CN105682108A - 基于无线传感器网络的井下机器人通信控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线传感器网络的井下机器人通信控制系统，该系统应用于井下巡检和事故救援，特别适用于发生瓦斯爆炸和火灾等事故的矿井，井下机器人可到达存在有毒害气体而救援人员无法到达的区域；所述救援机器人无线通信控制系统在多跳无线传感器网络技术的基础上，提出了新的临时无线传感器网络的建设方法，可使井下机器人的无线通信距离随机器人的行进而不断增长，保证井下机器人与控制设备的通信。解决了在矿井内的原有无线通信系统无法使用的情况下，井下机器人与控制设备的无线通信距离有限的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于无线传感器网络的井下机器人通信控制系统，该系统涉及无线传感器网络技术和视频、音频采集等领域。
背景技术
随着各类矿井生产的机械化、信息化和自动化程度的提高，中国矿井安全生产形势逐年好转，各类事故率和死亡率均大幅下降。然而井下生产环境复杂，还是不可避免的发生各类事故，事故发生后，及时掌握井下事故现场情况，是正确、有效救援，减少人员伤亡的关键。井下瓦斯爆炸和火灾等事故，会产生大量CO，CO2，CH4等有毒有害气体，消耗大量O2。当事故现场有毒有害气体浓度超高、O2含量较低时、搜寻，救护人员难以到达有关区域进行侦察、搜寻和救援。井下机器人除用于救灾外，也可用于井下巡检领域。因此、研究井下机器人相关的技术十分必要。由于目前井下无线通信的接入设备需供电系统和通信光缆或电缆连接，所以事故发生时，巷道内原有无线通信系统无法使用，井下机器人必须自带通信系统进行通信。轮式、履带式、蛇形等地面行进的机器人可通过有线通信方式与控制设备进行通信，而采用飞行行进方式的机器人则应采用无线通信方式，目前井下无线传感器网络已得到较广泛的应用，无线传感器网络通信具有成本低、组网灵活方便等特点，但通信距离受发射功率和空间阻挡等因素影响，直接影响井下机器人的工作距离。所以需要新的井下机器人通信组网方法与通信系统以保证井下机器人的通信距离。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于无线传感器网络的井下机器人通信控制系统，所述系统用于使井下机器人的无线通信距离随机器人的行进而不断增长。井下机器人采用多跳无线传感器网络与机器人控制设备通信，井下机器人携带有多个无线传感器网络路由设备，在行进过程中同时根据设定条件投放无线传感器网络路由设备，使无线传感器网络的覆盖范围随井下机器人的行进路程的增加而不断推进，以保证井下机器人与机器人控制设备的通信；所述通信控制系统通过井下机器人携带的视频采集设备采集视频或图像数据，将数据通过多跳无线传感器网络传输至机器人控制设备；井下机器人携带有语音采集元件和语音放大设备，通过语音采集元件采集语音信号，通过语音放大设备将通过无线传感器网络下传的语音数据还原为语音信号放大播放。
所述系统井下机器人携带有多个无线路由设备，铺设无线网络的方法包括以下3种：
1.井下机器人在行进过程中监测最近的固定无线传感器网络路由设备信号强度，当信号强度低于设定设定阈值时，则井下机器人在当前位置投放新的固定无线传感器网络路由设备，重复执行以上监测与投放过程，使无线传感器网络的覆盖范围随井下机器人的行进不断推进。
2.井下机器人在行进过程中测量并记录行进的路程长度，当以最近的固定无线传感器网络路由设备为起点行进的路程长度达到设定阈值时，则在当前位置投放新的固定无线传感器网络路由设备，重复执行以上监测和投放过程，使无线传感器网络的覆盖范围随井下机器人的行进路程的增加而不断推进。
3.井下机器人在行进过程中监测最近的固定无线传感器网络路由设备信号强度，同时测量以最近的固定无线路由设备为起点的行进路程长度，当满足无线传感器网络信号强度低于设定阈值或行进的路程长度达到设定阈值时，则在当前位置投放新的固定无线传感器网络路由设备，重复执行以上监测和投放过程，使无线传感器网络的覆盖范围随井下机器人的行进路程的增加而不断推进。
所述系统还包括以下特点：
1.井下机器人所携带的无线传感器网络路由设备在投放前均已加入无线传感器网络，并可正常工作。
2.井下机器人采用模块化结构，具有标准通信接口，用于携带各类与井下现场环境监测相关的传感器模块，所采集数据通过多跳无线网络传输至控制设备。
