主要是用于控制机器人本体的运动，用机器人代替人进入到救援人员不能进入或者不适宜进入的危险事故矿井环境中，避免障碍物，顺利到达目的地。其中包括机器人的前进、后退、左转、右转、前寸动、后寸动、左寸动、右寸动、停止和行走距离。如图4所示，机器人行走距离的获取是通过距离传感器实时记录采集机器人行走距离，一旦行走距离发生变化就通过通信模块将数据传输到救援指挥台。
如图5所示，环境多参数实时监测信息的获取，首先通过串口控制气体检测与采样装置的升降来抽取灾区环境中的各种气体，然后将抽取到的气体通过环境多参数监测报警仪来实时显示和报警，最后采用蓝牙将采集到的信息传输到WIFI通信模块中进行发送。环境多参数实时监测主要是通过机器人采样到灾区环境中的气体，用于监测灾害环境下的实时环境参数信息，避免救援人员进入到危险环境中，减小灾害损失。它不但能够连续检测和显示甲烷、一氧化碳、温度、氧气、二氧化碳五种参数的实时情况，而且还具有实时数据存储及查询报警等诸多功能。
气体采样与检测处理装置控制主要是根据煤矿井下的危险气体分布情况，控制机器人导气管的开启、关闭、停止、伸长和缩短，获取到不同高度的气体分布情况，从而为救援人员的指挥决策提供更加真实、有效的数据。
如图6所示，声响监测和视频监控信息的获取是通过拾音器/扬声器和视频摄像头分别采集声音信息和视频图像信息，然后通过WIFI通信模块将数据传输到救援终端。机器人的实时移动，获取灾区环境的现场视频图像，不仅有利于提高机器人的运动能力，而且有利于掌握机器人的实时救援情况。
越障模式控制主要是控制机器人的越障能力，分为正常模式和特殊模式。在正常模式下即障碍物较少，机器人能够直接快速通过，运动速度较快；在特殊模式下即障碍物较多，机器人需要缓慢调节自身的步态去适用复杂多变的矿井环境，运动速度较慢。因此，救援人员可根据矿井下的实际环境选择越障模式。
本发明采用精细遥测遥控一体化功能设计技术：包括机器人前进/后退/左转/右转/前寸动/后寸动/左寸动/右寸动等多种运动状态遥测以及正常越障和特殊越障模式遥控等功能，以及通过救援探测机器人气体采样与检测处理装置实时采集CO、CO2、CH4、O2和温度等多种环境参数和在救援终端显示功能，灾区环境声响监测与音视频监控功能、采集和显示机器人当前或历史行走距离功能；
本发明利用机器人本体搭载的前后红外视频采集装置和音响探测装置，采用井下多跳无线Mesh网络宽带通信技术实现井下和地面远距离操控机器人本体和采集传输井下环境参数和音视频信息。
矿用本安机器人无线遥控指挥系统中数据的传输，首先通过将各种数据汇聚到机器人上的WIFI通信模块，其中的WIFI通信模块软件是基于嵌入式实时多任务操作系统开发的，使用C语言进行编程。并可使用TCP/IP、WIFI和蓝牙的通信协议；然后机器人WIFI通信单元与救援终端之间使用多跳Mesh路由器进行通信，并运用WIFI网络进行数据的传输；最后救援终端接收并显示音视频图像数据、行走距离数据和环境多参数实时监测数据。
本发明采用C/S架构，并在Visual Studio 2010软件平台上采用C#编程语言进行开发、MYSQL数据库进行数据存储、无线通信网络进行数据传输，指挥台操控机器人的运动及采样装置的升降，可实时获取机器人采集到的音视频数据和多参数环境数据，便于救援人员的指挥决策和救援工作的顺利开展。当指挥台收到各种数据信息后，首先对各类数据信息进行分类，分成行走距离数据、环境多参数实时监测信息和机器人视频图像；然后对各类数据按照预先制定的通信协议规则进行解析；最后将各类数据信息显示在救援终端中。
本发明设计了基于物联网的侦测和通信一体化模型，通过感知层的机器人本体获取和存储环境实时监测信息、音视频图像数据和机器人行走距离数据，并通过网络层(矿用本安型无线路由器)实现网络互联互通和采集的相关信息数据传输，再通过应用层(救援终端)实现机器人遥控指挥及人机交互；
开放式软件架构设计技术：采用Microsoft.NET Framework、C/S和模型-视图-控制(MVC)等开放式架构和模块化设计模式，便于跨平台移植且安全性高，易维护和升级。
本发明遵循技术先进性、数据安全性、可维护性、可扩展性、可操作性等原则，在Visual Studio 2010的开发平台上，考虑和采用了安全性较高的C/S软件架构和数据库安全设计，开发了无线传输、较高带宽、遥控距离远的矿用本安机器人无线遥控指挥通信系统，通过远程遥控指挥煤矿救援探测机器人，使其顺利到达目的地，然后将探测的事故现场气体浓度等数据信息传回指挥中心，不但能减小救援人员到危险区域探测的危险性，而且可为煤矿应急救援决策提供依据和指导。
