CN110757466B - 基于stm32的矿井勘测机器人控制系统 - Google Patents

基于stm32的矿井勘测机器人控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于STM32的矿井勘测机器人控制系统，包括上位机、无线通信模块、STM32控制器、传感器模块、摄像头模块、GPS模块、电机驱动控制模块和电源模块；上位机通过无线通信模块与STM32控制器通信，所述上位机向所述STM32控制器下发指令，并接收所述STM32控制器上传的数据；所述STM32控制器采集传感器模块、摄像头模块、GPS模块的信息上传给上位机，并接收上位机的指令控制矿井勘测机器人；所述电机驱动控制模块安装于矿井勘测机器人中，接收STM32控制器的指令控制矿井勘测机器人工作。本发明充分利用了STM32处理速度快，接口丰富等特性，在提高控制系统集成度的同时，实现矿井勘测机器人的准确控制。

Description

基于STM32的矿井勘测机器人控制系统
技术领域
本发明涉及矿井勘测机器人技术，尤其涉及一种基于STM32的矿井勘测机器人控制系统。
背景技术
中国是世界上最大的煤矿资源生产消费国，但也是煤矿事故发生率最高的国家。我国煤矿资源丰富，大部分煤田是地质结构复杂的地下煤田。在这种条件下，下井作业前需要提前勘测井下环境，从而避免矿难事故的发生。
目前国内外现有的矿井勘测机器人大多是轮式机器人，体积和重量都比较大，在矿井下较差道路环境下行走困难。随着电机驱动技术的发展，市面上出现了专业的电机驱动控制芯片，将专业的电机驱动控制芯片应用于矿井勘测机器人是亟需解决的课题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于STM32的矿井勘测机器人控制系统，提高控制系统集成度，实现矿井勘测机器人的准确控制。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于STM32的矿井勘测机器人控制系统，包括上位机、无线通信模块、STM32控制器、传感器模块、摄像头模块、GPS模块、电机驱动控制模块和电源模块；上位机通过无线通信模块与STM32控制器通信，所述上位机向所述STM32控制器下发指令，并接收所述STM32控制器上传的数据；所述STM32控制器、传感器模块、摄像头模块、GPS模块均安装于矿井勘测机器人上，所述STM32控制器采集传感器模块、摄像头模块、GPS模块的信息上传给上位机，并接收上位机的指令控制矿井勘测机器人；所述电机驱动控制模块安装于矿井勘测机器人中，接收STM32控制器的指令控制矿井勘测机器人工作；所述电源模块安装于矿井勘测机器人中，用于给矿井勘测机器人各模块供电。
进一步地，所述传感器模块包括姿态传感器和超声波传感器；所述姿态传感器用来实现机器人的方向调整，所述超声波传感器用来实现机器人的自动避障。
进一步地，所述传感器模块还包括烟雾传感器、风力传感器、瓦斯传感器、温湿度传感器。
进一步地，上位机接收到传感器模块采集的数据，与预先设置的阈值进行比较，当矿井下环境数据高于或者低于设定的阈值时，上位机发出指令并报警。
进一步地，所述电机驱动控制模块包括电机驱动控制器和永磁同步电机；所述电机驱动控制器接收STM32控制器发出的控制信号，根据该控制信号驱动永磁同步电机实现矿井勘测机器人的动作。
进一步地，所述电机驱动控制器采用芯片LKS32MC081C8T8。
进一步地，所述STM32控制器采用微处理器STM32F103ZET6。
进一步地，所述上位机还包括基于Windows平台的机器人控制界面，显示所述STM32控制器上传的矿井勘测机器人的数据信息。
有益效果：本发明充分利用了STM32处理速度快，接口丰富等特性，在提高控制系统集成度的同时，实现矿井勘测机器人的准确控制。本发明的控制系统采用模块化方法设计，充分利用了STM32片上丰富的外设资源，这样既能够保证每个模块的独立性，又能够实现各部分的互相联系。
本发明采用南京凌鸥自主研发的电机驱动控制芯片LKS32MC081C8T8，集成了常用电机控制系统所需要的所有模块，集成自主指令集电机控制专用DSP，具有工业级工作温度范围和超强的抗静电和群脉冲能力，采用该芯片可以极大地提高系统的可靠性和集成度，从而达到减小体积，节约成本的效果。
本发明中的电源模块，硬件设计时充分考虑到隔离、降噪、稳压、保护，使得电源模块工作稳定，同时可以输出+15V、+5V、+3.3V等不同类型的直流电压。
附图说明
图1是本发明基于STM32的矿井勘测机器人控制系统框图；
图2是电源模块中24-15V电路图；
图3是电源模块中15-5V电路图；
图4是电源模块中5-3.3V电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的基于STM32的矿井勘测机器人控制系统，系统包括上位机、无线通信模块、STM32控制器、传感器模块、摄像头模块、GPS模块、电机驱动控制模块和电源模块。上位机用于下发运动指令，并接收和显示矿井勘测机器人采集到的状态信息。无线通信模块用于上位机和STM32控制器的通信。
上位机为普通的PC机，设置有基于Windows平台的机器人控制界面以及无线通信模块的驱动程序，用于实现机器人状态的初始化，实时显示监控画面和机器人采集到的环境参数信息，上位机与STM32控制器通过无线通信模块实现数据的上传下传。
STM32控制器安装于矿井勘测机器人中，用于接收上位机下发的运动指令和通信指令，并执行上位机下发的控制程序和相关指令实现对机器人的控制，并根据指令实现脉冲输出，状态管理，信息采集处理；信息采集处理时对传感器模块、摄像头模块和GPS模块采集到的信息进行处理，并上传给上位机。
STM32控制器采用高性能M3内核的32位微处理器STM32F103ZET6，其广泛应用于工业控制、汽车电子、医疗器械等行业。STM32具有丰富的内部资源和外部扩展功能，能够满足高速通信和快速处理的需求，其功能是接收并储存上位机发送的控制程序代码和数据，用扫描的方式接收传感器模块的状态和数据，并将处理后的数据上传给上位机。
传感器模块包括姿态传感器、烟雾传感器、风力传感器、瓦斯传感器、温湿度传感器、超声波传感器；其中，姿态传感器用来监测机器人的行走姿态，烟雾传感器用来采集矿井下的烟雾浓度，风力传感器用来监测矿井下的风力强度，瓦斯传感器用来采集矿井下的瓦斯浓度，温湿度传感器用来采集矿井下空气中的温度和湿度，超声波传感器用于机器人的自动避障。
本发明采用了烟雾传感器、风力传感器、瓦斯传感器、温湿度传感器实时采集矿井下各个环境因子的数据信息，通过STM32控制器将数据及时处理，并通过无线通信模块将数据信息传输给上位机，与预先设置的阈值进行比较，当矿井下环境因子高于或者低于设定的阈值时，上位机发出指令并报警，提醒工人此时不宜井下作业。此外，姿态传感器用来采集机器人的行走姿态信息，通过STM32控制器将信息及时处理，并通过无线通信模块将数据信息传输给上位机，上位机根据信息发出指令控制机器人的运动与调速。超声波传感器用于机器人的自动避障。
电机驱动控制模块安装于矿井勘测机器人中，包括电机驱动控制器和永磁同步电机；电机驱动控制器接收STM32控制器发出的控制信号，根据该控制信号采用南京凌鸥电机驱动控制算法实现机器人的直立行走，转向调速等动作。电机驱动控制模块采用南京凌鸥自主研发的电机驱动控制芯片LKS32MC081C8T8，集成了常用电机控制系统所需要的所有模块。LKS32采用96MHz 32位内核微处理器，集成自主指令集电机控制专用DSP，具有工业级工作温度范围和超强的抗静电和群脉冲能力。采用该芯片可以极大地提高系统的可靠性和集成度，从而达到减小体积，节约成本的效果。
摄像头模块安装于矿井勘测机器人上，用于实时采集矿井下的图像信息传输到STM32控制器，并通过无线通信模块上传到上位机。GPS模块安装于矿井勘测机器人上，通过全球定位系统将机器人的位置信息传输STM32控制器，并通过无线通信模块上传到上位机。通过GPS模块实时定位矿井勘测机器人的位置信息，当遇到报警时可以准确定位，获取危险区域信息。
如图2，图3，图4所示，电源模块外接开关电源+24V电压，通过DC-DC芯片LKS610转换为+15V给电机供电，+15V再通过78L05降为+5V给传感器和LKS32芯片等模块供电，最后，+5V经过AMS1117-3.3降到+3.3给STM32等芯片供电。本发明的电源模块硬件设计充分考虑到隔离、降噪、稳压、保护，使得电源模块工作稳定，同时可以输出+15V、+5V、+3.3V等不同类型的直流电压。