3.井下机器人携带的传感器包括：温度、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氧气传感器。
4.机器人控制设备可部署于井上也可部署于井下，井下机器人可受机器人控制设备控制从井上出发移动至井下。
5.井下机器人包括采用两轴或多轴旋翼飞行移动的机器人。
附图说明
图1系统实施方式1示意图。
图2系统实施方式2示意图。
图3四轴旋翼井下机器人结构示意图。
图4无线传感器网络路由器投放装置示意图。
图5无线传感器网络路由器投放装置仰视图。
图6四轴旋翼井下机器人主控板结构示意图。
图7四轴旋翼井下机器人数据采集板结构示意图。
图8四轴旋翼井下机器人主控板软件示意图。
图9路由投放子系统流程图
具体实施方式
所述通信控制系统的具体实施方式1如图1所示，组成包括：
1.机器人控制设备(101)，负责控制井下机器人，通过多跳无线传感器网络和以太网接收井下机器人上传的各类数据，包括视频或图像数据，各类传感器数据、语音数据；同时通过以太网和多跳无线传感器网络向井下机器人发送控制数据和语音数据。
2.井上交换机(102)，负责所有接入以太网的设备的管理和数据交换。
3.井下交换机(103)，负责井下所有接入以太网的设备的数据交换。
4.井下机器人(104)，可采用旋翼飞行机器人，也可采用轮式、履带式、蛇形等地面行进的机器人，携带多个Wifi路由设备(106)，用于在行进中投放布网。
5.无线传感器网络协调器(105)，负责多跳无线传感器网络的管理，接收和转发所有无线传感器网络设备的数据，无线芯片采用TI的Zigbee标准的CC2531，并具有网络接口和USB接口，用于连接井下交换机或直接通过USB接口机器人控制设备。
6.无线传感器网络路由设备(106)，负责无线传感器网络终端设备的接入和无线传感器网络接续，由电池供电，体积小重量轻，便于井下机器人携带，无线芯片采用TI的CC2530。
所述通信控制系统的具体实施方式2如图2所示，与实施方式1的区别在于机器人控制设备(101)直接连接无线传感器网络协调器(105)，机器人控制设备可部署于井上也可部署于井下，机器人控制设备部署于井上时，井下机器人可直接通过斜井、平硐飞行至井下。
所述通信控制系统中的井下机器人可采用飞行机器人也可采用地面行进机器人，在本示例采用四轴旋翼井下机器人，机器人结构如图3所示：
1.旋翼(301)，通过旋转使空气向下运动产生升力，使机器人悬浮在空中。
2.电机(302)，负责为旋翼提供动力，由控制板控制转速，通过各旋翼不同转速而实现机器人的不同运动方向和姿态。
3.传感器仓(303)用于放置各种类与井下现场环境监测相关的传感器模块。
4.天线(304)用于无线信号发送和接收。
5.控制板仓(305)内置无人机控制板，用于飞行控制、数据采集和无线通信等。
6.电池仓(306)用于电池存放，为旋翼、控制板及各传感器模块供电。
7.麦克风(307)用于语音信号采集，当救援无人机到达井下工作人员被困地点时，可通过麦克风采集被困人员的语音信号，并通过无线传感器网络将语音数据传送至机器人控制设备。
8.数字摄像机(308)用于视频信号采集，由将视频信号数字化并编码压缩，通过无线网络和以太网将视频或图像数据传送至控制设备。
9.舵机(311)为路由设备投放装置提供动力，由控制板发出的脉冲信号控制，根据脉冲信号转动特定角度。
10.无线传感器网络路由设备存放仓(309)用于路由设备存放。
11.转盘(310)用于无线传感器网络路由设备投放控制。
路由设备投放装置结构如图4和图5所示，主要包括无线传感器网络路由设备存放仓(309)和转盘(310)，无线传感器网络路由设备存放仓(309)在上部，底部为带有投放窗口的转盘，舵机(311)的传动轴连接舵盘(312)通过转盘连接孔(317)和螺钉连接在转盘(310)上，舵机带动转盘转动将投放窗口(314)转至无线传感器网络路由设备(106)下方，设备在重力作用下离开存放仓。
如图6所示为机器人的主控单元，包括：
1.主控板(601)，是机器人控制的核心部件，板上元件包括核心处理器、存储单元、电源与时钟单元、姿态传感器的电机驱动单元；主控板还通过各类接口连接板外的各模块或功能设备。
2.核心处理器(602)，采用三星S3C2440处理器，S3C2440是基于ARM920T内核的微处理器，具有3个UART接口，2个SPI接口，2个USB接口，1个IIC-BUS接口；搭载Linux系统。
