CN110602714A - 适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网信号传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基站模块与通讯模块相互配合实时监控机器人在作业状态下通讯信号的变化，在通讯信号出现明显衰减和延迟时，向运动控制模块发出控制信号，控制上层搭载主动布置基站，从而保证通讯信号的强度的方法。本发明提供的中继基站的使用大大拓展了排爆机器人的作业空间，从而保证了人员安全。本发明提供的自组网系统可以根据任务实际调整中继基站的数目，部署灵活，同时加载了信号检测模块，中继基站的布置具备足够的主动性和灵活性。本发明提供的自组网系统是专网专用，不依靠紧急情况下可能受损的公用网络。本发明选用ARQ传输协议，防止出现“丢包”问题，保证数据传输过程的可靠性，而且足够满足多路音频、视频的实时传递。

Description

适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网信号传输方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网信号传输方法。

背景技术

随着国内基础设施的逐渐完善，隧道成为人们生活中较为常见的一种交通设施。穿山的隧道在给人类带来生活便利的同时，也必须对可能出现的危险事件做出预案。根据公路隧道的一般性定义，500米以上的隧道为长距离隧道。半自主或遥控机器人进入隧道内部完成动作，需要人的控制。为了保证操作人员的安全，人与机器人必须保持足够的安全距离。隧道内可能存在的多重转弯、大型障碍物阻塞等情况，导致通信信号损耗严重，甚至存在闭塞断网的情况。

现有的隧道内通信依靠在隧道口布置的无源分布式天线或者贯穿隧道的泄漏电缆。在极端情况下，有线通信可能会被破坏，分布式天线的信号可能受到长距离多弯隧道的阻挡而衰减严重，无法满足机器人进入隧道作业的信号强度和网络延迟要求。

发明内容

为解决现有技术存在的局限和缺陷，本发明提供一种适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网信号传输方法，包括：

基站模块与通讯模块相互配合实时监控机器人在作业状态下通讯信号的变化，获得所述通讯信号的衰减值和延迟值，所述通信信号的频率范围为350MHz至550MHz；

当所述通讯信号的衰减值大于预设的衰减阈值，而且所述通讯信号的延迟值大于预设的延迟阈值时，所述通讯模块向运动控制模块发出控制信号，所述通信信号的信号延迟的范围为200ms至470ms，所述衰减阈值为75dB，所述延迟阈值为290ms；

所述运动控制模块根据所述控制信号控制上层搭载主动布置基站，以增大所述通讯信号的强度。

可选的，所述无线自组网信号传输方法使用分布式网络架构建立自组网系统，所述分布式网络架构包括操作端节点、中继节点、末端节点和机器人移动节点，所述自组网系统使用ARQ传输协议进行数据传输。

