基于無線傳感器網絡的井下機器人通信控制系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于無線傳感器網絡的井下機器人通信控制系統，該系統涉及無線傳感器網絡技術和視頻、音頻采集等領域。
【背景技術】
[0002]隨著各類礦井生產的機械化、信息化和自動化程度的提高，中國礦井安全生產形勢逐年好轉，各類事故率和死亡率均大幅下降。然而井下生產環境復雜，還是不可避免的發生各類事故，事故發生后，及時掌握井下事故現場情況，是正確、有效救援，減少人員傷亡的關鍵。井下瓦斯爆炸和火災等事故，會產生大量C0，C02，CH4等有毒有害氣體，消耗大量02。當事故現場有毒有害氣體濃度超高、O2含量較低時、搜尋，救護人員難以到達有關區域進行偵察、搜尋和救援。井下機器人除用于救災外，也可用于井下巡檢領域。因此、研究井下機器人相關的技術十分必要。由于目前井下無線通信的接入設備需供電系統和通信光纜或電纜連接，所以事故發生時，巷道內原有無線通信系統無法使用，井下機器人必須自帶通信系統進行通信。輪式、履帶式、蛇形等地面行進的機器人可通過有線通信方式與控制設備進行通信，而采用飛行行進方式的機器人則應采用無線通信方式，目前井下無線傳感器網絡已得到較廣泛的應用，無線傳感器網絡通信具有成本低、組網靈活方便等特點，但通信距離受發射功率和空間阻擋等因素影響，直接影響井下機器人的工作距離。所以需要新的井下機器人通信組網方法與通信系統以保證井下機器人的通信距離。
【發明內容】
[0003]本發明目的在于提供一種基于無線傳感器網絡的井下機器人通信控制系統，所述系統用于使井下機器人的無線通信距離隨機器人的行進而不斷增長。井下機器人采用多跳無線傳感器網絡與機器人控制設備通信，井下機器人攜帶有多個無線傳感器網絡路由設備，在行進過程中同時根據設定條件投放無線傳感器網絡路由設備，使無線傳感器網絡的覆蓋范圍隨井下機器人的行進路程的增加而不斷推進，以保證井下機器人與機器人控制設備的通信;所述通信控制系統通過井下機器人攜帶的視頻采集設備采集視頻或圖像數據，將數據通過多跳無線傳感器網絡傳輸至機器人控制設備;井下機器人攜帶有語音采集元件和語音放大設備，通過語音采集元件采集語音信號，通過語音放大設備將通過無線傳感器網絡下傳的語音數據還原為語音信號放大播放。
[0004]所述系統井下機器人攜帶有多個無線路由設備，鋪設無線網絡的方法包括以下3種:
[0005]1.井下機器人在行進過程中監測最近的固定無線傳感器網絡路由設備信號強度，當信號強度低于設定設定閾值時，則井下機器人在當前位置投放新的固定無線傳感器網絡路由設備，重復執行以上監測與投放過程，使無線傳感器網絡的覆蓋范圍隨井下機器人的行進不斷推進。
[0006]2.井下機器人在行進過程中測量并記錄行進的路程長度，當以最近的固定無線傳感器網絡路由設備為起點行進的路程長度達到設定閾值時，則在當前位置投放新的固定無線傳感器網絡路由設備，重復執行以上監測和投放過程，使無線傳感器網絡的覆蓋范圍隨井下機器人的行進路程的增加而不斷推進。
[0007]3.井下機器人在行進過程中監測最近的固定無線傳感器網絡路由設備信號強度，同時測量以最近的固定無線路由設備為起點的行進路程長度，當滿足無線傳感器網絡信號強度低于設定閾值或行進的路程長度達到設定閾值時，則在當前位置投放新的固定無線傳感器網絡路由設備，重復執行以上監測和投放過程，使無線傳感器網絡的覆蓋范圍隨井下機器人的行進路程的增加而不斷推進。
[0008]所述系統還包括以下特點:
[0009]1.井下機器人所攜帶的無線傳感器網絡路由設備在投放前均已加入無線傳感器網絡，并可正常工作。
[0010]2.井下機器人采用模塊化結構，具有標準通信接口，用于攜帶各類與井下現場環境監測相關的傳感器模塊，所采集數據通過多跳無線網絡傳輸至控制設備。
[0011]3.井下機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.機器人控制設備可部署于井上也可部署于井下，井下機器人可受機器人控制設備控制從井上出發移動至井下。
[0013]5.井下機器人包括采用兩軸或多軸旋翼飛行移動的機器人。
【附圖說明】
[0014]圖1系統實施方式I示意圖。
[0015]圖2系統實施方式2示意圖。
[0016]圖3四軸旋翼井下機器人結構示意圖。
[0017]圖4無線傳感器網絡路由器投放裝置示意圖。
[0018]圖5無線傳感器網絡路由器投放裝置仰視圖。
[0019]圖6四軸旋翼井下機器人主控板結構示意圖。
[0020]圖7四軸旋翼井下機器人數據采集板結構示意圖。
[0021 ]圖8四軸旋翼井下機器人主控板軟件示意圖。
[0022]圖9路由投放子系統流程圖
