移動礦山機器人控制系統的設計探討

王 燕，史兆偉

（蘭州資源環境職業技術學院，甘肅 蘭州 730021）

隨著科技的發展，煤礦救災機器人應用受到關注，礦山救災機器人有很高的要求。設計適用的礦山移動機器人是研究者面臨的緊迫問題。近年來智能機器人研究水平不斷提高，全局規劃與動力學計算等模塊應用技術推動機器人智能能力的增強，為保證智能系統擴展，要求機器人控制系統具有一定的開放性，使得機器人控制系統研究成為亟待研究解決的復雜問題[1]。

1 機器人控制系統結構

針對集中控制結構具有速度慢、耗時大、花費高、可靠性差等缺點，本文提出一種總線型分布式體系結構，此研究主張系統結構完全分散，每一種功能都采用一片單片機或者其他微控制器來完成，并通過總線將幾個系統進行連接，該系統共有5個節點，分別為：中央控制模塊節點、超聲避障模塊節點、導航定位模塊節點、圖像處理模塊節點以及其他執行機構節點，其整體硬件結構如圖1所示。

主要模塊的功能如下：

（1）中央控制模塊：是整個控制系統的核心部件，機器人的運動控制、運行軌跡的規劃、各種傳感器信息的處理均由嵌入式微處理器ARM來處理完成。

（2）CAN總線接口模塊：CAN總線把ARM中央控制模塊、超聲避障模塊、導航定位模塊等聯系在一起，構成一個分布式控制系統。

（3）超聲避障模塊及導航定位模塊：通過各種傳感器完成對周圍環境的信號采樣，并把采集到的信號處理成特定信號送到ARM處理模塊中以供其控制使用。

圖1 移動礦山機器人控制系統流程

2 移動礦山機器人開發的必要性

近年來，我國煤炭產量超過10%的速度增長，礦難事故頻發，百萬噸死亡率為4.17，全國煤礦發生死亡人數占世界的80%，造成了重大經濟損失，煤礦事故高發，重大事故頻發，事故后井下救援工作任務繁重。

目前我國采用救援方式基本為救護隊下井搜救，搜救方式時間長，我國煤礦重特大事故高發，要求必須及時進行快速有效的井下救援工作，煤礦井下環境特殊，井下環境會受到不同程度破壞，井下與地面救援不同，搜救人員基本在巷道被破壞，高瓦斯惡劣條件下開展救援工作，工作難度大，礦難事故發生井下救援最佳時間較少，礦井中巷道縱橫交錯，要想實施有效的救援，關鍵是準確確定井下曠工的具體位置[2]。

礦井是機器人相關研究發展緩慢的領域，各國對煤炭需求日益增長，將機器人技術引入礦業，主要用于掘進，采煤等方面，國外很少有國家進行機器人研究，美國，英國等是開展礦山救援機器人研究的最早國家，研究礦山救援機器人具有重要實際意義。

3 移動礦山機器人設計要求

煤礦生產經常受到火災等災害的威脅，井下事故分為火災事故，運輸事故等，及時有效的救援搶救工作是減少事故損失的重要任務，如果井下作業礦工不能及時升井會被困在一些局部區域內，搶救工作第一要務是搜救井下遇險礦工。我國煤礦企業超過兩萬座，國有重點煤礦基本有自己的救護隊伍，我國歷來重視礦業生產安全，國家安全生產成立應急救援指揮中心，礦山救援網絡形成統一指揮，協同作戰的模式。

井下救援工作與地面救援不同，礦山救援工作主要由救護隊與消防部隊救援，災后井下環境條件特殊，一些搜救方法不適合井下使用，礦井發生損毀為搜救工作帶來困難，精確定位井下人員位置是搜救工作的首要任務，救援設備缺乏加大了搜救工作的難度。

井下礦山搜尋機器人設計中應基于礦山事故特點考慮相關因素，要滿足礦井特殊工作環境，要有快速搜尋井下人員功能，具有簡單的急救功能，煤礦井下環境復雜，事故發生后井下地形，氣候條件惡劣，機器人需要具備快速搜尋的軟硬件，災后發生前后井下特殊環境要求，機器人需要運動靈活，具有越障礙的能力，能通過一些狹小空間，具有耐高溫，具備簡單急救功能。

