CN201232573Y

CN201232573Y - 坑道环境检测报警机器人

Info

Publication number: CN201232573Y
Application number: CNU2008200298167U
Authority: CN
Inventors: 刘宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2009-05-06
Anticipated expiration: 2018-07-31

Abstract

本实用新型公开了一种坑道环境检测报警机器人，包括机器人本体、驱动机器人本体行走的驱动电机及安装在机器人本体上的硬件电路板，机器人本体的底部行走机构为履带式底盘，履带式底盘上安装有两个驱动电机，硬件电路板上设置有电源模块、控制器、传感器模块、驱动控制模块、语音报警模块和无线通信模块；传感器模块接控制器，驱动控制模块、无线通信模块和语音报警模块均与控制器相接且均由控制器进行控制，传感器模块由多个传感器组成；两个驱动电机分别接控制器并向控制器反馈其各自运行的工作状态信号。本实用新型能在所检测坑道内自由行并进行实时检测、检测范围不受限，并且具有多种信息获取和判断能力，能综合多种信息进行智能报警。

Description

坑道环境检测报警机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人应用技术领域，尤其是涉及一种坑道环境检测报警机器人。

背景技术

煤矿安全在煤炭生产中占有特别重要的地位，煤矿事故发生的主要形式为瓦斯爆炸、瓦斯突出及中毒窒息等，咎其原因主要为：1、地质条件变化，使掘进面或工作面的瓦斯异常涌出并大量积聚；2、全局和局部通风结构及管理不善，导致异常涌出的瓦斯得不到排除或稀释；3、现场监控报警手段落后，不能及时发现和排除事故隐患，不能及时发出报警；4、上级煤管机关对各矿井下瓦斯变化，缺少直接、定量、有效、客观的监控条件与手段。

因而为及时检测瓦斯等各种参数变化，目前国内外主要采取在井下布局大规模的监控网线，规模化设置各种传感器，并且有专人负责维护、检查和记录，但是其每个传感器负责区域非常有限，需要规模化布局大量传感器，而且对突发危险地带的实时监控缺乏灵活应变能力，煤矿井下危险地带作业人员的安全问题得不到有效解决。另外，目前的监控网络不仅耗资巨大，而且灵活检测能力有待提高，其无法综合多种信息进行智能报警且设备固定安装检测范围过小。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种坑道环境检测报警机器人，其能在所检测坑道内自由行并进行实时检测、检测范围不受限，并且具有多种信息获取和判断能力，能综合多种信息进行智能报警。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种坑道环境检测报警机器人，包括机器人本体、驱动所述机器人本体行走的驱动电机以及安装在所述机器人本体上的硬件电路板，其特征在于：所述机器人本体的底部行走机构为履带式底盘，所述履带式底盘上安装有两个驱动电机，所述硬件电路板上设置有电源模块、控制器、实时对外界环境条件进行检测的传感器模块、对所述两个驱动电机进行控制的驱动控制模块、语音报警模块和将控制器所存储数据进行上传的无线通信模块；所述传感器模块接控制器，所述驱动控制模块、无线通信模块和语音报警模块均与控制器相接且均由控制器进行控制，所述传感器模块由多个传感器组成；所述两个驱动电机分别接控制器并向控制器反馈其各自运行的工作状态信号。

所述传感器的数量为五个，其分别为对瓦斯、负压、一氧化碳、风速和温度五路信号进行检测的传感器。

所述控制器为芯片C8051F320。

所述驱动控制模块由芯片L298N、两个NPN型三极管T1、T2以及分别与所述两个驱动电机相接的驱动电路组成，所述三极管T1、T2的基极分别经电阻R2、R4后接芯片C8051F320的两个输出引脚P06、P07，所述三极管T1、T2的集电极分别接芯片L298N的两个输入引脚IN1、IN3，所述芯片L298N的四个输入引脚IN2、IN4、ENA和ENB分别与芯片C8051F320的四个输出引脚P06、P07、P10和P11相接；所述芯片L298N的四个输出引脚OUT1、OUT2、OUT3和OUT4分别与的正负极以及驱动电路相接。

