CN101265813A - 基于无线传感器网络的矿井搜索探测多机器人*** - Google Patents

基于无线传感器网络的矿井搜索探测多机器人*** Download PDF

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Abstract

基于无线传感器网络的矿井搜索探测多机器人***，本发明涉及矿井及井下事故现场的搜索探测领域，它克服了现有技术不能解决现场环境信息和被困人员信息的快速传递问题。它由以下装置组成：多关节体机器人，它具有蛇形细长结构并采用履带行走方式，具有搭载仓，可携带多个小型侦查机器人，携带的多种传感器能够确定受困矿工的位置、检测出有害气体的种类、有害气体的含量和环境温度；小型侦查机器人，通过沿途的被释放，实现多点信息采集和远距离通讯；远程操控终端，设置在地面上，与多关节体探测机器人和多个小型侦查机器人组成无线传感器网络，搭建起操作者和机器人间的通讯链路；救援人员在远端实时操控机器人各部分的运动，并获取现场环境信息和被困人员信息。

Description

基于无线传感器网络的矿井搜索探测多机器人***
技术领域
本发明涉及矿井及井下事故现场的搜索探测领域，更具体地说是一种以移动机器人为节点，采用无线传感器网络技术进行多机器人协调控制的矿井搜索探测多机器人***。
背景技术
目前国内外矿井事故搜救工作还是以人工搜救为主，只有美国和日本研制了单体井下救援机器人的原型，但上述机器人结构上的抗倾覆能力和越障能力非常差。公开号为CN1931653A的《一种适用于煤矿矿井搜索探测的履带式多关节铰接机器人》专利公开了一种不易倾覆，而且具有较好的越障能力且可以非常容易地穿越狭小长缝的蛇形履带式多关节机器人，但该专利没有公开井下搜救中多点传感和远距离通讯这两大关键问题，不能解决现场环境信息和被困人员信息的快速传递问题。无线传感器网络作为一种全新的信息获取与处理技术，其特有的多节点协作与动态拓扑控制技术、无线多跳通讯技术将为井下多机器人协作采集信息和远距离通讯提供了很好的解决方案，为多机器人***完成矿井搜索探测任务提供了有力支持。
发明内容
本发明目的是提供一种基于无线传感器网络的矿井搜索探测多机器人***，以克服现有技术不能解决现场环境信息和被困人员信息的快速传递问题。它由以下装置组成：
多关节体机器人，它具有蛇形细长结构并采用履带行走方式，能够满足矿井井下复杂障碍对机器人地形附着能力和较小的体积的要求；多关节体机器人具有搭载仓，可携带多个小型侦查机器人；多关节体机器人具有信息感知***，通过携带的多种传感器能够确定受困矿工的位置、检测出有害气体的种类、有害气体的含量和环境温度，确定是否存在明火以及明火的位置；
小型侦查机器人，通过沿途的被释放，成为有害气体的种类、有害气体的含量和环境温度的监控节点和无线网络的信息传递节点，实现多点信息采集和远距离通讯；
远程操控终端，设置在地面上，与多关节体探测机器人和多个小型侦查机器人组成无线传感器网络，搭建起操作者和机器人间的通讯链路；在此链路基础上，采用遥操作模式进行人机交互，救援人员在远端通过人机接口可以实时操控机器人各部分的运动，并获取现场环境信息和被困人员信息。
本发明解决了矿井井下复杂环境中环境监测、人员搜索定位和远程通信等问题，本发明通过多机协作有效穿越障碍，到达危险和灾害现场，采集(气、火、水等)多种信息；该***还通过沿途释放的小型机器人做为监控、通讯节点构成无线传感器网络，接收和传递操作者的指令并将现场信息发送给操作者，辅助生产和救护人员进行紧急决策或实施快速、有效的救助。本发明的优点是能实现动态自组织、通讯可靠性高和环境感知能力强，能够在井下复杂地形中运动并配置多机器人节点，搭建无线传感器网络，通过遥操作模式进行人机交互，实现井下信息获取和多机器人控制。克服了现有技术不能解决现场环境信息和被困人员信息的快速传递问题。
附图说明
图1是本发明多关节体机器人1的结构示意图，图2是本发明的***构成示意图，图3是多关节体机器人1的电路结构示意图，图4是小型侦查机器人2的电路结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2具体说明本实施方式。本实施方式由以下装置组成：多关节体机器人1，它具有蛇形细长结构并采用履带行走方式，能够满足矿井井下复杂障碍对机器人地形附着能力和较小的体积的要求；多关节体机器人1具有搭载仓，可携带多个小型侦查机器人2；多关节体机器人1具有信息感知***，通过携带的多种传感器能够确定受困矿工的位置、检测出有害气体的种类、有害气体的含量和环境温度，确定是否存在明火以及明火的位置；
小型侦查机器人2，小型两轮侦查机器人具有结构简单、便于搭载的特点，通过沿途的被释放，成为有害气体的种类、有害气体的含量和环境温度的监控节点和无线网络的信息传递节点，实现多点信息采集和远距离通讯；给每个小型侦查机器人2安装不同的传感元件，可以动态监控整个巷道内的各种气体、温度变化情况。