可选的，所述机器人设置有机器人通讯模块，所述机器人通讯模块用于接收来自所述操作端节点的控制指令，所述机器人通讯模块包括图像采集单元和发射单元；

所述无线自组网信号传输方法还包括：

所述图像采集单元获取图像数据；

所述发射单元对所述图像数据进行发射以接入所述自组网系统；

所述自组网系统之中各个中继基站对所述图像数据进行接力转发；

所述操作端节点接收所述图像数据，以实现隧道内与隧道外的实时无线通信。

可选的，所述图像采集单元包括传感器、摄像和红外设备，所述图像采集单元获取图像数据的步骤包括：

所述传感器、摄像和红外设备用于在作业过程中采集图像数据和姿态数据；

所述发射单元对所述图像数据进行发射以接入所述自组网系统的步骤包括：

所述发射单元发射所述图像数据和所述姿态数据。

可选的，所述操作端节点设置在隧道口，与作业区保持预设的距离，所述中继节点设置在隧道内的路形突变处，所述机器人移动节点随着机器人移动。

可选的，所述中继节点设置在隧道内的转弯处。

可选的，所述通信信号的频率为375MHz。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的基站模块与通讯模块相互配合实时监控机器人在作业状态下通讯信号的变化，在通讯信号出现明显衰减和延迟时，向运动控制模块发出控制信号，控制上层搭载主动布置基站，从而保证通讯信号的强度。本发明提供的中继基站的使用大大拓展了排爆机器人的作业空间，从而保证了人员安全。本发明提供的自组网系统可以根据任务实际调整中继基站的数目，部署灵活，同时加载了信号检测模块，中继基站的布置具备足够的主动性和灵活性。本发明提供的自组网系统是专网专用，不依靠紧急情况下可能受损的公用网络。本发明选用ARQ传输协议，防止出现“丢包”问题，保证数据传输过程的可靠性，而且足够满足多路音频、视频的实时传递。本发明提供的操作节点和末端节点采用网线连接，解决了系统中IP地址异常、通信不兼容的问题。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网的信号传输示意图。

图2为本发明实施例一提供的适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网的信号传输方法的流程图。

图3为本发明实施例一提供的自组网系统的一种结构示意图。

图4为本发明实施例一提供的自组网系统的另一种结构示意图。

其中，附图标记为：1、操作端节点；2、中继节点；3、塌方或其它阻碍；4、机器人移动节点；5、作业区；6、第一中继节点；7、第二中继节点；8、末端节点。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网信号传输方法进行详细描述。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网的信号传输示意图，图2为本发明实施例一提供的适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网的信号传输方法的流程图。如图1-2所示，本实施例采用无中心的分布式网络架构，主要包括操作端节点1、中继节点2、末端节点8和机器人移动节点4，尝试为作业机器人建立应急通讯专网。在实际应用之中，操作端、中继基站和机器人等硬件以及相互之间的通信方式组成自组网系统。此系统能在紧急状态下，不依赖公网，自行搭建操作端到机器人的通讯网络，作为机器人遥控操作的应急通信专网使用。因此，自组网系统与应急通信专网是一个事物，只是叫法不同。

在待机状态下，中继站集中设置在作业机器人尾部布置箱内。在作业状态下，排爆机器人在行进过程中基站模块与通讯模块配合实时监控通讯信号的变化，在信号出现明显衰减和延迟时，向运动控制模块发出信号，控制上层搭载主动布置基站，从而保证信号强度。

本实施例中，排爆机器人本身配置有通讯模块，包括图像采集和发射模块，同时也接收来自于操作端的控制指令。来自排爆机器人通讯模块的图像数据经发射接入自组网系统，借助自组网系统中主动布置的各个中继基站进行接力转发，一步一步传输至操作端，从而实现隧道内与隧道外的实时无线通信。

本实施例中，中继节点2的布置主要为了解决隧道内弯道等非视距场景下对于无线信号遮蔽的作用。中继节点2的数量主要受到排爆机器人承载量和电池续航的影响。中继节点2的应用能够有效拓展作业排爆机器人的活动范围和作业精度。中继基站在自组网系统之中同时作为接入点和路由器，普通环境下的信号覆盖范围可达数千米，而在隧道环境下，覆盖能力有所减弱。因此，布置箱内预先布置基站分别为第一中继节点6、第二中继节点7和末端节点8。

图3为本发明实施例一提供的自组网系统的一种结构示意图。如图3所示，来自排爆机器人移动节点的音视频信号是不能直接接入系统的，需要经过末端节点8的处理，之后才可以经过多个中继节点传回操作端。机器人移动节点4与末端节点8之间数据的传输依靠5.8G频点，各个中继节点则通常利用短波或者超短波频点通信。

本实施例提供的排爆机器人需要回传的信息主要来自于观瞄设备和各传感器，不同设备内部对于数据的编码、解码方式有很大差别，并根据设备不同可能处于不同的IP网段，所以来自排爆机器人节点的数据不能直接接入系统，必须经过某网口处理操作，此步骤由末端节点8执行。

参见图3，机器人移动节点4和末端节点8之间与各中继节点之间传输频点不同，不能直接构件无线网络。故在末端节点8内部，数据接收模块与微基站通过网线直连桥接，网口设置为同一IP。各个设备均需要根据各自系统使用规则设置IP和网关，随后系统试运行，所有设备在接收或转发数据时，都将根据上述规则进行。操作端节点为了解决不同设备间的兼容问题，也需进行对于数据帧的处理，以保证通信线路的双向导通，进而实现操作端对前方场景的实时监控和及时判断。