所述驱动电路为由四个二极管组成的H桥驱动电路。

所述传感器模块分别与所述芯片C8051F320的四个输入端口P24、P25、P26和P27相接，对风速和温度进行检测的两个传感器进行周期性检测且二者接所述芯片C8051F320的同一个输入端口，对瓦斯、负压和一氧化碳进行检测的三个传感器实时进行检测且三者分别接所述芯片C8051F320的三个输入端口。

所述语音报警模块包括芯片ZY1730以及与其相连的两个扬声器SPEAKER1、SPEAKER2，所述芯片C8051F320和芯片ZY1730之间以SPI总线方式进行连接，所述芯片C8051F320的三个输出引脚P00、P01和P02分别与芯片ZY1730的三个输入引脚SCLK、MISO和MOSI相接，所述芯片C8051F320的输出引脚P21接芯片ZY1730的输入引脚SS。

所述无线通信模块为芯片nRF905，所述芯片nRF905与所述芯片C8051F320之间以SPI总线方式进行连接，所述芯片C8051F320的三个输出引脚P00、P01和P02分别与芯片nRF905的三个输入引脚SCK、MISO和MOSI相接，所述芯片C8051F320的输出引脚P17、P20分别接芯片nRF905的输入引脚CSN、TX_EN。

所述驱动电机上安装有光电码盘，所述光电码盘接控制器并向控制器反馈所述驱动电机运行的工作状态信号。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点，1、结构合理、功能完善，由机器人本体、驱动电机以及设置在硬件电路板上的电源模块、控制器、实时对外界环境条件进行检测的传感器模块、对驱动电机进行控制的驱动控制模块、语音报警模块和将控制器所存储数据进行上传的无线通信模块组成；2、采取模块化设计，尽量减少硬件电路和降低功耗，电路设计全面考虑了节能问题；3、底部行走机构为履带式底盘，使得机器人本体能够根据预先输入的所巡逻坑道全部地域信息，翻越一定高度障碍物或绕行；4、由于机器人本体可在所检测坑道内自由行走，因而其检测范围不受限；5、传感器模块由对瓦斯、负压、一氧化碳、风速和温度等多路信号进行检测的多个传感器组成，因而能够实时检测瓦斯、风速、负压、一氧化碳、温度等重要信息并在危险情况下发出语音报警，并可自行退出危险地带，并具有可以随时设定各种传感器危险系数和巡逻区域大的特点。综上，本实用新型有多种信息获取和判断能力，能综合多种信息进行智能报警，具有极其强大的坑道检测能力和巡逻能力，为各种地下管线监控提供了一个完善的平台，利于推广应用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构框图。

图2为本实用新型控制器、驱动控制模块以及驱动电机的结构框图。

图3为本实用新型控制器的电路原理图。

图4为本实用新型语音报警模块的电路原理图。

图5为本实用新型驱动控制模块和驱动电机的电路原理图。

图6为本实用新型无线通信模块的电路原理图。

附图标记说明：

1—履带式底盘； 2—左侧电机； 3—右侧电机；

4—传感器模块； 5—控制器； 6—电源模块；

7—驱动控制模块； 8—无线通信模块； 9—语音报警模块；

10—光电码盘； 11—光电隔离电路。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实用新型包括机器人本体、驱动所述机器人本体行走的驱动电机以及安装在所述机器人本体上的硬件电路板。其中，所述机器人本体的底部行走机构为履带式底盘1且履带式底盘1上安装有两个驱动电机，该履带式底盘1使得机器人本体能在坑道不平的路面上行走自如且能越过一定高度的障碍物。而两个驱动电机为分别安装在履带式底盘1左右两侧的左侧电机2即M1和右侧电机3即M2。硬件电路板上设置有电源模块6、控制器5、实时对外界环境条件进行检测的传感器模块4、对所述两个驱动电机进行控制的驱动控制模块7、语音报警模块9和将控制器5所存储数据进行上传的无线通信模块8。所述两个驱动电机分别接控制器5并向控制器5反馈其各自运行的工作状态信号。