【具體實施方式】
[0023]所述通信控制系統的【具體實施方式】I如圖1所示，組成包括:
[0024]1.機器人控制設備(101)，負責控制井下機器人，通過多跳無線傳感器網絡和以太網接收井下機器人上傳的各類數據，包括視頻或圖像數據，各類傳感器數據、語音數據；同時通過以太網和多跳無線傳感器網絡向井下機器人發送控制數據和語音數據。
[0025]2.井上交換機(102)，負責所有接入以太網的設備的管理和數據交換。
[0026]3.井下交換機(103)，負責井下所有接入以太網的設備的數據交換。
[0027]4.井下機器人(104)，可采用旋翼飛行機器人，也可采用輪式、履帶式、蛇形等地面行進的機器人，攜帶多個Wifi路由設備(106)，用于在行進中投放布網。
[0028]5.無線傳感器網絡協調器(105)，負責多跳無線傳感器網絡的管理，接收和轉發所有無線傳感器網絡設備的數據，無線芯片采用TI的Zigbee標準的CC2531，并具有網絡接口和USB接口，用于連接井下交換機或直接通過USB接口機器人控制設備。
[0029]6.無線傳感器網絡路由設備(106)，負責無線傳感器網絡終端設備的接入和無線傳感器網絡接續，由電池供電，體積小重量輕，便于井下機器人攜帶，無線芯片采用TI的CC2530o
[0030]所述通信控制系統的【具體實施方式】2如圖2所示，與實施方式I的區別在于機器人控制設備(101)直接連接無線傳感器網絡協調器(105)，機器人控制設備可部署于井上也可部署于井下，機器人控制設備部署于井上時，井下機器人可直接通過斜井、平硐飛行至井下。
[0031]所述通信控制系統中的井下機器人可采用飛行機器人也可采用地面行進機器人，在本示例采用四軸旋翼井下機器人，機器人結構如圖3所示:
[0032]1.旋翼(301),通過旋轉使空氣向下運動產生升力，使機器人懸浮在空中。
[0033]2.電機(302)，負責為旋翼提供動力，由控制板控制轉速，通過各旋翼不同轉速而實現機器人的不同運動方向和姿態。
[0034]3.傳感器倉(303)用于放置各種類與井下現場環境監測相關的傳感器模塊。
[0035]4.天線(304)用于無線信號發送和接收。
[0036]5.控制板倉(305)內置無人機控制板，用于飛行控制、數據采集和無線通信等。
[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(307)用于語音信號采集，當救援無人機到達井下工作人員被困地點時，可通過麥克風采集被困人員的語音信號，并通過無線傳感器網絡將語音數據傳送至機器人控制設備。
[0039]8.數字攝像機(308)用于視頻信號采集，由將視頻信號數字化并編碼壓縮，通過無線網絡和以太網將視頻或圖像數據傳送至控制設備。
[0040]9.舵機(311)為路由設備投放裝置提供動力，由控制板發出的脈沖信號控制，根據脈沖信號轉動特定角度。
[0041]10.無線傳感器網絡路由設備存放倉(309)用于路由設備存放。
[0042]11.轉盤(310)用于無線傳感器網絡路由設備投放控制。
[0043]路由設備投放裝置結構如圖4和圖5所示，主要包括無線傳感器網絡路由設備存放倉(309)和轉盤(310)，無線傳感器網絡路由設備存放倉(309)在上部，底部為帶有投放窗口的轉盤，舵機(311)的傳動軸連接舵盤(312)通過轉盤連接孔(317)和螺釘連接在轉盤(310)上，舵機帶動轉盤轉動將投放窗口(314)轉至無線傳感器網絡路由設備(106)下方，設備在重力作用下離開存放倉。
[0044]如圖6所示為機器人的主控單元，包括:
[0045]1.主控板(601)，是機器人控制的核心部件，板上元件包括核心處理器、存儲單元、電源與時鐘單元、姿態傳感器的電機驅動單元;主控板還通過各類接口連接板外的各模塊或功能設備。
[0046]2.核心處理器(602)，采用三星S3C2440處理器，S3C2440是基于ARM920T內核的微處理器，具有3個UART接口，2個SPI接口，2個USB接口，I個IIC-BUS接口 ；搭載Linux系統。
[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.電源與時鐘模塊(604)包括電壓轉換和時鐘管理元件，DC電壓轉換均采用MAX1724系列電源芯片，為所有芯片供電；選用12MHz晶振。
[0049]5.姿態傳感器(605)，采用invensense公司的MPU9150，該傳感器內部包含三軸陀螺儀、三軸加速度計和一個AK8975三軸磁強計的MEMS器件，具有封裝體積小，讀寫配置方便的優點，MPU-9150內部分別自帶了 16位的A/D，將其測量的模擬量，轉化為可