本实施例提供的适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网信号传输方法，基站模块与通讯模块相互配合实时监控机器人在作业状态下通讯信号的变化，获得所述通讯信号的衰减值和延迟值。遥控通信信号的频段通常选择在100MHz至1500MHz，该频段频率低，波长越长，对可能出现的障碍物绕射能力较强。在隧道特殊环境下，波段频率在350MHz至650MHz为宜，所述机器人基站通讯频率设置在350MHz至550MHz的频段。

图4为本发明实施例一提供的自组网系统的另一种结构示意图。如图4所示，对于机器人操作来讲，网络信号的延迟值主要产生于数据处理、传输过程和机器人与操作端的响应过程。当所述通讯信号的衰减值大于预设的衰减阈值，而且所述通讯信号的延迟值大于预设的延迟阈值时，所述通讯模块向运动控制模块发出控制信号。参见表1和表2，所述通讯信号频率为375MHz下遥控机器人闭环完成任务评价表，在设置上文所述中继基站并实时监测的前提下，本实施例设置通信网络信号时间延迟阈值为290ms，衰减阈值为75dB。

表1遥控机器人闭环信号延迟完成任务评价表

表2遥控机器人闭环信号衰减成任务评价表

测试编号	传输距离/m	信号衰减/dB	操纵实际
				1	100	65	图像清晰，操作灵敏
2	200	71	图像清晰，操作平稳
				3	290	75	图像清晰，操作合适
4	400	77.5	图像一般，操作稍有卡顿
				5	500	79.4	图像模糊，操作出现震荡

本实施例提供的排爆机器人的各个传感器、摄像和红外设备在行进的过程中搜集包括周边情况和自身姿态在内的大量数据，经处理打包后由通讯模块传出发送。末端节点8的接收模块接收来自排爆机器人的通讯模块的音视频数据，通过网线与微基站相连，进而将数据转发至第二中继节点7。第二中继节点7接收来自末端节点8的实时数据，将数据转发至第一中继节点6。第一中继节点6接收来自第二中继节点7的实时数据，将数据转发至操作端节点1的数据接收模块。

本实施例提供的操作端的数据接收模块与操作端使用网线直连，对数据进行解码和图像化处理后实时展现在屏幕上，等待操作者的进一步指令。自组网系统在实际应用过程中也可用于解决排爆机器人与排爆机器人之间的通讯，在危险环境下也可以在一定程度上实现排爆机器人之间的配合协作。

本实施例提出的适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网信号传输方法，将机器人移动节点4、中继节点2、操作端节点1整合为应急通讯系统。基于无线Mesh系统，各个节点可以兼顾静态和动态环境，自动建立网状、无中心的应急网络。信号在被排爆机器人采集后，经过处理，被排爆机器人节点通讯模块传出，依次经过各个中继模块的接收和转发，最终在操作端汇总解码，为操作者掌握实时排爆机器人的动态提供信号支持，也大大拓展了因为信号屏蔽而被限制的排爆机器人的作业范围。

本实施例中，机器人一般指中型机器人，行走系类别不做限制，装备有完整的运动控制软件和针对不同任务类型的执行件库。通讯模块为机器人上打包上传数据和接收操作指令的模块，包括信号强度检测功能。无线Mesh系统为无线自组网通信系统。中继节点为同时作为系统接入口和路由器，接收和转发音视频数据的微型基站。

参见图2，排爆机器人的各个传感器收集影像和姿态信息，处理后形成数据，由通讯模块传出。具体的，排爆机器人的各个传感器、摄像和红外设备在行进的过程中搜集包括周边情况和自身姿态在内的大量数据，经处理后打包后由通讯模块传出发送。

本实施例提供的各个中继基站进行接力转发，保证信号连续有效。末端节点接收模块接收来自排爆机器人通讯模块的音视频数据，通过网线与微基站相连，进而将数据转发至第二中继节点7，第二中继节点7接收来自末端节点8的实时数据，将数据转发至第一中继节点6，第一中继节点6接收来自第二中继节点7的实时数据，将数据转发至操作端节点的数据接收模块。