远程操控终端3，设置在地面上，与多关节体探测机器人1和多个小型侦查机器人2组成无线传感器网络，搭建起操作者和机器人间的通讯链路。在此链路基础上，采用遥操作模式进行人机交互，救援人员在远端通过友好的人机接口(PDA、Monitor和控制按钮)就可以实时操控机器人各部分的运动，并获取现场环境信息和被困人员信息；
如图1所示，本实施方式的多关节体机器人1由七个关节体组成，分别是头部单元1-1、尾部单元1-2、两个铰驱动单元1-3、搭载单元1-4、电源单元1-5和控制传感单元1-6，关节体之间通过铰链连接，可以适应非常复杂的地形条件。每个关节体上都装有自己的电动机、减速器、驱动器作为运动***。头部单元1-1的前端面上和尾部单元1-2后端面上分别装有可折叠柔性臂1-8，可折叠柔性臂1-8的伸出端上安装有摄像头1-9，如此设置可通过折叠柔性适应狭小通道；铰驱动单元1-3内有主动铰链的驱动机构；控制传感单元1-6内设置有无线通信模块1-6-1、处理器模块1-6-2、运动模块1-6-3、传感器模块1-6-4等；如图3所示。处理器模块采用飞利浦公司生产的ARM7芯片，型号是LPC2294，其集成6路PWM输出、2个32位计数器等外设便于进行对运动模块的控制，4个CAN控制器可方便组建CAN总线网络，完成运动部件驱动、传感器采集、数据处理、通讯等功能。考虑***的经济性和可靠性，以Nordic公司的无线通讯芯片nRF401为核心设计了无线通讯模块。nRF401工作在433MHz国际通用的ISM频段，采用FSK调制解调技术，数据传输率最高可达20Kbps，具有无需曼彻斯特编码、误码率低、体积小，所需***元件少，可以采用PCB天线等特点，非常符合本***小型化的要求。电源单元1-5携带较大的锂聚合物电池，为各模块供电；搭载单元1-4具有可开闭舱门的搭载仓，装有多个小型侦查机器人2。小型两轮侦查机器人带有传感器模块、处理器模块、无线通信模块等，具有结构简单、便于搭载的特点，通过沿途释放作为侦查节点，与主机器人一起构建成无线传感器网络，可以实现多点信息采集和远距离通讯功能。
多关节体机器人1的运动***采用MAXON公司的EC系列无刷电机和相应速比的减速器，可以避免有刷电机的换向火花，有利于井下防爆。运动控制方面，选用成熟的商用电机驱动器ACK-055-06，与主控处理器采用CAN总线通讯。小型侦查机器人2的运动机构采用MAXON公司的EC系列无刷电机和相应速比的减速器。
本发明的工作过程如下：操作者通过远程操控终端3在用户层下达搜救任务，并且通过友好的人机接口(PDA、Monitor、控制按钮)给多机***发送运动和操作指令。多关节体机器人1通过无线收发模块接收到指令后通过控制执行层控制自身多关节体的运动，灵活地躲避障碍；每行进一段距离，多关节体机器人1将舱门放下释放一个小型侦查机器人2作为节点。各小型侦查机器人2和多关节体机器人1组成节点可移动的无线传感器网络，一方面和远程操控终端3的无线收发模块相连接，将可靠的通讯范围一步步扩大，另一方面通过各小型侦查机器人2和多关节体机器人1携带的多种传感器，将可探测的环境范围进一步扩大，实现了一个动态的主动移动无线传感器网络。这种多通讯传感节点多跳组网的方式有利于网络的扩展，尤其适用于井下弯曲巷道中的通讯和环境感知。多关节体机器人1和多个小型侦查机器人2按接收到的指令做出相应运动和感知动作，感知到的信息经由多关节体机器人1进行数据处理后通过无线传感器网络发送回远程操控终端3。救援人员就可以实时地明确井下的环境信息和被困人员信息，便于救援队有针对性地采取防护措施，对可行目标实施有效救援。
具体实施方式二：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同之处是：摄像头1-9是CCD红外摄像头，便于在黑暗中识别环境，搜索被困人员。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处是：头部单元1-1和尾部单元1-2上安装有红外射线(IR)距离传感器从而确定前方障碍的距离和高度等，从而为路径规划提供有效信息。
具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处是：头部单元1-1、尾部单元1-2、两个铰驱动单元1-3、搭载单元1-4、电源单元1-5和控制传感单元1-6上都设置有高精度倾角传感器SCA61T从而确定每个关节体的自身姿态，从而决定是否需要摆动或回转来适应地形，主动铰上的力传感器和位置传感电位计可以帮助机器人确定自身倾斜的角度，决定能否继续爬坡或避免侧倾。
具体实施方式五：本实施方式与实施方式一的不同之处是：多关节体机器人1和小型侦查机器人2携带的传感器分别探测乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)、氧气(O2)、氢气(H2)的含量、现场的温度、湿度和风速。为了减小体积、方便集成，上述传感器选用MEMS工艺的化学触煤传感器。这种传感器具有体积小、集成度高、稳定性好、响应快等特点，适合井下探测需要。

