一种基于Linux嵌入式系统的矿井搜救机器人技术方案

技术编号:13016257 阅读:168 留言:0更新日期:2016-03-16 15:49
本发明专利技术公开了一种基于Linux嵌入式系统的矿井搜救机器人。使用代替人类执行危险、复杂的矿井搜救任务的机器人,有非常重要的意义。本发明专利技术包括搭载多种传感器的搜救机器人本体、外围设备、搜救机器人动力系统和搜救机器人无线通信模块;搜救机器人本体包括底仓、中仓和上仓;中仓内设有电源模块、控制外围设备及实现搜救算法的控制核心;上仓内设有实时检测井下环境的井下环境信息检测系统和无线传感器模块;外围设备包括机械臂、车前取景器和雷达。本发明专利技术通过机械手臂及多种环境探测传感器,可完成多种搜救任务,同时通过ZigBee无线传感器模块实现多机器人通讯及组网,搜救效率高、协同性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人
,具体涉及一种基于Linux嵌入式系统的矿井搜救机器人
技术介绍
我国是一个产煤大国,同时煤也是我国主要的能源。我国煤矿数量多,而且规模不一。近年来,矿难时有发生,每年上百次的矿难事故,成千名矿工的死亡,已成为我过社会一个日益严峻的问题。煤矿安全形势刻不容缓。由于灾难发生后煤矿通道狭隘,复杂的矿洞巷道,严重超标的一氧化碳浓度,以及瓦斯爆炸和矿洞再次坍塌等二次灾难,都将给矿难救援带来极大的困难。在煤矿复杂多变的环境下,伤亡往往在顷刻便会发生。而当矿难发生时,大型救援设备通常都无法立即到达。井下存在有毒气体等,都给人工救援带来阻碍。因此,使用能够代替人类执行危险、复杂的矿井搜救任务的机器人,有着其非常重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术针对目前国内矿难频发的状况以及国内外的机器人研究现状,提出了一种基于Linux嵌入式的矿井搜救机器人,可有效、智能地执行井下搜救任务,便于矿难发生时被困人员的快速搜救,其采用Linux嵌入式内核构建搜救机器人的控制系统,具有良好的实时性和可靠性,可实现自动搜索、联动搜索、井下多种环境参数检测、灾难现场图像传输、传感器数据融合、机器人井下定位等多种功能。为解决上述技术问题,本专利技术采用的技术方案是:本专利技术包括搭载多种传感器的搜救机器人本体、外围设备、控制运动状态及速度的搜救机器人动力系统和用于定位及组网的搜救机器人无线通信模块;所述的搜救机器人本体包括底仓、中仓和上仓;所述的中仓内设有电源模块、控制外围设备及实现搜救算法的控制核心;所述的上仓内设有实时检测井下环境的井下环境信息检测系统和无线传感器模块;所述的外围设备包括机械臂、车前取景器和雷达;所述的机械臂为六自由度机械臂,安装在上仓顶部;所述的车前取景器安装在上仓的前部,可调节视角;两个雷达安装在底仓的前侧外部。所述的底仓包括底仓侧挡板、底仓前后挡板和底盘;所述的底仓侧挡板为左右两块,与底盘之间均通过螺母连接,与底仓前后挡板通过连接件连接;所述的连接件为两片相互垂直的钢片焊接而成。所述的车前取景器采用1080P的高清红外夜视摄像头。所述的雷达确定被测距离S的计算公式如下:V=331.5+0.607TS=V×t2=V(t1-t0)2]]>式中,V为超声波在空气中的传播速度、T为环境温度、S为被测距离、t为雷达发射超声波脉冲与接收脉冲回波的时间差、t1为脉冲回波接收时刻、t0为超声波脉冲发射时刻。所述的机械臂包括基座、后臂、前臂、机械腕和机械爪;所述的基座与上仓构成转动副;第一舵机与上仓固定,并驱动基座旋转;第二舵机与基座固定,并驱动后臂;第三舵机与后臂固定,并驱动前臂;第四舵机与前臂固定,并驱动机械腕;第五舵机与机械腕固定,并驱动机械爪;所述机械爪的两个关节通过第六舵机实现关合。