本实施例提供的操作端数据接收模块与操作端用网线直连，对数据进行解码和图像化处理后实时展现在屏幕上，等待操作者的进一步指令。本实施例提供的中继节点的硬件主体为微型基站，采用双天线设置，在接收到来自排爆机器人、其他中继基站、操作端的信号后，都能及时的做出反应，完成发射操作。本实施例提供的基站自带电源，由机器人主动布置，主要任务是收发数据以保证信号传递，一般设置在隧道内转弯或其他路形突变处。

本实施例提供的操作端接收、解码数据，实时操作。操作端主要包括控制箱和信号接收模块，既通讯模块；主要设置在隧道口，与作业区保持有足够安全距离。接收到中继节点的数据后，操作端通讯模块进行解码操作，将来自与最前方的实时图像投在操作端屏幕上，为操作者下达进一步指令提供参考。

本实施例提供的基站模块与通讯模块相互配合实时监控机器人在作业状态下通讯信号的变化，在通讯信号出现明显衰减和延迟时，向运动控制模块发出控制信号，控制上层搭载主动布置基站，从而保证通讯信号的强度。本实施例提供的中继基站的使用大大拓展了排爆机器人的作业空间，从而保证了人员安全。本实施例提供的自组网系统可以根据任务实际调整中继基站的数目，部署灵活，同时加载了信号检测模块，中继基站的布置具备足够的主动性和灵活性。本实施例提供的自组网系统是专网专用，不依靠紧急情况下可能受损的公用网络。本实施例选用ARQ传输协议，防止出现“丢包”问题，保证数据传输过程的可靠性，而且足够满足多路音频、视频的实时传递。本实施例提供的操作节点和末端节点采用网线连接，解决了系统中IP地址异常、通信不兼容的问题。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网信号传输方法，其特征在于，包括：

基站模块与通讯模块相互配合实时监控机器人在作业状态下通讯信号的变化，获得所述通讯信号的衰减值和延迟值，所述通信信号的频率范围为350MHz至550MHz；

当所述通讯信号的衰减值大于预设的衰减阈值，而且所述通讯信号的延迟值大于预设的延迟阈值时，所述通讯模块向运动控制模块发出控制信号，所述通信信号的信号延迟的范围为200ms至470ms，所述衰减阈值为75dB，所述延迟阈值为290ms；

所述运动控制模块根据所述控制信号控制上层搭载主动布置基站，以增大所述通讯信号的强度。

2.根据权利要求1所述的适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网信号传输方法，其特征在于，所述无线自组网信号传输方法使用分布式网络架构建立自组网系统，所述分布式网络架构包括操作端节点、中继节点、末端节点和机器人移动节点，所述自组网系统使用ARQ传输协议进行数据传输。

3.根据权利要求2所述的适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网信号传输方法，其特征在于，所述机器人设置有机器人通讯模块，所述机器人通讯模块用于接收来自所述操作端节点的控制指令，所述机器人通讯模块包括图像采集单元和发射单元；

所述无线自组网信号传输方法还包括：

所述图像采集单元获取图像数据；

所述发射单元对所述图像数据进行发射以接入所述自组网系统；

所述自组网系统之中各个中继基站对所述图像数据进行接力转发；

所述操作端节点接收所述图像数据，以实现隧道内与隧道外的实时无线通信。

4.根据权利要求3所述的适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网信号传输方法，其特征在于，所述图像采集单元包括传感器、摄像和红外设备，所述图像采集单元获取图像数据的步骤包括：

所述传感器、摄像和红外设备用于在作业过程中采集图像数据和姿态数据；

所述发射单元对所述图像数据进行发射以接入所述自组网系统的步骤包括：

所述发射单元发射所述图像数据和所述姿态数据。

5.根据权利要求3所述的适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网信号传输方法，其特征在于，所述操作端节点设置在隧道口，与作业区保持预设的距离，所述中继节点设置在隧道内的路形突变处，所述机器人移动节点随着机器人移动。

6.根据权利要求5所述的适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网信号传输方法，其特征在于，所述中继节点设置在隧道内的转弯处。

7.根据权利要求1所述的适应排爆机器人隧道环境作业的无线自组网信号传输方法，其特征在于，所述通信信号的频率为375MHz。