【我的毕设作品】井下救援探测机器人设计及控制技术探讨

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方案设计
整个钻孔救援机器人的机械本体设计中，最重要的部分就是整个壳体的设计，机器人的驱动机构，执行机构，传感机构的准确运行都要依靠于它，因此壳体的设计过程保证结构紧凑，具有225mm孔的穿越能力和煤矿井下运行良好的越障能力，为以后的结构设计优化以及控制系统的运行提供硬件基础。
相对机械本体结构而言，控制系统NI-myRIO-1900设备作为主控制器，控制其他模块进行相应的工作，包括电机驱动模块，图像处理模块，红外测距模块，温度和气体传感器模块，而且各个模块有其独有的功能，而且这种开放式的设计，也保证了以后控制系统的扩展以及机器人系统的升级完善。
机器人各个模块的作用：电机驱动模块由外部12V直流电源为系统供电，传输到控制器后，控制器可以分别输出3.3V、5V等检测模块所需电压大小，采用PWM调速方式对电机的转速大小进行精确控制，从而完成机器人的驱动功能。图像处理模块主要负责对摄像头采集回来的图像进行处理，其夜视与水平识别也可保证机器人更好的行走；其他传感器模块主要负责采集井下的相应的数据，以供救援人员参考。

本体结构设计
基于矿山钻孔救援探测的需求，本文设计了一款适应于小管径有线式小型履带后轴驱动式机器人，可以适应探测孔道及井下路面，并拥有一定的越障能力。整个机器人通过线缆为整个系统提供12V直流电，通过绳索向下牵引的方式来使机器人贴近管壁均匀地慢速下落，图6,7显示了机器人进入矿井内部时的环境示意图以及在钻孔下落时位姿是示意图。

图6 机器人进入矿井内部环境示意图
Fig. 6 Schematic diagram of robot entering mine interior environment

图7 机器人下落时示意图
Fig. 7 Schematic diagram of robot landing
机器人顶部安装了两个保护轮，下落时依靠保护轮和履带起到支撑作用，以免再下落时机器人与管道内壁多次碰撞而造成系统不稳定状况，机器人本体的整体结构框图如图8所示。考虑到机器人再下落时可能会出现绕绳回转的情况，采用导电滑环以防本体下落时发生旋转使连线松弛和断开，同时也可在PC端实时检测摄像头采集到的画面，以防止机器人落地时位姿不正确的情况。在机器人安全落到平地上后，即可通过远程操作来控制机器人巡检井下未知环境，形成了机器人本体设计质量轻、体积小、结构紧凑、携带方便、越障能力强和系统稳定等特点。

图8 机器人本体结构图
Fig. 8 Robot body structure diagram
测控系统设计
本文采用的是NI-myRIO-1900设备作为主控制器[17]，由12V直流电源为整个控制系统进行供电[18]，选用型号为600GSX-4468的两个涡轮蜗杆式无刷直流电机，搭配两个12V单通道直流电机驱动器，实现电机的正反转、差速转弯和制动。同时装备夏普GP2Y0A21红外测距传感器主要对机器人距后方障碍的距离实时采集，前端顶板上装有一个带有夜视功能的摄像头，采集机器人前方的环境信息。此外，还装备了一个PmodTMP3温度传感器和MQ-5的气体传感器，使机器人对周围环境的采集和监控更加具体和完善。此外，改控制器内部自带一个三轴加速度传感器，以便于实时检测机器人的位姿。
机器人运作过程中，上位机主要负责对传感器及摄像头所采集回来的数据进行处理，并通过有线传输实现人机交互界面和发送控制指令给下位机。下位机则执行上位机的指令，实现机器人的相应动作以及传感器和摄像头工作。通过上述硬件所制定出机器人控制系统结构框图如图9所示。

图9 机器人测控系统结构框图
Fig. 9 Structural block diagram of robot measurement and control system
各个模块功能实现
电机驱动
驱动模块主要是由电机和WSDC2416S驱动器组成。本文所设计的机器人供电由外部12V直流电源为系统供电，传输到控制器后，控制器可以分别输出3.3V、5V等检测模块所需电压大小，并且驱动器板上有自带的稳压芯片，可达到过热保护和限流保护的功能。图10为搭建起整个驱动模块的原理框图，配合H桥电路，因此可通过控制INA、INB端口的通断实现电机的正反转，采用PWM调速方式对电机的转速大小进行精确控制，从而完成机器人的驱动功能。

图10 驱动器控制电机运行原理图
Fig. 10 Operating schematic diagram of driver control motor

图11 电机控制上位机程序框图
Fig. 11 Program block diagram of upper computer for motor control
图11为上位机电机程序框图，首先通过互联接口功能初始化输入控件。再采集键盘上的按键变化以及设定所需要的动作执行方式，即按键按下或松开执行等，这里采用数组索引的方式来检索是哪一个按键有动作。最后通过与门控件和捆绑控件打包数据并且以变量方式发送到下位机。下位机识别按键组合后，会驱动电机来执行相应的动作。图12为电机驱动下位机程序框图，其最主要的是PWM子VI设计，下位机检测到组合按键后将相应命令发送到该子VI中即可。图中条件语句中有多种电机调速方式，实现了电机驱动的灵活性。

图12 电机驱动下位机程序框图
Fig. 12 Program block diagram of motor driven lower computer
图像采集
本文所选用的S320（1080P）摄像头具有红外夜视功能，通过USB数据线与控制器连接。当机器人处于光线较暗的环境下时，依然可以通过摄像头传递回夜视效果图像，并且可以通过程序的设定，可以达到摄像界面水平识别的状态，实时监控机器人防止发生侧翻，图18展示了摄像头的控制程序框图。