所述的搜救机器人动力系统包括轮胎、电机和电机驱动板;所述的电机驱动板有两块,一块驱动板驱动两个电机,所述的电机驱动板为AQMH2407ND双路隔离直流电机驱动模块;所述的轮胎为越野轮胎。所述的电机为冯哈伯12V空心杯行星齿轮减速电机;电机与底仓固定;电机上带有编码器;电机的输出轴通过联轴器与轮胎的转轴连接;所述的轴联器通过固紧螺丝卡紧电机的输出轴,通过花键与轮胎的转轴配合。所述的搜救机器人无线通信模块包括金属屏蔽盒和ZigBee电路板。所述的ZigBee电路板型号为ZM2410;ZigBee电路板固定在金属屏蔽盒中,ZigBee电路板上连有天线。所述的电源模块包括充电头、电源和电源转换模块;所述的控制核心为基于ARM920T架构的S3C2410处理器。所述的无线传感器模块包括M2301湿度传感器、MQ2烟雾传感器、BIS0001热释电红外传感器。本专利技术的控制系统软件平台包括系统应用层、系统内核层及系统硬件层。所述的系统应用层包括无线通讯程序、运动控制程序、信号采集程序、图像处理程序、算法控制程序和联动组网程序;所述的系统内核层包括无线通信驱动、机械臂驱动和电机控制驱动;所述的系统硬件层包括嵌入式处理器、总线接口及外围存储设备。所述的系统硬件层提供控制核心及其外围芯片的底层函数支持。系统应用层的各个程序设计思路如下:无线通讯程序与ZigBee模块之间通过串口传输数据,初始化设置无线通信程序,需将通信协议设置为802.11g通讯协议;无线通信程序配置完毕后,便实时与上位机保持通讯,传输数据。运动控制程序进入系统后需初始化电机驱动模块,初始化完毕后,Linux操作系统实时读取电机编码器的值,控制核心对当前环境参数信息及搜索算法进行数据融合分析后调整电机运行状态,改变搜救机器人的运动状态。信号采集程序在无线传感器模块初始化完毕后,便时刻采样传感器值,并将参数信息传递至无线通信程序发送给上位机。图像处理程序在进入Linux系统后需初始化车前取景器,根据需求配置通讯协议,此后图像处理程序开始工作,将灾难现场的图像实时地传送到无线通讯程序,无线通讯程序再将这些图像信息传送到上位机,上位机通过实时显示现场图像信息。算法控制程序在初始化算法配置后,便根据现场参数实时调整算法,待上位机发出调整算法命令时,算法控制程序便对新的算法进行初始化配置。联动组网程序在进入Linux系统后,便一直等待上位机发出组网命令,待接收到组网指令后便开始组网。控制核心上搭载了Linux操作系统;运动控制程序存储在运动控制模块中,无线通讯程序存储在无线通讯模块中,信号采集程序存储在信号采集模块中;控制核心控制运动控制模块、无线通讯模块、机械臂、车前取景器及信号采集模块;无线通讯模块与控制核心通过RS232接口实现通讯;机械臂与控制核心通过RS485接口实现通讯;车前取景器通过RS232接口与控制核心实现通讯;无线传感器模块与信号采集模块通过IIC接口实现通讯。本专利技术具有的有益效果在于:与传统的搜救机器人相比,可靠性能高,性能更完善。通过本体上搭载的机械手臂及多种环境探测传感器,可完成多种搜救任务,同时通过本体上搭载的ZigBee无线传感器模块,可实现多机器人通讯及组网,搜救效率高、协同性好。附图说明图1是本专利技术的整体结构立体图;图2是本专利技术的机械臂结构立体图;图3是本专利技术的底仓结构立体图;图4是本专利技术中搜救机器人动力系统的结构示意图;图5是本专利技术的电机示意图;图6是本专利技术中无线传感器模块的示本文档来自技高网...
一种基于Linux嵌入式系统的矿井搜救机器人

