煤礦安全生產探測機器人的設計

索圣超　巴驕

摘 要：煤礦安全生產機器人可以代替人工在進入礦井作業之前探測井下是否有安全隱患，并可以通過無線的方式向地面上位機傳輸當前的環境參數，以預防發生安全事故。在井下發生事故之后，救助人員不可能在短時間內救出被困人員，而且此時無法保證井下是否會再次發生事故，這時，可利用井下不同位置布置的安全生產機器人向上位機通過wifi方式傳回井下的視頻和圖片以及當前的環境參數，這樣一方面可以快速的找到被困人員，另一方面也提高了救援過程的安全因素。還可以以探測機器人為媒介實現井下與地面的實時溝通，以避免重大事故的發生，通過上位機的控制，也可以給下位機下達命令，執行維修、救援等功能。本文是對煤礦安全生產機器人領域的一次探索。設計綜合可實用性、擴展性、不同環境適應性等因素，有很好的可持續開發性。

關鍵詞：煤礦安全生產；機器人；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.140

1 總體結構設計

本設計要實現的基本功能有：上位機給下位機發送命令，控制機器人的動作，下位機通過wifi模塊將視頻傳輸到上位機顯示，以達到監控的效果。 如果時間充裕，可以增加溫度采集，空氣成分采集，避障，循跡等擴展功能。根據要實現的這些功能，制定出以下的總體設計方案：機器人需要向上位機傳輸視頻，為了能夠監控到盡可能大的范圍，所以應該為攝像頭設計一個可以兩個自由度旋轉的云臺，這樣就可以通過上位機監控到攝像頭前方各個方向的環境。云臺可由兩個9g小舵機和一個攝像頭云臺改裝而成。為了能夠更好的適應井下復雜的環境，機器人采用履帶方式。攝像頭云臺、電源、主控板、wifi模塊、藍牙模塊均搭載到一塊雅克力材料板上面。

2 下位機設計

根據機器人的功能，下位機電路需要有單片機最小系統、穩壓電路、電機驅動模塊、攝像頭模塊、WIFI模塊、藍牙模塊、UART模塊、ISP下載接口、JTAG仿真接口。還需要在PCB板上設計好電機接口、舵機接口、傳感器接口、藍牙模塊接口、wifi模塊接口以及電源接入口、電源擴展口、單片機I/O擴展接口等。由于是初次設計硬件電路，最好把各個模塊部分分別引出標準接口，這樣即使設計思路有問題，也可以通過外接方式進行修改。這樣還有個好處就是用到某個模塊的時候可以通過杜邦線或者短路帽將此模塊與單片機相連接。不用的時候也可以斷開，這樣某一個模塊出現問題的時候不會影響到其他模塊，便與維修。

（1）CPU的選擇：CPU的選擇是十分重要的。先根據機器人的功能來確定CPU需要有哪些功能。第一，CPU要控制機器人的行進電機和攝像頭云臺的兩個舵機，而舵機需要通過PWM來控制旋轉角度，雖然能通過軟件模擬的方法來實現PWM輸出，但是軟件模擬PWM輸出比較復雜而且不精確，所以CPU需要有PWM輸出的功能。第二，機器人要采集環境的各項參數，所以需要CPU具有AD轉換的功能。第三，本設計需要上位機與機器人進行通信，所以CPU必須具有UART功能。由于機器人需要實現的功能比較多，需要外擴幾個模塊和傳感器所以CPU需要有較多的IO。綜上所述，CPU需要有PWM輸出功能，要有較多的IO，并且具有AD轉換功能和UART功能。經過幾天時間的比較選擇，最后決定使用ATmega128作為機器人的控制芯片。

（2）攝像頭模塊的選擇：對于整個機器人系統而言，攝像頭模塊是十分重要的一部分，攝像頭的選擇直接決定下位機給下位機傳輸視頻的質量。下位機傳回的圖像首先要保證清晰度，這就要求攝像頭的像素要高，還要保證視頻流暢，所以攝像頭模塊要支持mjpeg格式。綜合這些條件，最終決定選擇天敏S608高清攝像頭，這款攝像頭像素為軟件增強1600萬，感光片類型為CMOS Sensor，各方面性能都滿足本機器人的要求，而且價格也適中。

（3）通信模塊的選擇：本設計中通信模塊有三個作用，第一是上位機通過通信模塊給下位機發送命令，控制機器人的行動，第二是下位機通過通信模塊給上位機傳回溫度、氣體濃度等環境參數，第三是機器人要向上位機傳回視頻，以達到監控的目的。前兩個作用對通信模塊要求不是很高，藍牙、WIFI、無線數傳模塊均可達到要求，但傳輸視頻對通信模塊的要求比較高，因為上面已經說過，傳回的視頻要保證清晰度和流暢度，這就要求通信模塊有很快的傳輸速率。經過一段時間的選擇與學習，決定選用機器人創意工作室研發的Robot-Link V3.0 RT WIFI視頻數傳模塊和HC-06無線藍牙串口透傳模塊，這兩個模塊配合使用可以滿足機器人上位機和下位機之間的通信要求，而且這兩個模塊的價格也不太貴。

（4）下位機軟件選擇：機器人下位機采用C語言編程，而AVR單片機的編程環境不同于51單片，必須采用專用的軟件，本設計選用ICCV7 for AVR進行編程，選用AVR Studio 4進行在線仿真和程序下載。

3 上位機軟件選擇

機器人小車可以選擇PC機、手機、Pad、遙控器等做上位機控制端。這些途徑均較容易實現。本設計選用安卓手機控制機器人動作，由于時間限制，所以機器人直接選用成品的上位機軟件進行控制，下位機軟件根據上位機源碼編程。同時使用兩部安卓手機控制機器人，一部手機控制小車的動作，另外一部手機顯示機器人傳回的視頻，實現監控。上位機軟件要包括以下幾個部分：控制行進電機行進方向的按鍵、控制攝像頭云臺舵機旋轉的按鍵、視頻采集窗口、環境參數采集窗口。整個軟件要形成模塊化，操作簡單，要使其他人也可以在很短的時間內能夠操作上位機軟件。

4 功能實現

經過調試，機器人各部分均能夠正常工作，上位機可以控制機器人前進、后退、左轉、右轉。攝像頭云臺可以實現水平方向和垂直方向旋轉。機器人可以實現避障。下位機傳回的視頻非常流暢、清晰。機器人基本功能均能夠實現。

5 結論

在我國，煤礦生產存在著較大的隱患，幾乎每天都有在礦井作業中死亡的礦工，而將煤礦安全生產機器人應用到井下探測與事故救援中會大大提升煤礦生產的安全系數。煤礦安全生產機器人不僅可以探測礦井的環境參數并傳回地面上位機顯示，而且可以向上位機通過WIFI發回當前環境的視頻和圖像，這樣就可以預防事故的發生。在發生事故時，安全生產機器人還可以協助地面救助人員熟悉事故現場的環境因素和實時拍攝視頻和圖像，這樣不僅可以預防二次事故的發生，保障救援人員的安全，還可以提高救援效率，為救援工作節省大量時間，并為被困人員提高生存的可能。

參考文獻：

[1]姜寶華，齊強.基于單片機的無線遙控智能小車的設計與制作[J].電子世界，2013（03）.

[2]孔凡志，李琳.多功能智能小車[J].數字技術與應用，2013（06）.

[3]董濤.基于單片機的智能小車的設計與制作[J].計算機測量與控制，2009（02）.