图18 图像采集程序框图
Fig. 18 Block diagram of image acquisition program
     摄像头采样分为Snap和Grab两种，根据不同的需求我们可以选择两种不同的采样方式，从图19我们可以看到摄像头采集到的画面是正是反，从而判断出机器人有没有发生侧翻，并且夜视效果呈现出紫色画面，其中物体清晰可见，从而满足在光线较暗情况下环境巡检功能。

图19 摄像头采集是图像效果图
Fig. 19 Camera acquisition is an image effect.
红外测距
为实现机器人与后方障碍物距离的探测，本文所选用夏普的GP2Y0A21红外测距传感器，该传感器是基于PSD技术的微型距离传感器，输出为模拟电压信号，并且在10cm-80cm之间时，电压值与距离呈非线性反比关系，0cm-10cm时称正比非线性关系，图13为该传感器与输出信号的对应关系图。此外，其还具有响应时间短、不受温度及背景光线的影响、适应性强、有广泛的应用前景等特点。

图13 红外传感器输出信号与距离对应关系
Fig. 13 Corresponding relationship between infrared sensor output signal and distance

图14红外测距程序框图
Fig. 14 Infrared ranging program block diagram
图14是红外测距原理框图，根据该红外传感器电路原理图，需要4.5V的电压输入，然后将其AO端口与控制器B段MAX（pin3）端口连接，再经过AC&DC Estimator PtByPt.vi将该信号直流分量读取出来，再经过相应红外公式和距离补偿以达到输出一个精确返回值，并且每隔50ms更新一次距离。
温度
PmodTMP3是一款基于Microchip®TCN75A芯片所构建的环境温度传感器，可以通过I2C协议配置高达12位分辨率的输出，并且可以通过编程设定温度阈值，当温度超过该值时，达到报警效果，实时性高。图15为温度传感器部分程序框图的展示。

图15 温度传感器程序框图
Fig. 15 Temperature sensor program block diagram
由于该传感器程序较为复杂，图15只显示了读取数据、报警和显示的功能，此外还有配置地址、温度限制设定和清除寄存器地址的程序框图，由上述总体过程构成了温度采集功能。
气体
当MQ-2气体传感器处于液化气、煤气等有害气体环境中时，传感器中SnO2材料的导电率会随着可燃气体浓度增大而增大[21]，并且将该变化值转换为与该气体浓度相对应的信号值进行输出，是一款适合多应用的低成本传感器。图16为气体传感器原理图，由图可知，该传感器同时具有AO、DO输出端口，为实验者提供输出的可选择性。

图16 气体传感器原理图
Fig. 16 Principle diagram of gas sensor
将传感器AOUT接口与控制器AI接口相连接，合理设置时间间隔，因为从传感器采集回来的模拟信号与气体浓度值不是线性关系或公式对应关系，而是存在一个模拟量与浓度的对应图表，如图17所示。通过前面板所显示的数值查找图标，从而得出气体浓度值，该传感器价格低廉，检测范围广，适应多种有害气体检测环境。

图17多气体浓度值与输出值对应关系图表
Fig. 17 Diagram of the relationship between multi-gas concentration and output
整体测控系统的实现
控制系统是煤矿救援机器人系统的核心，它主要实现机器人的视觉系统、检测系统和运动系统的控制[22]。运动模块、传感模块与通信方式是控制系统的主要组成部分，其中救援机器人的信号传输是井下环境信息勘测的前提。本文通信方式主要分为两种，一种是无线遥控式，操作方便，在控制范围内机器人运动灵活，但控制信号易受到巷道及金属残片的屏蔽，难以保证通信稳定性，另一种是有线通信，虽然布线繁琐，但可靠性高，抗干扰力强，适应井下较为复杂的环境情况，因此本文采用有线通信方式来实现上下位机之间的数据传输。
运动模块通过指令实现机器人履带或电机灵活运动，传感系统则通过摄像头和各种传感器采集井下未知环境信息以及机器人姿态位置信息，并最终通过通信系统将信号传导至上位机，由控制人员分析后完成各种操作。救援机器人的控制一般使用位于井上安全位置的上位机完成信息处理、控制决策等任务，机器人的运动由嵌入式系统或者运动控制芯片等组成[24]。
上位机通过下位机采集处理的数据进行实时分析，判断车体位置，地形情况，并根据灾区情况采取相应的技术和行为对策。在通信环境差，机器人失去数据传输能力或无法与地面取得联系的情况下，可以通过机器人后端牵引绳索将机器人拉回地面以避免造成不必要的损失。最后将上述所示框图合理融合，构成机器人整体控制系统及数据显示界面，如图20所示。

图20 机器人整体控制界面
Fig. 20 Robot Integral Control Interface
     图中主要有电机运行状态、视频传输、温度、气体等传感器数据监测和机器人行驶速度的显示，并且正在行使的是一个机器人加速前进、各种传感器协同工作以及图像实时显示的功能。
总结
（1）本文所设计的矿山钻孔救援探测机器人、体积小、重量轻、方便携带，能够从225mm孔径顺利抵达矿井所需探测点满足环境和信息探测需求；
（2）通过可变占空比来调整PWM输出大小的方式，增强了机器人的运动灵活性。此外搭配红外传感器以及配有的三轴加速度传感器，确保机器人在井下的位姿，为机器人完成实时监测任务提供了保障；
（3）所设计的        机器人控制系统不仅可以用于井下未知环境检测，为矿山救援探测机器人的智能控制奠定了基础。还能普遍使用于目前的移动机器人，具有广泛的开发和应用空间。