其中，电源模块6负责提供机器人本体运动以及其它模块电路所需的能量，其通过外接电源直接进行充电。所述传感器模块4由多个传感器组成，在本实施例中，传感器的数量为五个，其分别对瓦斯、负压、一氧化碳、风速和温度五路信号进行检测；同时，传感器模块4接控制器5，将其所检测的多路信号及时传送至控制器5进行分析处理。所述驱动控制模块7、无线通信模块8和语音报警模块9均与控制器5相接且均由控制器5进行控制。驱动控制模块7负责对两个驱动电机的进行驱动且对两个驱动电机的运动状态进行协调。控制器5综合传感器模块4传入的多路检测信号并进行智能判断是否出现危险，当出现危险时控制语音报警模块9进行报警提示，而语音报警模块9则根据实际要求发出不同的语音报警信号。另外，无线通信模块8负责将控制器5所存储的历史检测数据上传给计算机进行深入处理。

所述驱动电机即左侧电机2和右侧电机3上分别安装有光电码盘10，所述光电码盘10接控制器5并向控制器5反馈驱动电机运行的工作状态信号，本实施例中，光电码盘10安装在所述驱动电机的尾部。同时，光电码盘10与控制器5之间还接有光电隔离电路11。

结合图3，控制器5即芯片U4为芯片C8051F320，该控制器5完成全部控制处理工作，其电源电压为3.3V。其中，芯片C8051F320的数据输入接口即两个输入引脚RST/C2CK、P30/C2D分别接J3的第7和第4端口；同时，芯片C8051F320的输入引脚RST/C2CK经电阻R10、R11后接连通数据输入端口的开关K1，通过控制开关K1的通断来向芯片C8051F320输入数据。在实际应用过程中，需要向芯片C8051F320输入控制程序以及所检测坑道环境的地形信息。总之，通过与芯片C8051F320的数据输入接口相连的J3和开关K1完成控制器5在线程序的下载。

传感器模块4分别与所述芯片C8051F320的四个输入端口P24、P25、P26和P27相接，对风速和温度进行检测的两个传感器进行周期性检测且二者接所述芯片C8051F320的同一个输入端口，对瓦斯、负压和一氧化碳进行检测的三个传感器实时进行检测且三者分别接所述芯片C8051F320的三个输入端口。

如图5所示，驱动控制模块7由芯片L298N即芯片U1、两个NPN型三极管T1、T2以及分别与所述两个驱动电机相接的驱动电路组成。三极管T1、T2的基极分别经电阻R2、R4后接芯片C8051F320的两个输出引脚P06、P07，三极管T1、T2的集电极分别接芯片L298N的两个输入引脚IN1、IN3，同时两个集电极分别经电阻R1、R3后接电源。芯片L298N的四个输入引脚IN2、IN4、ENA和ENB分别与芯片C8051F320的四个输出引脚P06、P07、P10和P11相接，由此实现芯片C8051F320对芯片L298N的控制。而芯片L298N的四个输出引脚OUT1、OUT2、OUT3和OUT4分别与两个驱动电机的正负极以及驱动电路相接，其驱动电路为由四个二极管组成的H桥驱动电路。具体是：芯片L298N的两个输出引脚OUT1和OUT2分别接左侧电机2的正负极，而左侧电机2的H桥驱动电路由四个二极管D1、D2、D3和D4组成；芯片L298N的两个输出引脚OUT3和OUT4分别接右侧电机3的正负极，而右侧电机3的H桥驱动电路由四个二极管D5、D6、D7和D8组成。这样，通过上述电路，以左侧电机2即M1的控制为例，当芯片C8051F320的输出引脚P06为高电平时，三极管T1导通，则芯片L298N的输入引脚IN1为低电平而输入引脚IN2为高电平，此时，左侧电机2即M1反转；而当芯片C8051F320的输出引脚P06为低电平时，三极管T1截止，则芯片L298N的输入引脚IN1为高电平而输入引脚IN2为低电平，此时，左侧电机2即M1正转。而右侧电机3即M2的控制与左侧电机2相同，综上，通过驱动控制模块7来实现芯片C8051F320对两个驱动电机正反转的控制。综上，芯片C8051F320输出的两路PWM信号和相应的方向信号给芯片L298，芯片L298采用H桥驱动方式驱动两个驱动电机工作在正转、反转、制动和惰行四种工作方式下。