3.存储单元(603)；包括256MNANDFlash、一片4MNORFlash、128MSDRAM、一片IIC-BUS接口的EEPROM。
4.电源与时钟模块(604)包括电压转换和时钟管理元件，DC电压转换均采用MAX1724系列电源芯片，为所有芯片供电；选用12MHz晶振。
5.姿态传感器(605)，采用invensense公司的MPU9150，该传感器内部包含三轴陀螺仪、三轴加速度计和一个AK8975三轴磁强计的MEMS器件，具有封装体积小，读写配置方便的优点，MPU-9150内部分别自带了16位的A/D，将其测量的模拟量，转化为可输出的数字量，采用IIC-BUS总线与核心处理器进行通信。
6.电机驱动单元(606)采用ST的直流电机驱动芯片L6234为核心进行电机的功率放大和驱动电路，将核心处理器输出的PWM信号经驱动电路进行功率放大后驱动电机(302)，通过PWM信号的不同脉宽实现对旋翼不同转速的控制；每个电机需3个PWM控制信号和3个使能信号共6个接口，4个电机共需24个I/O接口。
7.数据采集板(607)，用于搭载各种井下现场环境监测相关的传感器模块，将传感器模块的模拟信号I/O采集转换，并将数据通过UART接口发送给主控板。
8.舵机(311)由一个I/O接口直接驱动控制，通过输出不同脉冲宽度的脉冲信号实现对舵机转动角度的控制。
9.数字摄像机(308)，采用自带光源的具有数字视频压缩功能的USB口数字摄像机，USB口连接主控板，由Linux及设备驱动程序提供支持。
10.麦克风(307)连接主控板的Mic接口，用于采集语音信号。
11.扬声器(608)连接主控板的Phone接口，用于语音信号放大输出。
12.无线传感器网络通信模块(609)，采用具有USB接口Zigbee模块，核心芯片采用TI的CC2531，由Linux及设备驱动程序提供支持，采用外置天线(304)。
数据采集板采用模块化设计，所有传感器均为模块，具有排针接口，通过排针插座与采集板连接，获得电源供电，并将所采集的模拟信号输出到处理器支持A/D转换I/O接口上。图7为机器人的数据采集板的结构示意图，主要包括：
1.处理器(701)，选择TI公司的MSP430F147单片机，该型号为16位RISC结构，具有32kFlash，1kRAM。MSP430可在1.8～3.6V低电压下工作，系统采用3.3V工作电压。MSP430F147内置精度为12位200kps的A/D转换器，MSP430F147具有5种低功耗模式，使用LPM4模式时最低功耗可降至0.1uA。
2.温度传感器(702)，采用DS18B20温度传感器模块，量程范围-55摄氏度至+125摄氏度。
3.甲烷传感器(703)，采用MQ-4甲烷传感器模块，量程范围300至10000ppm。
4.电源与时钟模块(704)，包括电压转换和时钟管理元件，DC电压转换均采用MAX1724系列电源芯片，为处理器和所有传感器模块供电；选用8MHz晶振；使用一路A/D转换器用于电池电压检测。
5.一氧化碳传感器(705)，采用ME2-CO一氧化碳传感器模块，量程范围0至1000ppm。
6.二氧化碳传感器(706)，采用MG811二氧化碳气体传感器模块，量程范围0至10000ppm。
7.氧气传感器(707)，采用ME3-O2氧气传感器模块，量程范围0至30％。
四轴旋翼井下机器人主控板使用Linux系统，通过相关驱动程序驱动各硬件接口和摄像头等外接采集设备，软件功能结构如图8所示：
1.视频采集程序(801)，在系统、USB口驱动及摄像头驱动程序支持下获取经过压缩的视频及图像数据。
2.语音采集程序(802)，在系统及驱动程序支持下通过Mic口获取麦克风语音数据，并通过相关语音压缩算法库对语音进行压缩。
3.环境数据采集程序(803)，在系统及端口驱动程序支持下通过UART接口获取数据采集的环境数据。
4.无线通信子系统(804)，在系统、USB口驱动及无线传感器网络通信模块驱动程序支持下实现网络通信服务，通过串口通信程序实现井下机器人与机器人控制设备之间的数据链路，并通过链路将所采集的视频、语音、环境参数等数据发送给井下机器人控制设备，同时接收由井下机器人控制设备下发的控制数据及语音数据。
5.姿态数据采集程序(805)，在系统支持下获取通过IIC-BUS总线传输的机器人姿态数据。
6.飞行控制子系统(807)，在系统支持下控制四旋翼的转动速度，参考机器人的姿态数据控制机器人的保持平衡，同时根据无线通信子系统(804)得到的由井下机器人控制设备下发的控制数据，对飞行状态进行调整，并对姿态数据进行处理和累积计算，获得飞行线路和飞行距离数据。
