基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下機(jī)器人通信控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下機(jī)器人通信控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻、音頻采集等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著各類礦井生產(chǎn)的機(jī)械化、信息化和自動(dòng)化程度的提高，中國礦井安全生產(chǎn)形勢逐年好轉(zhuǎn)，各類事故率和死亡率均大幅下降。然而井下生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，還是不可避免的發(fā)生各類事故，事故發(fā)生后，及時(shí)掌握井下事故現(xiàn)場情況，是正確、有效救援，減少人員傷亡的關(guān)鍵。井下瓦斯爆炸和火災(zāi)等事故，會產(chǎn)生大量C0，C02，CH4等有毒有害氣體，消耗大量02。當(dāng)事故現(xiàn)場有毒有害氣體濃度超高、O2含量較低時(shí)、搜尋，救護(hù)人員難以到達(dá)有關(guān)區(qū)域進(jìn)行偵察、搜尋和救援。井下機(jī)器人除用于救災(zāi)外，也可用于井下巡檢領(lǐng)域。因此、研究井下機(jī)器人相關(guān)的技術(shù)十分必要。由于目前井下無線通信的接入設(shè)備需供電系統(tǒng)和通信光纜或電纜連接，所以事故發(fā)生時(shí)，巷道內(nèi)原有無線通信系統(tǒng)無法使用，井下機(jī)器人必須自帶通信系統(tǒng)進(jìn)行通信。輪式、履帶式、蛇形等地面行進(jìn)的機(jī)器人可通過有線通信方式與控制設(shè)備進(jìn)行通信，而采用飛行行進(jìn)方式的機(jī)器人則應(yīng)采用無線通信方式，目前井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已得到較廣泛的應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信具有成本低、組網(wǎng)靈活方便等特點(diǎn)，但通信距離受發(fā)射功率和空間阻擋等因素影響，直接影響井下機(jī)器人的工作距離。所以需要新的井下機(jī)器人通信組網(wǎng)方法與通信系統(tǒng)以保證井下機(jī)器人的通信距離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的在于提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下機(jī)器人通信控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于使井下機(jī)器人的無線通信距離隨機(jī)器人的行進(jìn)而不斷增長。井下機(jī)器人采用多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器人控制設(shè)備通信，井下機(jī)器人攜帶有多個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備，在行進(jìn)過程中同時(shí)根據(jù)設(shè)定條件投放無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍隨井下機(jī)器人的行進(jìn)路程的增加而不斷推進(jìn)，以保證井下機(jī)器人與機(jī)器人控制設(shè)備的通信;所述通信控制系統(tǒng)通過井下機(jī)器人攜帶的視頻采集設(shè)備采集視頻或圖像數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸至機(jī)器人控制設(shè)備;井下機(jī)器人攜帶有語音采集元件和語音放大設(shè)備，通過語音采集元件采集語音信號，通過語音放大設(shè)備將通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下傳的語音數(shù)據(jù)還原為語音信號放大播放。
[0004]所述系統(tǒng)井下機(jī)器人攜帶有多個(gè)無線路由設(shè)備，鋪設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)的方法包括以下3種:
[0005]1.井下機(jī)器人在行進(jìn)過程中監(jiān)測最近的固定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備信號強(qiáng)度，當(dāng)信號強(qiáng)度低于設(shè)定設(shè)定閾值時(shí)，則井下機(jī)器人在當(dāng)前位置投放新的固定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備，重復(fù)執(zhí)行以上監(jiān)測與投放過程，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍隨井下機(jī)器人的行進(jìn)不斷推進(jìn)。
[0006]2.井下機(jī)器人在行進(jìn)過程中測量并記錄行進(jìn)的路程長度，當(dāng)以最近的固定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備為起點(diǎn)行進(jìn)的路程長度達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，則在當(dāng)前位置投放新的固定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備，重復(fù)執(zhí)行以上監(jiān)測和投放過程，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍隨井下機(jī)器人的行進(jìn)路程的增加而不斷推進(jìn)。