另外，左侧电机2即M1和右侧电机3即M2上所安装的光电码盘10与控制器5相接，具体是两个光电码盘10的输出端口分别与芯片C8051F320的四个输入引脚P04、P05、P22和P23相接，向控制器5反馈驱动电机的转向和转动速度。以左侧电机2即M1为例，左侧电机2即M1上所安装的光电码盘10接芯片C8051F320的输入引脚P04和P05，由于所传入的两路信号间的相位差为90度，控制器5通过判断相位朝前和落后即可判断出左侧电机2即M1是正转还是反转，同时控制器5根据通过检测所传入信号的脉冲数即可判断出左侧电机2即M1的转动速度；而右侧电机3即M2的所反馈的信息与左侧电机2即M1相同。综上，在驱动电机转动的同时，安装带动驱动电机上的光电码盘10同步运动，再由光电码盘10给出两路相位差90度的正交信号，经过光电隔离后传送给芯片C8051F320，芯片C8051F320根据这两路信号得出驱动电机的转动方向和转动速度，与设定速度比较后得出差值，之后控制器5根据比较结果重新发出新的PWM驱动信号。

如图4所示，所述语音报警模块9包括芯片ZY1730即芯片U2以及与其相连的两个扬声器SPEAKER1、SPEAKER2，所述芯片C8051F320和芯片ZY1730之间以SPI总线方式进行连接，具体是芯片C8051F320的三个输出引脚P00、P01和P02分别与芯片ZY1730的三个输入引脚SCLK、MISO和MOSI相接。另外，所述芯片C8051F320的输出引脚P21接芯片ZY1730的输入引脚SS，通过输出引脚P21控制芯片ZY1730的片选端。实际应用过程中，可以通过两路输入通道对芯片ZY1730输入不同的报警语音信号，两路输入通道分别为差动麦克风输入通道和单端模拟输入通道。其中，差动麦克风输入通道为与芯片ZY1730的输入引脚MIC+、MIC-相接的麦克风MIC；单端模拟输入通道为经电阻R5与芯片ZY1730的输入引脚AnaIn相接的AnaIn键J1。芯片ZY1730同时提供脉宽调制D类扬声器驱动器和独立的模拟输出端口，具体是其PWM输出即输出引脚SP+和SP-能直接驱动一个标准的8Ω扬声器SPEAKER1或典型的蜂音器，同时独立的模拟输出即输出管脚AUD可配置为一个单端电流或电压输出以驱动外部放大器，本实施例中，其输出管脚AUD经三极管T3后接扬声器SPEAKER2。

如图6所示，所述无线通信模块8为芯片nRF905即U3，所述芯片nRF905与所述芯片C8051F320之间以SPI总线方式进行连接，具体是芯片C8051F320的三个输出引脚P00、P01和P02分别与芯片nRF905的三个输入引脚SCK、MISO和MOSI相接。所述芯片C8051F320的输出引脚P17接芯片nRF905的输入引脚CSN，通过输出引脚P17控制芯片nRF905的片选端，而所述芯片C8051F320的输出引脚P20接芯片nRF905的输入引脚TX_EN。芯片C8051F320输入引脚XC1和XC2接其晶振电路，其引脚VSS均接地，引脚VDD接3.3V电源，引脚DVDD_1V2经电容C7后接地，引脚IREF经R8后接地，引脚VDD_PA经电容C18后接地。芯片nRF905的引脚ANT2经电感L2、电容C12后接J2的第1管脚，而J2的其它管脚均接地；而芯片nRF905的引脚ANT1经电感L3、电容C17后接地；同时，所述引脚ANT2和引脚ANT1间接有电容C11。另外，所述引脚ANT1经电感L3后与引脚VDD_PA相接。

芯片nRF905的工作电压为3.3V，其可以工作于433/868/915MHz三个ISM频道即工业、科学和医学，设计的频道之间的转换时间小于650us。芯片nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，ShockBurst工作模式、自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与控制器5进行通信。本设计电路功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，实现节能，其无线通信模块8的SPI通信速率由控制器5决定。