为了验证便携式矿用本安机器人无线遥控指挥系统的远程可视化遥控等性能，先后在研究室室内搭建的实验测试平台和亚太地区规模最大、我国唯一的气体粉尘爆炸试验巷道的实际应用以及搭建的实验平台进行性能测试。实验室内的测试平台由木板钉制而成，长100cm的30°斜坡、宽15cm的沟壑、高12cm的台阶，以及野外的综合路况和气体粉尘爆炸试验巷道(总长度896m，主巷为墙高1m，拱高1.6m，断面积7.2m2的半圆拱形巷道)。实验结果分析：可通过机器人的摄像头传回给救援终端的视频图像信息控制机器人的运动，遥控机器人的爬坡和越障，并通过机器人的命令模块遥控导气管的伸缩，可采集煤矿井下连续的环境多参数实时信息，同时可以实时检测机器人的行走距离。实验结果表明该系统不但能够通过无线的方式远距离可靠地操控便携式救援探测机器人的运动，而且展示了便携式救援探测机器人在井下临时指挥基地以及灾害事故现场的可视化应急救灾能力。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种便携式矿用本安救援探测机器人无线遥控指挥通信系统装置，其特征在于：包括矿用本安型救援探测机器人本体、矿用本安型救援终端和若干个矿用本安型无线路由器；所述若干个矿用本安型无线路由器组成矿用WIFI无线Mesh网络；所述矿用本安型救援探测机器人本体用于采集其自身运动和负载的传感检测设备数据及执行救援终端发来的遥控指令，所述矿用本安型救援终端负责收发由路由器自组织无线网络传输的数据，并将所述遥控指令通过无线网络发送至矿用本安型救援探测机器人本体；
便携式矿用本安救援探测机器人无线遥控指挥通信系统装置包括感知层、网络层和应用层；
感知层实现硬件驱动；
网络层实现网络管理及基础 数据库管理、信息编解码、MD加解密、协同工作流、数据库驱动、音视频驱动、蓝牙驱动、WIFI通信协议驱动；
应用层实现机器人行走距离显示、音视频播放/显示、环境多参数显示、机器人本体运动控制、环境多参数实时监测、气体采样与检测处理装置控制、声响监测与视频控制和越障模式控制；
通过感知层的救援探测机器人本体获取和存储环境实时监测信息、音视频图像数据和机器人行走距离数据，并通过网络层实现网络互联互通和采集的相关信息数据传输，再通过应用层实现机器人遥控指挥及人机交互；
机器人本体运动控制用于控制机器人本体的运动，包括机器人的前进、后退、左转、右转、前寸动、后寸动、左寸动、右寸动、停止和行走距离，机器人行走距离的获取是通过距离传感器实时记录采集机器人行走距离，一旦行走距离发生变化就通过通信模块将数据传输到救援终端；环境多参数实时监测是通过机器人采样到灾区环境中的气体，用于监测灾害环境下的实时环境参数信息；气体采样与检测处理装置控制根据煤矿井下的危险气体分布情况，控制机器人导气管的开启、关闭、停止、伸长和缩短，获取到不同高度的气体分布情况，从而为救援人员的指挥决策提供更加真实、有效的数据；声响监测和视频监控信息的获取是通过拾音器/扬声器和视频摄像头分别采集声音信息和视频图像信息，然后通过WIFI通信模块将数据传输到救援终端；机器人的实时移动，获取灾区环境的现场视频图像；越障模式控制主要是控制机器人的越障能力，分为正常模式和特殊模式，在正常模式下，机器人能够直接快速通过，运动速度较快；在特殊模式下，机器人需要缓慢调节自身的步态去适用复杂多变的矿井环境，运动速度较慢。
2.根据权利要求1所述的便携式矿用本安救援探测机器人无线遥控指挥通信系统装置，其特征在于：所述检测传感设备包括甲烷等多参数气体采样与检测处理装置、机器人行走距离传感器、拾音器/扬声器和视频摄像头。
3.根据权利要求2所述的便携式矿用本安救援探测机器人无线遥控指挥通信系统装置，其特征在于：所述矿用本安型救援探测机器人本体包括蓝牙和WIFI通信模块；所述气体采样与检测处理装置采集到的数据信息通过蓝牙传输到WIFI通信模块，所述WIFI通信模块将接收到的信息通过无线网络发送至矿用本安型救援终端；所述机器人行走距离传感器、拾音器/扬声器和视频摄像头采集到的数据信息通过蓝牙传输到WIFI通信模块，所述WIFI通信模块将接收到的信息通过无线Mesh网络发送至矿用本安型救援终端。
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