【技术保护点】
一种基于Linux嵌入式系统的矿井搜救机器人,包括搭载多种传感器的搜救机器人本体、外围设备、控制运动状态及速度的搜救机器人动力系统和用于定位及组网的搜救机器人无线通信模块,其特征在于:所述的搜救机器人本体包括底仓、中仓和上仓;所述的中仓内设有电源模块、控制外围设备及实现搜救算法的控制核心;所述的上仓内设有实时检测井下环境的井下环境信息检测系统和无线传感器模块;所述的外围设备包括机械臂、车前取景器和雷达;所述的机械臂为六自由度机械臂,安装在上仓顶部;所述的车前取景器安装在上仓的前部,可调节视角;两个雷达安装在底仓的前侧外部。

【技术特征摘要】
1.一种基于Linux嵌入式系统的矿井搜救机器人,包括搭载多种传感
器的搜救机器人本体、外围设备、控制运动状态及速度的搜救机器人动力系
统和用于定位及组网的搜救机器人无线通信模块,其特征在于:所述的搜救
机器人本体包括底仓、中仓和上仓;所述的中仓内设有电源模块、控制外围
设备及实现搜救算法的控制核心;所述的上仓内设有实时检测井下环境的井
下环境信息检测系统和无线传感器模块;所述的外围设备包括机械臂、车前
取景器和雷达;所述的机械臂为六自由度机械臂,安装在上仓顶部;所述的
车前取景器安装在上仓的前部,可调节视角;两个雷达安装在底仓的前侧外
部。
2.根据权利要求1所述的一种基于Linux嵌入式系统的矿井搜救机器
人,其特征在于:所述的底仓包括底仓侧挡板、底仓前后挡板和底盘;所述
的底仓侧挡板为左右两块,与底盘之间均通过螺母连接,与底仓前后挡板通
过连接件连接;所述的连接件为两片相互垂直的钢片焊接而成。
3.根据权利要求1所述的一种基于Linux嵌入式系统的矿井搜救机器
人,其特征在于:所述的车前取景器采用1080P的高清红外夜视摄像头。
4.根据权利要求1所述的一种基于Linux嵌入式系统的矿井搜救机器
人,其特征在于:所述的雷达确定被测距离S的计算公式如下:
V=331.5+0.607T
S=V×t2=V(t1-t0)2]]>式中,V为超声波在空气中的传播速度、T为环境温度、S为被测距离、t为
雷达发射超声波脉冲与接收脉冲回波的时间差、t1为脉冲回波接收时刻、t0为超声波脉冲发射时刻。
5.根据权利要求1所述的一种基于Linux嵌入式系统的矿井搜救机器
人,其特征在于:所述的机械臂包括基座、后臂、前臂、机械腕和机械爪;
所述的基座与上仓构成转动副;第一舵机与上仓固定,并驱动基座旋转;第
二舵机与基座固定,并驱动后臂;第三舵机与后臂固定,并驱动前臂;第四
舵机与前臂固定,并驱动机械腕;第五舵机与机械腕固定,并驱动机械爪;
所述机械爪的两个关节通过第六舵机实现关合。
6.根据权利要求1所述的一种基于Linux嵌入式系统的矿井搜救机器

\t人,其特征在于:所述的搜救机器人动力系统包括轮胎、电机和电机驱动板;
所述的电机驱动板有两块,一块驱动板驱动两个电机,所述的电机驱动板为
AQMH2407ND双路隔离直流电机驱动模块;所述的轮胎为越野轮胎;所述的电
机为冯哈伯12V空心杯行星齿轮减速电机;电机与底仓固定;电机上带有编
码器;电机的输出轴通过联轴器与轮胎的转轴连接;所述的轴联器通过固紧
螺丝卡紧电机的输出轴,通过花键与轮胎的转轴配合。
7.根据权利要求1所述的一种基于Linux嵌入式系统的矿井搜救机器
人,其特征在于:所述的搜救机器人无线通信模块包括金属屏蔽盒和ZigBee
电路板;所述的ZigBe...

【专利技术属性】
技术研发人员:高金凤陈伟杰张寿丰张楚澜
申请(专利权)人:浙江理工大学
类型:发明
国别省市:浙江;33

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