7.无线信号强度采集程序(806)，在系统、USB口驱动及无线传感器网络通信模块驱动程序支持下获取并监测最近的固定无线传感器网络路由设备的信号强度。
8.路由投放子系统(808)，在系统支持下控制舵机和路由设备投放装置实现对路由设备的投放。参考的数据包括飞行控制子系统(807)提供的飞行距离数据和无线信号强度采集程序(806)提供的最近的固定无线传感器网络路由设备的信号强度。
路由投放子系统的流程如图9所示
1.(901)无线传感器网络信号强度RSSI值的采集，采集最近的固定无线传感器网络路由器的无线信号强度。
2.(902)判断无线传感器网络信号RSSI值是否小于设定阈值，如果满足则执行(905)，否则顺序执行(903)。
3.(903)采集最近的固定无线传感器网络路由设备距离数据。
4.(904)判断井下机器人与最近的固定无线传感器网络路由设备距离是否大于设定阈值，如果满足则执行(905)，否则返回(901)。
5.(905)判断井下机器人目前携带的固定无线传感器网络路由设备数目，如果还有固定无线传感器网络路由设备，则执行(906)，否则执行(907)。
6.(906)控制舵机转动使路由设备投放装置中的路由设备自动投放到当前位置，执行完后返回(901)。
7.(907)路由投放子系统进入返航状态。
Claims (9)
1.一种基于无线传感器网络的井下机器人通信控制系统，其特征在于：井下机器人采用多跳无线传感器网络与机器人控制设备通信，井下机器人携带有多个无线传感器网络路由设备，在行进过程中同时根据设定条件投放无线传感器网络路由设备，使无线传感器网络的覆盖范围随井下机器人的行进路程的增加而不断推进，保证井下机器人与控制设备的通信；所述通信控制系统通过井下机器人携带的视频采集设备采集视频或图像数据，将数据通过无线传感器网络传输至控制设备；井下机器人携带有语音采集元件和语音放大设备，通过语音采集元件采集语音信号，通过语音放大设备将通过无线传感器网络网络下传的语音数据还原为语音信号放大播放。
2.如权利要求1所述的通信控制系统，其特征在于：井下机器人携带有多个无线传感器网络路由设备，井下机器人在行进过程中监测最近的固定无线传感器网络路由设备信号强度，当无线传感器网络信号强度低于设定阈值时，则机器人在当前位置投放新的固定无线传感器网络无线路由设备，重复执行以上监测与投放过程，使无线传感器网络网络的覆盖范围随飞行器的行进距离不断推进。
3.如权利要求2所述的通信控制系统，其特征在于：或采用以下无线传感器网络路由设备部署方法，井下机器人在行进过程中测量并记录行进的路程长度，当以最近的固定无线传感器网络路由设备为起点行进的路程长度达到设定阈值时，则在当前位置投放新的固定无线传感器网络路由设备，重复执行以上监测和投放过程，使无线传感器网络的覆盖范围随井下机器人的行进路程的增加而不断推进。
4.如权利要求2所述的通信控制系统，其特征在于：或采用以下无线传感器网络路由设备部署方法，井下机器人在行进过程中监测最近的固定无线传感器网络路由设备信号强度，同时测量以最近的固定无线路由设备为起点的行进路程长度，当满足信号强度低于设定设定阈值或行进的路程长度达到设定阈值时，则在当前位置投放新的固定无线路由设备，重复执行以上监测和投放过程，使无线传感器网络的覆盖范围随井下机器人的行进路程的增加而不断推进。
5.如权利要求1所述的通信控制系统，其特征在于：井下机器人所携带的无线传感器网络路由设备在投放前均已加入无线传感器网络，并可正常工作。
6.如权利要求1所述的通信控制系统，其特征在于：井下机器人采用模块化结构，具有标准通信接口，用于携带各类与井下现场环境监测相关的传感器模块，所采集数据通过多跳无线网络传输至控制设备。
7.如权利要求6所述的通信控制系统，其特征在于：井下机器人携带的传感器包括：温度、一氧化碳、二氧化碳、甲烷氧气传感器。
8.如权利要求1所述的通信控制系统，其特征在于：机器人控制设备可部署于井上也可部署于井下，井下机器人可受机器人控制设备控制从井上出发移动至井下。
9.如权利要求1所述的通信控制系统，其特征在于：井下机器人包括采用两轴或多轴旋翼飞行移动的机器人。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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