煤矿安全生产探测机器人的设计

索圣超　巴骄

摘 要：煤矿安全生产机器人可以代替人工在进入矿井作业之前探测井下是否有安全隐患，并可以通过无线的方式向地面上位机传输当前的环境参数，以预防发生安全事故。在井下发生事故之后，救助人员不可能在短时间内救出被困人员，而且此时无法保证井下是否会再次发生事故，这时，可利用井下不同位置布置的安全生产机器人向上位机通过wifi方式传回井下的视频和图片以及当前的环境参数，这样一方面可以快速的找到被困人员，另一方面也提高了救援过程的安全因素。还可以以探测机器人为媒介实现井下与地面的实时沟通，以避免重大事故的发生，通过上位机的控制，也可以给下位机下达命令，执行维修、救援等功能。本文是对煤矿安全生产机器人领域的一次探索。设计综合可实用性、扩展性、不同环境适应性等因素，有很好的可持续开发性。

关键词：煤矿安全生产；机器人；设计

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

1 总体结构设计

本设计要实现的基本功能有：上位机给下位机发送命令，控制机器人的动作，下位机通过wifi模块将视频传输到上位机显示，以达到监控的效果。 如果时间充裕，可以增加温度采集，空气成分采集，避障，循迹等扩展功能。根据要实现的这些功能，制定出以下的总体设计方案：机器人需要向上位机传输视频，为了能够监控到尽可能大的范围，所以应该为摄像头设计一个可以两个自由度旋转的云台，这样就可以通过上位机监控到摄像头前方各个方向的环境。云台可由两个9g小舵机和一个摄像头云台改装而成。为了能够更好的适应井下复杂的环境，机器人采用履带方式。摄像头云台、电源、主控板、wifi模块、蓝牙模块均搭载到一块雅克力材料板上面。

2 下位机设计

根据机器人的功能，下位机电路需要有单片机最小系统、稳压电路、电机驱动模块、摄像头模块、WIFI模块、蓝牙模块、UART模块、ISP下载接口、JTAG仿真接口。还需要在PCB板上设计好电机接口、舵机接口、传感器接口、蓝牙模块接口、wifi模块接口以及电源接入口、电源扩展口、单片机I/O扩展接口等。由于是初次设计硬件电路，最好把各个模块部分分别引出标准接口，这样即使设计思路有问题，也可以通过外接方式进行修改。这样还有个好处就是用到某个模块的时候可以通过杜邦线或者短路帽将此模块与单片机相连接。不用的时候也可以断开，这样某一个模块出现问题的时候不会影响到其他模块，便与维修。

（1）CPU的选择：CPU的选择是十分重要的。先根据机器人的功能来确定CPU需要有哪些功能。第一，CPU要控制机器人的行进电机和摄像头云台的两个舵机，而舵机需要通过PWM来控制旋转角度，虽然能通过软件模拟的方法来实现PWM输出，但是软件模拟PWM输出比较复杂而且不精确，所以CPU需要有PWM输出的功能。第二，机器人要采集环境的各项参数，所以需要CPU具有AD转换的功能。第三，本设计需要上位机与机器人进行通信，所以CPU必须具有UART功能。由于机器人需要实现的功能比较多，需要外扩几个模块和传感器所以CPU需要有较多的IO。综上所述，CPU需要有PWM输出功能，要有较多的IO，并且具有AD转换功能和UART功能。经过几天时间的比较选择，最后决定使用ATmega128作为机器人的控制芯片。

（2）摄像头模块的选择：对于整个机器人系统而言，摄像头模块是十分重要的一部分，摄像头的选择直接决定下位机给下位机传输视频的质量。下位机传回的图像首先要保证清晰度，这就要求摄像头的像素要高，还要保证视频流畅，所以摄像头模块要支持mjpeg格式。综合这些条件，最终决定选择天敏S608高清摄像头，这款摄像头像素为软件增强1600万，感光片类型为CMOS Sensor，各方面性能都满足本机器人的要求，而且价格也适中。

（3）通信模块的选择：本设计中通信模块有三个作用，第一是上位机通过通信模块给下位机发送命令，控制机器人的行动，第二是下位机通过通信模块给上位机传回温度、气体浓度等环境参数，第三是机器人要向上位机传回视频，以达到监控的目的。前两个作用对通信模块要求不是很高，蓝牙、WIFI、无线数传模块均可达到要求，但传输视频对通信模块的要求比较高，因为上面已经说过，传回的视频要保证清晰度和流畅度，这就要求通信模块有很快的传输速率。经过一段时间的选择与学习，决定选用机器人创意工作室研发的Robot-Link V3.0 RT WIFI视频数传模块和HC-06无线蓝牙串口透传模块，这两个模块配合使用可以满足机器人上位机和下位机之间的通信要求，而且这两个模块的价格也不太贵。

（4）下位机软件选择：机器人下位机采用C语言编程，而AVR单片机的编程环境不同于51单片，必须采用专用的软件，本设计选用ICCV7 for AVR进行编程，选用AVR Studio 4进行在线仿真和程序下载。

3 上位机软件选择

机器人小车可以选择PC机、手机、Pad、遥控器等做上位机控制端。这些途径均较容易实现。本设计选用安卓手机控制机器人动作，由于时间限制，所以机器人直接选用成品的上位机软件进行控制，下位机软件根据上位机源码编程。同时使用两部安卓手机控制机器人，一部手机控制小车的动作，另外一部手机顯示机器人传回的视频，实现监控。上位机软件要包括以下几个部分：控制行进电机行进方向的按键、控制摄像头云台舵机旋转的按键、视频采集窗口、环境参数采集窗口。整个软件要形成模块化，操作简单，要使其他人也可以在很短的时间内能够操作上位机软件。

4 功能实现

经过调试，机器人各部分均能够正常工作，上位机可以控制机器人前进、后退、左转、右转。摄像头云台可以实现水平方向和垂直方向旋转。机器人可以实现避障。下位机传回的视频非常流畅、清晰。机器人基本功能均能够实现。

5 结论

在我国，煤矿生产存在着较大的隐患，几乎每天都有在矿井作业中死亡的矿工，而将煤矿安全生产机器人应用到井下探测与事故救援中会大大提升煤矿生产的安全系数。煤矿安全生产机器人不仅可以探测矿井的环境参数并传回地面上位机显示，而且可以向上位机通过WIFI发回当前环境的视频和图像，这样就可以预防事故的发生。在发生事故时，安全生产机器人还可以协助地面救助人员熟悉事故现场的环境因素和实时拍摄视频和图像，这样不仅可以预防二次事故的发生，保障救援人员的安全，还可以提高救援效率，为救援工作节省大量时间，并为被困人员提高生存的可能。

参考文献：

[1]姜宝华，齐强.基于单片机的无线遥控智能小车的设计与制作[J].电子世界，2013（03）.

[2]孔凡志，李琳.多功能智能小车[J].数字技术与应用，2013（06）.

[3]董涛.基于单片机的智能小车的设计与制作[J].计算机测量与控制，2009（02）.