综上，控制器5首先读取预先输入其内部并保存的所检测坑道地图，发出指令并通过驱动控制模块7驱动两个驱动电机前行、转弯或者停止，在发出指令同时，控制器5读取通过光电码盘10反馈回来的的驱动电机转向和转动速度信号，构成一个驱动闭环控制系统，完成对两个驱动电机的精确控制。同时，控制器5通过对传感器模块4所采集的多路传感器传感器信号进行分析处理，并和预先存储的参数比较后判断是否需要报警。在需要报警时，控制器5通过SPI总线驱动语音报警模块9完成语音报警功能。同时，根据具体需要，控制器5通过无线通信模块8将所检测并存储的数据上传给计算机进行进一步深入处理。综上，本实用新型提供了一种不但具有多种信息获取和判断能力，而且可自由行走在坑道内进行实时检测和报警的自主移动机器人。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种坑道环境检测报警机器人，包括机器人本体、驱动所述机器人本体行走的驱动电机以及安装在所述机器人本体上的硬件电路板，其特征在于：所述机器人本体的底部行走机构为履带式底盘(1)，所述履带式底盘(1)上安装有两个驱动电机，所述硬件电路板上设置有电源模块(6)、控制器(5)、实时对外界环境条件进行检测的传感器模块(4)、对所述两个驱动电机进行控制的驱动控制模块(7)、语音报警模块(9)和将控制器(5)所存储数据进行上传的无线通信模块(8)；所述传感器模块(4)接控制器(5)，所述驱动控制模块(7)、无线通信模块(8)和语音报警模块(9)均与控制器(5)相接且均由控制器(5)进行控制，所述传感器模块(4)由多个传感器组成；所述两个驱动电机分别接控制器(5)并向控制器(5)反馈其各自运行的工作状态信号。

2.按照权利要求1所述的坑道环境检测报警机器人，其特征在于：所述传感器的数量为五个，其分别为对瓦斯、负压、一氧化碳、风速和温度五路信号进行检测的传感器。

3.按照权利要求2所述的坑道环境检测报警机器人，其特征在于：所述控制器(5)为芯片C8051F320。

4.按照权利要求3所述的坑道环境检测报警机器人，其特征在于：所述驱动控制模块(7)由芯片L298N、两个NPN型三极管T1、T2以及分别与所述两个驱动电机相接的驱动电路组成，所述三极管T1、T2的基极分别经电阻R2、R4后接芯片C8051F320的两个输出引脚P06、P07，所述三极管T1、T2的集电极分别接芯片L298N的两个输入引脚IN1、IN3，所述芯片L298N的四个输入引脚IN2、IN4、ENA和ENB分别与芯片C8051F320的四个输出引脚P06、P07、P10和P11相接；所述芯片L298N的四个输出引脚OUT1、OUT2、OUT3和OUT4分别与的正负极以及驱动电路相接。

5.按照权利要求4所述的坑道环境检测报警机器人，其特征在于：所述驱动电路为由四个二极管组成的H桥驱动电路。

6.按照权利要求3或4所述的坑道环境检测报警机器人，其特征在于：所述传感器模块(4)分别与所述芯片C8051F320的四个输入端口P24、P25、P26和P27相接，对风速和温度进行检测的两个传感器进行周期性检测且二者接所述芯片C8051F320的同一个输入端口，对瓦斯、负压和一氧化碳进行检测的三个传感器实时进行检测且三者分别接所述芯片C8051F320的三个输入端口。

7.按照权利要求3、4或5所述的坑道环境检测报警机器人，其特征在于：所述语音报警模块(9)包括芯片ZY1730以及与其相连的两个扬声器SPEAKER1、SPEAKER2，所述芯片C8051F320和芯片ZY1730之间以SPI总线方式进行连接，所述芯片C8051F320的三个输出引脚P00、P01和P02分别与芯片ZY1730的三个输入引脚SCLK、MISO和MOSI相接，所述芯片C8051F320的输出引脚P21接芯片ZY1730的输入引脚SS。

8.按照权利要求3、4或5所述的坑道环境检测报警机器人，其特征在于：所述无线通信模块(8)为芯片nRF905，所述芯片nRF905与所述芯片C8051F320之间以SPI总线方式进行连接，所述芯片C8051F320的三个输出引脚P00、P01和P02分别与芯片nRF905的三个输入引脚SCK、MISO和MOSI相接，所述芯片C8051F320的输出引脚P17、P20分别接芯片nRF905的输入引脚CSN、TX_EN。

9.按照权利要求1至5中任一项权利要求所述的坑道环境检测报警机器人，其特征在于：所述驱动电机上安装有光电码盘(10)，所述光电码盘(10)接控制器(5)并向控制器(5)反馈所述驱动电机运行的工作状态信号。