4 礦山機器人結構設計

礦山搜尋機器人主要滿足井下事故后工作環境要求，礦山搜尋機器人主體結構采用履帶式，設計四履帶結構[1]。

井下搜尋工作對機器人外形尺寸有要求，應考慮電源，控制電路的布置，有小的質量與轉動慣量。

礦山搜訓機器人主要組成部分包括車體，視覺識別系統，控制系統等。車體是機器人系統的運動平臺，承擔機器人井下行走功能，傳感器系統主要由超聲波傳感器及氣候參數檢測傳感器組成，用于收集井下氣候情況，機器人視覺識別系統由單目黑白CCD與數據采集卡組成，進行圖像處理與礦工識別。為井下救援決策工作提供現場數據。控制系統承擔機器人運動控制等工作。通訊系統完成內部系統數據傳輸，機器人后方井下臨時基站數據傳輸，可采用光纖傳輸方式。

礦山搜尋機器人運動控制通過履帶單元運動協調控制，包括對直流伺服電機驅動主動輪轉動速度控制，對第二輪直流伺服電動機轉動支架轉動速度控制。

采用上下位機控制模式，通過通信系統與底層控制器作用，機器人控制系統由控機，電極驅動器等部分組成，機器人上位機根據傳感器采集狀態數據發出指令，調整運動狀態參數。

上位機是控制系統的核心，主要是規劃機器人系統動作，處理傳感器信號，視覺信息與圖像處理等，通過PCI總線接口連接多軸運動控制卡，采用八軸運動控制卡作為系統底層控制器，接受編碼器反饋信號，控制驅動電動機速度，腿式轉動驅動電機驅動電機進行伺服控制，實現履帶單元行走等基本動作，履帶單元基本動作組合實現機器人運動，DSP芯片適用于數據量大的數據采集系統，較好滿足機器人運動精度的控制。

5 礦山搜尋機器人控制系統設計

針對集中式控制結構具有速度慢，花費高等缺點，提出基于CAN總線的分布式體系結構，每個功能采用單片機完成，通過CAN總線連接子系統，系統有中央控制模塊節點，導航定位模塊節點，及其他執行機構節點系統。

中央控制模塊是控制系統的核心部件，機器人的運動軌跡規劃由嵌入式處理器ARM處理完成，CAN總線將ARM中央控制模塊，導航定位模塊等聯系，導航定位模塊完成對周圍環境信號采樣，將采集信號處理成特定信號供ARM處理模塊使用[2]。

中央控制模塊系統采用周立功單片機公司開發實驗平臺，是功能強大的32位ARM開發板，核心控制芯片采用ARM7TDMI-S內核，具有JTAG調試功能。提供鍵盤，LED等常用功能部件，具有CF存儲卡結構等，方便了在ARM嵌入式系統織進行開發實驗。CAN總線是支持分布式控制的串行通信網絡，在自動控制領域得到廣泛應用，支持差分收發，傳輸距離較遠。

導航等模塊節點CAN接口電路系統采用獨立的CAN控制器SJA1000，主要完成CAN通信協議，實現接受信息的過濾等。由于使用中央控制模塊開發板提供串行RS232接口，系統采用CSM100芯片，實現UART串行數據的雙向透明轉換。

實驗通過超聲波傳感器進行周圍環境采樣，發送梳子信號流到接地CAN總線接口模塊，對信號流進行拆分形成CAN總線報文幀，中央控制模塊經過節點的CAN接口?？简炇請笪膸?，確認報文幀由超聲波模塊送的信號流，ARM分析決定機器人運動，發送控制信號，驅動模塊轉換完成PWM信號控制電機速度。

6 結語

本文基于移動礦山機器人要求，設計CAN總線分布式機器人控制系統，設計系統中央控制模塊硬件電路，實驗論證系統可靠性，控制系統具有靈活性。