Claims (6)

1、基于无线传感器网络的矿井搜索探测多机器人***，其特征在于它由以下装置组成：
多关节体机器人(1)，它具有蛇形细长结构并采用履带行走方式，能够满足矿井井下复杂障碍对机器人地形附着能力和较小的体积的要求；多关节体机器人(1)具有搭载仓，可携带多个小型侦查机器人(2)；多关节体机器人(1)具有信息感知***，通过携带的多种传感器能够确定受困矿工的位置、检测出有害气体的种类、有害气体的含量和环境温度，确定是否存在明火以及明火的位置；
小型侦查机器人(2)，通过沿途的被释放，成为有害气体的种类、有害气体的含量和环境温度的监控节点和无线网络的信息传递节点，实现多点信息采集和远距离通讯；
远程操控终端(3)，设置在地面上，与多关节体探测机器人(1)和多个小型侦查机器人(2)组成无线传感器网络，搭建起操作者和机器人间的通讯链路；在此链路基础上，采用遥操作模式进行人机交互，救援人员在远端通过人机接口可以实时操控机器人各部分的运动，并获取现场环境信息和被困人员信息。
2、根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的矿井搜索探测多机器人***，其特征在于多关节体机器人(1)由七个关节体组成，分别是头部单元(1-1)、尾部单元(1-2)、两个铰驱动单元(1-3)、搭载单元(1-4)、电源单元(1-5)和控制传感单元(1-6)，关节体之间通过铰链连接，头部单元(1-1)的前端面上和尾部单元(1-2)后端面上分别装有可折叠柔性臂(1-8)，可折叠柔性臂(1-8)的伸出端上安装有摄像头(1-9)。
3、根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的矿井搜索探测多机器人***，其特征在于摄像头(1-9)是CCD红外摄像头
Figure A20081006449200021
4、根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的矿井搜索探测多机器人***，其特征在于头部单元(1-1)和尾部单元(1-2)上安装有红外射线距离传感器。
5、根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的矿井搜索探测多机器人***，其特征在于头部单元(1-1)、尾部单元(1-2)、两个铰驱动单元(1-3)、搭载单元(1-4)、电源单元(1-5)和控制传感单元(1-6)上都设置有高精度倾角传感器从而确定每个关节体的自身姿态。
6、根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的矿井搜索探测多机器人***，其特征在于多关节体机器人1和小型侦查机器人(2)携带的传感器分别探测乙烯、乙烷、乙炔、甲烷、一氧化碳、氧气、氢气的含量、现场的温度、湿度和风速。
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