Claims (5)

1.一种基于STM32的矿井勘测机器人控制系统，其特征在于，包括上位机、无线通信模块、STM32控制器、传感器模块、摄像头模块、GPS模块、电机驱动控制模块和电源模块；
上位机通过无线通信模块与STM32控制器通信，所述上位机向所述STM32控制器下发指令，并接收所述STM32控制器上传的数据；
所述STM32控制器、传感器模块、摄像头模块、GPS模块均安装于矿井勘测机器人上，所述STM32控制器采集传感器模块、摄像头模块、GPS模块的信息上传给上位机，并接收上位机的指令控制矿井勘测机器人；
所述STM32控制器采用微处理器STM32F103ZET6；
所述电机驱动控制模块安装于矿井勘测机器人中，接收STM32控制器的指令控制矿井勘测机器人工作，所述电机驱动控制模块包括电机驱动控制器和永磁同步电机；所述电机驱动控制器接收STM32控制器发出的控制信号，根据该控制信号驱动永磁同步电机实现矿井勘测机器人的动作，电机驱动控制器采用芯片LKS32MC081C8T8；
所述电源模块安装于矿井勘测机器人中，用于给矿井勘测机器人各模块供电。
2.根据权利要求1所述的基于STM32的矿井勘测机器人控制系统，其特征在于，所述传感器模块包括姿态传感器和超声波传感器；所述姿态传感器用来实现机器人的方向调整，所述超声波传感器用来实现机器人的自动避障。
3.根据权利要求1所述的基于STM32的矿井勘测机器人控制系统，其特征在于，所述传感器模块还包括烟雾传感器、风力传感器、瓦斯传感器、温湿度传感器。
4.根据权利要求3所述的基于STM32的矿井勘测机器人控制系统，其特征在于，上位机接收到传感器模块采集的数据，与预先设置的阈值进行比较，当矿井下环境数据高于或者低于设定的阈值时，上位机发出指令并报警。
5.根据权利要求1所述的基于STM32的矿井勘测机器人控制系统，其特征在于，所述上位机还包括基于Windows平台的机器人控制界面，显示所述STM32控制器上传的矿井勘测机器人的数据信息。
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