一種基于四旋翼飛行器的煤礦井下應急救援系統的設計與研究

何曉亮,黃曉東,王建宇,高永剛,高 勇

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司 遼 寧 大 連 1 16013；2.沈陽航空航天大學 遼 寧 沈 陽116013）

煤礦事故的應急救援根據事故災害的類型、事故可能引起的破壞程度和事故地點的實際環境采取相應救援方案和救援裝備，達到真正的應急救援效果。目前，已經研制成功的救援機器人主要有多履帶式機器人、腿輪式機器人、蛇形機器人和蛛行機器人等，在災害救援中起到了重要作用[1-4]。但是，在井下災害現場，地面越障機器人的通過難度較大，有一定的局限性，不能完全滿足救災的需求。為進一步完善應急救援系統，開發有效的技術和裝備，本文提出了一種基于四旋翼飛行器的煤礦井下應急救援解決方案。在本方案中以四旋翼飛行器作為載體，動態的建立無線網絡通信信道，將事故地點的環境情況如瓦斯濃度、一氧化碳濃度、溫度等參數和災害地點的視頻畫面實時的通過無線信道傳送至救援指揮中心，提供較好的救援依據。

1 救援系統的組成

四旋翼飛行器的煤礦井下應急救援系統由調度指揮中心、四旋翼飛行器、無線傳輸鏈路節點、布放裝置和數據采集終端組成。系統的框圖如圖1所示。指揮調度中心主要負責對災難現場實際環境參數和現場視頻的接收、過程控制、制定救援任務的具體方案和救援指導。

圖1 救援系統框圖Fig.1 Rescue system block diagram

四旋翼飛行器主要完成無線傳輸鏈路節點的運輸和投放、現場視頻采集、災害現場環境參數采集和人員定位信息的動態搜索，同時將采集到的數據信息發送給無線傳輸鏈路節點，無線傳輸鏈路節點以接連傳遞方式將數據傳送至指揮調度中心。

無線傳輸鏈路節點完成數據的上發和下發任務以及人員識別卡的搜索功能。指揮調度中心將控制指令發送給鏈路節點，鏈路節點以接力傳遞的方式發送到遠處的節點，控制四旋翼飛行器的飛行，同時將災害現場的參數以接力的方式傳送回指揮調度中心。

布放裝置負責將飛行器攜帶的通信節點投放到合適的通信地點。

數據采集終端以四旋翼飛行器作為載體，完成現場環境參數如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、氧氣和溫度等參數的采集，現場視頻畫面的采集和人員定位信息的動態搜索。

2 指揮調度中心

指揮調度中心負責對災難現場實際環境參數和現場視頻的接收、過程控制、制定救援任務的具體方案和救援指導。過程控制包括對飛行器飛行姿態的控制。飛行器的控制由遙控器完成，本設計中的遙控器的設計采用zigbee技術，zigbee模塊具有價格低廉、傳距離遠、抗干擾性強、功耗低、穩定性強和操作簡單等優點[5-7]。

3 四旋翼飛行器的控制與應用

四旋翼飛行器是一種電動的、能夠垂直起降的、多旋翼式遙控自主飛行器[8-10]。與常規的旋翼式飛行器相比較，結構緊湊簡單，不需要專門的反扭矩槳板，升力大。四旋翼飛行器能夠垂直起降自由懸停，所以可適應各種速度及各種飛行剖面航路的飛行狀況，并且起飛著陸場地面積要求小。飛行器飛行高度為幾米到幾百米，飛行速度為每秒幾米到幾十米，能鉆到建筑物或洞穴隧道內執行偵察任務。此外四旋翼飛行器還具有體積小、重量輕、成本較低、拆卸方便、易于維護、飛行高度低、具有很強的機動性等，特別適合應用于煤礦應急救援任務中。

隨著新型材料、微機電(MEMS)、微慣導(MIMU)、微處理（MCU）器技術、聚合物高密度電池技術以及飛行控制等技術的進步，微小型四旋翼飛行器得到了迅速發展，對廣大科研人員具有很強的吸引力，成為國際上新的研究熱點。目前，世界上對四旋翼飛行器的控制研究主要集中于3個方向：基于慣性制導的自主飛行控制、基于視覺的自主飛行控制和自主飛行控制系統方案。