[0007]3.井下機(jī)器人在行進(jìn)過程中監(jiān)測最近的固定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備信號強(qiáng)度，同時(shí)測量以最近的固定無線路由設(shè)備為起點(diǎn)的行進(jìn)路程長度，當(dāng)滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度低于設(shè)定閾值或行進(jìn)的路程長度達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，則在當(dāng)前位置投放新的固定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備，重復(fù)執(zhí)行以上監(jiān)測和投放過程，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍隨井下機(jī)器人的行進(jìn)路程的增加而不斷推進(jìn)。
[0008]所述系統(tǒng)還包括以下特點(diǎn):
[0009]1.井下機(jī)器人所攜帶的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備在投放前均已加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并可正常工作。
[0010]2.井下機(jī)器人采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，用于攜帶各類與井下現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測相關(guān)的傳感器模塊，所采集數(shù)據(jù)通過多跳無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制設(shè)備。
[0011]3.井下機(jī)器人攜帶的傳感器包括:溫度、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氧氣傳感器。
[0012]4.機(jī)器人控制設(shè)備可部署于井上也可部署于井下，井下機(jī)器人可受機(jī)器人控制設(shè)備控制從井上出發(fā)移動(dòng)至井下。
[0013]5.井下機(jī)器人包括采用兩軸或多軸旋翼飛行移動(dòng)的機(jī)器人。
【附圖說明】
[0014]圖1系統(tǒng)實(shí)施方式I示意圖。
[0015]圖2系統(tǒng)實(shí)施方式2示意圖。
[0016]圖3四軸旋翼井下機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由器投放裝置示意圖。
[0018]圖5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由器投放裝置仰視圖。
[0019]圖6四軸旋翼井下機(jī)器人主控板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖7四軸旋翼井下機(jī)器人數(shù)據(jù)采集板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021 ]圖8四軸旋翼井下機(jī)器人主控板軟件示意圖。
[0022]圖9路由投放子系統(tǒng)流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0023]所述通信控制系統(tǒng)的【具體實(shí)施方式】I如圖1所示，組成包括:
[0024]1.機(jī)器人控制設(shè)備(101)，負(fù)責(zé)控制井下機(jī)器人，通過多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)接收井下機(jī)器人上傳的各類數(shù)據(jù)，包括視頻或圖像數(shù)據(jù)，各類傳感器數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)；同時(shí)通過以太網(wǎng)和多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向井下機(jī)器人發(fā)送控制數(shù)據(jù)和語音數(shù)據(jù)。
[0025]2.井上交換機(jī)(102)，負(fù)責(zé)所有接入以太網(wǎng)的設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)交換。
[0026]3.井下交換機(jī)(103)，負(fù)責(zé)井下所有接入以太網(wǎng)的設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。
[0027]4.井下機(jī)器人(104)，可采用旋翼飛行機(jī)器人，也可采用輪式、履帶式、蛇形等地面行進(jìn)的機(jī)器人，攜帶多個(gè)Wifi路由設(shè)備(106)，用于在行進(jìn)中投放布網(wǎng)。
[0028]5.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(105)，負(fù)責(zé)多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，接收和轉(zhuǎn)發(fā)所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)，無線芯片采用TI的Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的CC2531，并具有網(wǎng)絡(luò)接口和USB接口，用于連接井下交換機(jī)或直接通過USB接口機(jī)器人控制設(shè)備。
[0029]6.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備(106)，負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的接入和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接續(xù)，由電池供電，體積小重量輕，便于井下機(jī)器人攜帶，無線芯片采用TI的CC2530o
