移动矿山机器人控制系统的设计探讨

2020-06-27史兆伟

世界有色金属 2020年6期

王燕，史兆伟

（兰州资源环境职业技术学院，甘肃兰州 730021）

随着科技的发展，煤矿救灾机器人应用受到关注，矿山救灾机器人有很高的要求。设计适用的矿山移动机器人是研究者面临的紧迫问题。近年来智能机器人研究水平不断提高，全局规划与动力学计算等模块应用技术推动机器人智能能力的增强，为保证智能系统扩展，要求机器人控制系统具有一定的开放性，使得机器人控制系统研究成为亟待研究解决的复杂问题[1]。

1 机器人控制系统结构

针对集中控制结构具有速度慢、耗时大、花费高、可靠性差等缺点，本文提出一种总线型分布式体系结构，此研究主张系统结构完全分散，每一种功能都采用一片单片机或者其他微控制器来完成，并通过总线将几个系统进行连接，该系统共有5个节点，分别为：中央控制模块节点、超声避障模块节点、导航定位模块节点、图像处理模块节点以及其他执行机构节点，其整体硬件结构如图1所示。

主要模块的功能如下：

（1）中央控制模块：是整个控制系统的核心部件，机器人的运动控制、运行轨迹的规划、各种传感器信息的处理均由嵌入式微处理器ARM来处理完成。

（2）CAN总线接口模块：CAN总线把ARM中央控制模块、超声避障模块、导航定位模块等联系在一起，构成一个分布式控制系统。

（3）超声避障模块及导航定位模块：通过各种传感器完成对周围环境的信号采样，并把采集到的信号处理成特定信号送到ARM处理模块中以供其控制使用。

图1 移动矿山机器人控制系统流程

2 移动矿山机器人开发的必要性

近年来，我国煤炭产量超过10%的速度增长，矿难事故频发，百万吨死亡率为4.17，全国煤矿发生死亡人数占世界的80%，造成了重大经济损失，煤矿事故高发，重大事故频发，事故后井下救援工作任务繁重。

目前我国采用救援方式基本为救护队下井搜救，搜救方式时间长，我国煤矿重特大事故高发，要求必须及时进行快速有效的井下救援工作，煤矿井下环境特殊，井下环境会受到不同程度破坏，井下与地面救援不同，搜救人员基本在巷道被破坏，高瓦斯恶劣条件下开展救援工作，工作难度大，矿难事故发生井下救援最佳时间较少，矿井中巷道纵横交错，要想实施有效的救援，关键是准确确定井下旷工的具体位置[2]。

矿井是机器人相关研究发展缓慢的领域，各国对煤炭需求日益增长，将机器人技术引入矿业，主要用于掘进，采煤等方面，国外很少有国家进行机器人研究，美国，英国等是开展矿山救援机器人研究的最早国家，研究矿山救援机器人具有重要实际意义。

3 移动矿山机器人设计要求

煤矿生产经常受到火灾等灾害的威胁，井下事故分为火灾事故，运输事故等，及时有效的救援抢救工作是减少事故损失的重要任务，如果井下作业矿工不能及时升井会被困在一些局部区域内，抢救工作第一要务是搜救井下遇险矿工。我国煤矿企业超过两万座，国有重点煤矿基本有自己的救护队伍，我国历来重视矿业生产安全，国家安全生产成立应急救援指挥中心，矿山救援网络形成统一指挥，协同作战的模式。

井下救援工作与地面救援不同，矿山救援工作主要由救护队与消防部队救援，灾后井下环境条件特殊，一些搜救方法不适合井下使用，矿井发生损毁为搜救工作带来困难，精确定位井下人员位置是搜救工作的首要任务，救援设备缺乏加大了搜救工作的难度。

井下矿山搜寻机器人设计中应基于矿山事故特点考虑相关因素，要满足矿井特殊工作环境，要有快速搜寻井下人员功能，具有简单的急救功能，煤矿井下环境复杂，事故发生后井下地形，气候条件恶劣，机器人需要具备快速搜寻的软硬件，灾后发生前后井下特殊环境要求，机器人需要运动灵活，具有越障碍的能力，能通过一些狭小空间，具有耐高温，具备简单急救功能。

4 矿山机器人结构设计

矿山搜寻机器人主要满足井下事故后工作环境要求，矿山搜寻机器人主体结构采用履带式，设计四履带结构[1]。

井下搜寻工作对机器人外形尺寸有要求，应考虑电源，控制电路的布置，有小的质量与转动惯量。

矿山搜训机器人主要组成部分包括车体，视觉识别系统，控制系统等。车体是机器人系统的运动平台，承担机器人井下行走功能，传感器系统主要由超声波传感器及气候参数检测传感器组成，用于收集井下气候情况，机器人视觉识别系统由单目黑白CCD与数据采集卡组成，进行图像处理与矿工识别。为井下救援决策工作提供现场数据。控制系统承担机器人运动控制等工作。通讯系统完成内部系统数据传输，机器人后方井下临时基站数据传输，可采用光纤传输方式。

矿山搜寻机器人运动控制通过履带单元运动协调控制，包括对直流伺服电机驱动主动轮转动速度控制，对第二轮直流伺服电动机转动支架转动速度控制。

采用上下位机控制模式，通过通信系统与底层控制器作用，机器人控制系统由控机，电极驱动器等部分组成，机器人上位机根据传感器采集状态数据发出指令，调整运动状态参数。

上位机是控制系统的核心，主要是规划机器人系统动作，处理传感器信号，视觉信息与图像处理等，通过PCI总线接口连接多轴运动控制卡，采用八轴运动控制卡作为系统底层控制器，接受编码器反馈信号，控制驱动电动机速度，腿式转动驱动电机驱动电机进行伺服控制，实现履带单元行走等基本动作，履带单元基本动作组合实现机器人运动，DSP芯片适用于数据量大的数据采集系统，较好满足机器人运动精度的控制。

5 矿山搜寻机器人控制系统设计

针对集中式控制结构具有速度慢，花费高等缺点，提出基于CAN总线的分布式体系结构，每个功能采用单片机完成，通过CAN总线连接子系统，系统有中央控制模块节点，导航定位模块节点，及其他执行机构节点系统。

中央控制模块是控制系统的核心部件，机器人的运动轨迹规划由嵌入式处理器ARM处理完成，CAN总线将ARM中央控制模块，导航定位模块等联系，导航定位模块完成对周围环境信号采样，将采集信号处理成特定信号供ARM处理模块使用[2]。

中央控制模块系统采用周立功单片机公司开发实验平台，是功能强大的32位ARM开发板，核心控制芯片采用ARM7TDMI-S内核，具有JTAG调试功能。提供键盘，LED等常用功能部件，具有CF存储卡结构等，方便了在ARM嵌入式系统织进行开发实验。CAN总线是支持分布式控制的串行通信网络，在自动控制领域得到广泛应用，支持差分收发，传输距离较远。

导航等模块节点CAN接口电路系统采用独立的CAN控制器SJA1000，主要完成CAN通信协议，实现接受信息的过滤等。由于使用中央控制模块开发板提供串行RS232接口，系统采用CSM100芯片，实现UART串行数据的双向透明转换。

实验通过超声波传感器进行周围环境采样，发送梳子信号流到接地CAN总线接口模块，对信号流进行拆分形成CAN总线报文帧，中央控制模块经过节点的CAN接口模考验收报文帧，确认报文帧由超声波模块送的信号流，ARM分析决定机器人运动，发送控制信号，驱动模块转换完成PWM信号控制电机速度。