本文中采用基于視覺的自主飛行控制方式，將裝載在飛行器上攝像頭采集視頻畫面，實時傳送給指揮調度中心，指揮調度中心根據實際的視頻畫面控制飛行器在煤礦井下的飛行軌跡，同時飛行器在上下和前左右裝有距離探測模塊，實現自主壁障功能，自主壁障功能優先級優于指揮調度中心發來的指令，保證飛行器的絕對安全。飛行器飛行姿態由三軸加速度傳感器進行采集，實時反映4個旋翼的轉速和整機機身的姿態，實現對4個直流電機的閉環控制。

四旋翼飛行器的設計的關鍵內容為飛行器飛行姿態的控制方法。四旋翼飛行器具有空間六自由度，而只能通過調節4個旋翼的轉速來實現飛行控制，顯然它是一個欠驅動系統 （控制輸入向量構成的空間維數小于位形空間維數的系統）。如圖2～圖4所示，通過控制4個電機的轉速，即可以分別實現飛行器6個自由度的控制。

圖2 垂直和俯仰運動Fig.2 Vertical and pitch movement

圖3 滾轉和偏航運動Fig.3 Roll and yaw motion

圖4 前后和側向運動Fig.4 Front and lateral movement

目前關于各種欠驅動系統模型的控制方法的研究有很多，其中研究成果最為豐碩的幾種控制方法有：反步法(Backstepping)、線性最小二次型控制(LQR)、滑?？刂?Sliding Mode)、神經網絡自適應、反饋線性化以及H∞ 控制等[11]。其中應用最多的是反步法。反步法主要基于Lyapunov理論，Lyapunov方法適用于任何形式的狀態空間模型，單變量、多變量、線性、非線性、時不變、時變、連續、離散等。

4 無線傳輸鏈路節點

無線傳輸鏈路節點以無線接力方式傳送數據，完成數據的上發和下發任務以及人員識別卡的搜索功能，是構建井下無線網絡通信信道的關鍵點。無線傳輸鏈路節點由電池、主控部分和無線部分組成，組成框圖如圖5所示。

圖5 無線傳輸鏈路節點框圖Fig.5 A block diagram of a wireless transmission link node

電池采用小體、積高密度的聚合物電池，主控部分完成對接收數據處理和轉發以及對人員識別卡的搜索。主控部分采用基于Cortex-M3內核的低成本、體積小、高性能和低功耗的32為微處理器芯片，如飛利浦系列芯片和ST公司的STM32系列芯片，其中LPC系列部分芯片處理速度可達100 MHz到120 MHz，完全能夠滿足大數量的高速處理。無線部分采用一款以CC2530F256為主控芯片的核心板的zigbee無線模塊，具有高性能、功耗低的優點并具有以下特點：

1)通信距離超過350 m；可靠通信距離超過250 m；可自動重連通信距離超過120 m（工作環境：空曠區域）

2)工作頻段：2.4 GHz

3)工作電壓：2.0～3.6 V

4)溫度范圍：-40～85 ℃

5)串口波特率：38 400 bps（默認），可設為其他波特率

6)體積：26 mm x 27 mm（PCB）

7)節點：可配置為 Coordinator、Router、EndDevice。

5 布放裝置

布放裝置上裝載有若干個無線傳輸鏈路節點，固定在四旋翼飛行器上。指揮調度中心遙控的控制指令通過無線接力建立的數據傳輸網絡發送給布放裝置，控制布放裝置在合適的位置布放通信節點。

6 數據采集終端

數據采集終端通過固定于四旋翼飛行器之上，由人員定位識別卡讀卡器、圖像采集模塊和各種環境參數傳感器如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、氧氣和溫度等組成。數據采集終端能夠實時的采集飛行器偵測位置的實際環境參數，可以到達救援人員無法到達的危險現場和地點。數據采集終端將采集到的數據通過無線的方式發送給最近的通信節點，再以接力方式發送給救援指揮調度中心。數據采集終端所有數據采集傳感器設備均采用簡化功能類型的設備以降低功耗和減輕四旋翼飛行器的載重重量。

在數據采集終端的設備中，圖像采集模塊傳送的數據量最大，占用信道資源也最大，造成無線發送的消耗也越大，為此，可以選用清晰度較低的攝像頭，通過圖像增強算法如空間域（如中值濾波、圖像平滑和圖像銳化等）或頻率域（如頻率域低通濾波和高通濾波等）圖像增強算法將圖像處理較為清晰。