[0030]所述通信控制系統(tǒng)的【具體實(shí)施方式】2如圖2所示，與實(shí)施方式I的區(qū)別在于機(jī)器人控制設(shè)備(101)直接連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(105)，機(jī)器人控制設(shè)備可部署于井上也可部署于井下，機(jī)器人控制設(shè)備部署于井上時(shí)，井下機(jī)器人可直接通過斜井、平硐飛行至井下。
[0031]所述通信控制系統(tǒng)中的井下機(jī)器人可采用飛行機(jī)器人也可采用地面行進(jìn)機(jī)器人，在本示例采用四軸旋翼井下機(jī)器人，機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖3所示:
[0032]1.旋翼(301),通過旋轉(zhuǎn)使空氣向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生升力，使機(jī)器人懸浮在空中。
[0033]2.電機(jī)(302)，負(fù)責(zé)為旋翼提供動(dòng)力，由控制板控制轉(zhuǎn)速，通過各旋翼不同轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的不同運(yùn)動(dòng)方向和姿態(tài)。
[0034]3.傳感器倉(303)用于放置各種類與井下現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測相關(guān)的傳感器模塊。
[0035]4.天線(304)用于無線信號發(fā)送和接收。
[0036]5.控制板倉(305)內(nèi)置無人機(jī)控制板，用于飛行控制、數(shù)據(jù)采集和無線通信等。
[0037]6.電池倉(306)用于電池存放，為旋翼、控制板及各傳感器模塊供電。
[0038]7.麥克風(fēng)(307)用于語音信號采集，當(dāng)救援無人機(jī)到達(dá)井下工作人員被困地點(diǎn)時(shí)，可通過麥克風(fēng)采集被困人員的語音信號，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將語音數(shù)據(jù)傳送至機(jī)器人控制設(shè)備。
[0039]8.數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(308)用于視頻信號采集，由將視頻信號數(shù)字化并編碼壓縮，通過無線網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)將視頻或圖像數(shù)據(jù)傳送至控制設(shè)備。
[0040]9.舵機(jī)(311)為路由設(shè)備投放裝置提供動(dòng)力，由控制板發(fā)出的脈沖信號控制，根據(jù)脈沖信號轉(zhuǎn)動(dòng)特定角度。
[0041]10.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備存放倉(309)用于路由設(shè)備存放。
[0042]11.轉(zhuǎn)盤(310)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備投放控制。
[0043]路由設(shè)備投放裝置結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示，主要包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備存放倉(309)和轉(zhuǎn)盤(310)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備存放倉(309)在上部，底部為帶有投放窗口的轉(zhuǎn)盤，舵機(jī)(311)的傳動(dòng)軸連接舵盤(312)通過轉(zhuǎn)盤連接孔(317)和螺釘連接在轉(zhuǎn)盤(310)上，舵機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)將投放窗口(314)轉(zhuǎn)至無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備(106)下方，設(shè)備在重力作用下離開存放倉。
[0044]如圖6所示為機(jī)器人的主控單元，包括:
[0045]1.主控板(601)，是機(jī)器人控制的核心部件，板上元件包括核心處理器、存儲單元、電源與時(shí)鐘單元、姿態(tài)傳感器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元;主控板還通過各類接口連接板外的各模塊或功能設(shè)備。
[0046]2.核心處理器(602)，采用三星S3C2440處理器，S3C2440是基于ARM920T內(nèi)核的微處理器，具有3個(gè)UART接口，2個(gè)SPI接口，2個(gè)USB接口，I個(gè)IIC-BUS接口 ；搭載Linux系統(tǒng)。
[0047]3.存儲單元(603);包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片IIC-BUS接口的 EEPROM。
[0048]4.電源與時(shí)鐘模塊(604)包括電壓轉(zhuǎn)換和時(shí)鐘管理元件，DC電壓轉(zhuǎn)換均采用MAX1724系列電源芯片，為所有芯片供電；選用12MHz晶振。
[0049]5.姿態(tài)傳感器(605)，采用invensense公司的MPU9150，該傳感器內(nèi)部包含三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和一個(gè)AK8975三軸磁強(qiáng)計(jì)的MEMS器件，具有封裝體積小，讀寫配置方便的優(yōu)點(diǎn)，MPU-9150內(nèi)部分別自帶了 16位的A/D，將其測量的模擬量，轉(zhuǎn)化為可