7 快速建立信道的方法

無線傳輸鏈路節點在適當位置的投放由救援指揮調度中心進行控制，飛行器在向前飛行的過程中，不斷地發送飛行器與上一無線傳輸鏈路節點通信信號的強度，當通信的信號強度(RSSI)達到設定極限值時，指揮調度中心發出投放通信節點的指令給飛行器上的投放終端，此時飛行器懸停并投放通信節點。由于煤礦井下交通環境復雜，需要根據攝像頭實時傳回的畫面投放通信節點。如巷道交叉處或巷道轉彎處，以保證交叉和轉彎處信號的傳輸質量。如圖6所示，由J1到J2和J3通過放置無線節點實現信息無線接力傳遞。 根據通信節點的投放順序，為每個節點依次以遞增的方式編號，飛行器向指揮調度中心發送數據時，按大編號節點向小編號節點發送數據；向飛行器發送指令時，小編號節點向大編號節點發送數據。

圖6 通信節點布放示意圖Fig.6 A schematic diagram of a communication node deployment

8 結論

研制煤礦井下救援的設備具有重要的現實意義和緊迫性，四旋翼飛行器應急救援系統能夠滿足災難現場復雜的環境，先于救援人員快速的到達災害地點，提供有效的救援信息，為井下救援提供依據。與地面越障式救援機器人相比，四旋翼飛行器具有更為廣闊的應用空間和前景。

[1]侯憲倫，葛兆斌.井下探險救援機器人的設計 [J].煤礦機械,2009（8）：18-19.HOU Xian-lun,GE Zhao-bin.Design of mine rescue robot explorers[J].Coal Mining Machinery,2009(8):18-19.

[2]李金良,孫友霞，包繼華，等.煤礦救援機器人運動控制的研究[J].煤礦機械，2009（9）：56-57.LI Jin-liang,SUN You-xia,BAO Ji-hua,et al.Research of coal mine rescue robot motion control[J].Coal Mining Machinery,2009（9）：56-57.

[3]孫久偉，劉罡，韓震峰，等.多節履帶式煤礦井下搜索機器人設計[J].煤礦機械，2009（9）：20-22.SUN Jiu-wei,LIU Gang,HAN Zhen-feng,et al.Multi-section crawler coal mine search robot design [J].Coal Mining Machinery,2009（9）:20-22.

[4]曹沖振，張吉亮，史大光，等.煤礦救援機器人頭部垂直越障性能研究[J].煤礦機械，2009（8）：21-23.CAO Chong-zhen,ZHANG Ji-liang,SHI Da-guang,et al.Mine rescue robot obstacle head vertically Performance[J].Coal Mining Machinery,2009（8）：21-23.

[5]李斌.蛇形機器人的研究及在災難救援中的應用[J].機器人技術與應用，2003（5）:22-26.LI bin.Snake-like robot research and application in disaster relief in[J].Robotics and Applications,2003（5）:22-26.

[6]湛浩旻，孫長嵩，吳珊，等.ZigBee技術在煤礦井下救援系統中的應用[J].計算機工程與應用，2006（8）:181-183.ZHAN Hao-yan,SUN Chang-cong,WU shan,et al.ZigBee technology in the coal mine rescue system[J].Computer Engineering and Applications,2006（8）:181-183.

[7]李肪，劉建輝.基于ZigBee的井下救災機器人自主通信研究[J].科學技術與工程，2008（7）:3934-3936.LI Fang,LIU Jian-hui.ZigBee underground disaster autonomous robot based communications research[J].Science Technology and Engineering,2008（7）:3934-3936.

[8]劉峰，呂強，王國勝，等.四軸飛行器姿態控制系統設計[J].計算機測量與控制，2011（3）:583-585.LIU Feng,LV Qiang,WANG Guo-sheng,et al.Four aircraft attitude control system design[J].Computer Measurement&Control,2011（3）:583-585.

[9]何嘉繼.四旋翼飛行器建模與控制方法的研究[J].東北大學，2012（6）:2-12.HE Jia-ji.Research Four-rotor aircraft modeling and control methods[J].Northeastern University,2012（6）:2-12.

[10]楊慶華，宋召青，時磊.四旋翼飛行器建模、控制與仿真[J].海軍航空工程學院學報，2009（5）:499-502.YANG Qing-hua,SONG Zhao-qing,SHI Lei.Four rotor aircraft modeling,control and simulation[J].Naval Aeronautical Engineering Institute,2009（5）:499-502.