基于無線傳感網(wǎng)的礦井事故搜索探測多機器人系統(tǒng)

　　近年來，我國煤炭需求量逐年加大，加之多年來對安全投入的虧欠，導(dǎo)致礦難事故時有發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)造成了嚴重的損失。 礦難事故以瓦斯爆炸事故危害最為嚴重。 事故發(fā)生時，救援專家由于缺少必要的現(xiàn)場環(huán)境信息，無法及時做出有針對性的搶險預(yù)案; 救援人員往往需要經(jīng)過很長時間的強制通風，排盡毒氣后才能進入事故現(xiàn)場進行偵查和救援，從而延誤了寶貴的第一救援時間。 因此，有必要研制一種實用可靠的搜救機器人，使之能夠替代救援人員在第一時間進入井下執(zhí)行搜索任務(wù)，并將搜索所得信息反饋給救援人員。 該研究對提高煤礦事故應(yīng)急搶險能力、減少人員傷亡、救援決策具有重要意義,也為機器人技術(shù)的研究、應(yīng)用和推廣開辟了一個嶄新的領(lǐng)域。 

　　1　搜索探測多機器人系統(tǒng)工作原理 

　　為解決礦井事故中井下復(fù)雜環(huán)境信息監(jiān)測、人員搜索定位、遠程通信等問題，本文建立了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搜索探測多機器人系統(tǒng)。 該系統(tǒng)采用功能強大的母機器人和數(shù)個子機器人組成子母式體系結(jié)構(gòu)，以母機器人為越障和探測主體，小型子機器人作為沿途的通訊、監(jiān)測節(jié)點。 機器人系統(tǒng)要有效穿越障礙，到達危險和災(zāi)害現(xiàn)場，采集(氣、火、水) 信息并將信息傳遞給井外的救援人員，因此需要重點考慮機器人系統(tǒng)的越障能力、通信能力和傳感能力。 

　　該多機器人系統(tǒng)的井下搜索探測主要針對4種地形環(huán)境: 普通的粗糙地面; 相對機器人車體較高的障礙; 上下甚至左右都有障礙，只有1個狹小的開放空間; 相對機器人車體較長的裂縫。 前2種障礙類型要求機器人具有很強的地形附著能力，履帶式機器人會比輪式機器人更有效; 而通常單個履帶移動機器人較大的體積(橫截面) 又限制了它進入狹窄空間和跨越較大裂縫。 因此，需要構(gòu)建1個由多種履帶構(gòu)型多關(guān)節(jié)體鉸接而成的母機器人，該構(gòu)型增強了機器人翻越、穿越障礙的能力，同時提高了整個系統(tǒng)進入巷道的快速性; 同時子機器人采用2輪獨立驅(qū)動外加彈跳足方式，以減小體積便于部署且具有一定的局部越障運動能力，用以構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)并調(diào)整整個網(wǎng)絡(luò)的性能。 

　　整個機器人系統(tǒng)解決了穿越障礙進入巷道深處的難題。 同時，母機器人自身攜帶并按需配置子機器人作為無線通訊節(jié)點，構(gòu)建多跳通訊網(wǎng)絡(luò)，為井下通訊搭建了健壯的平臺。 子母機器人間通過中繼節(jié)點無線通訊，不但進一步擴展了探測距離，而且能通過節(jié)點機器人的傳感功能動態(tài)監(jiān)控巷道環(huán)境變化。 機器人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

  　　2　多機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與越障功能 

　　2．1．1　母機器人結(jié)構(gòu)組成 

　　母機器人是獨立完整的個體，具有行走、越障、探測和簡單的救護功能。 所開發(fā)的這種母機器人由多關(guān)節(jié)體鉸接而成，由5個單元組成，每個單元具有不同的功能，單元之間通過鉸鏈連接，可以適應(yīng)非常復(fù)雜的地形條件，實現(xiàn)控制、傳感和通訊功能。 總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個單元都裝有自己的電機、減速器，驅(qū)動器用以獨立驅(qū)動自身的運動。 頭部單元和尾部單元末端裝有可折疊柔性臂,臂前端安有攝像頭，可柔性適應(yīng)狹小通道。 控制傳感單元內(nèi)含基于嵌入式主板的主控制器、各電機控制器、多種傳感器、無線射頻收發(fā)器等。 搭載單元具有可開閉艙門，裝有多個小機器人。 電源單元攜帶較大的鋰聚合物電池，為各模塊供電。

  　　2.1.2　母機器人越障性能分析 

　　煤礦爆炸會有大量的煤塊跌落，根據(jù)我國各地煤礦煤質(zhì)分析，爆炸后碎片一般不超過300 mm，因此需要機器人能攀越由碎片構(gòu)成的300 mm的障礙，并可跨越不寬于600 mm的壕溝，以適應(yīng)煤礦破壞后各種物體構(gòu)成的極限非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。 

　　針對該越障要求開發(fā)的母機器人本體主要包括多層履帶機器人單元和連接鉸鏈。

  　　(1) 多層履帶機器人單元。 機器人采用多層履帶式結(jié)構(gòu)，利于產(chǎn)生摩擦驅(qū)動前進。 該機器人的5個單元共采用了3種履帶模塊: 頭部單元和尾部單元由單電機同步驅(qū)動雙層四履帶(圖3) ; 搭載單元采用雙電機獨立驅(qū)動左右兩側(cè)履帶，它帶有搭載艙，艙門放下可釋放出子機器人; 其他單元采用體模塊(圖3)， 由雙電機左右獨立驅(qū)動雙層履帶和側(cè)履帶，即上下雙層四履帶，左右加裝側(cè)履帶，每側(cè)共4 條履帶由1個電機驅(qū)動，便于轉(zhuǎn)向推進。 
　
　　單層履帶在推進過程中會將前上方障礙物卷向履帶下方造成進一步的阻礙，而雙層履帶則將障礙物卷向后方，以“挖掘”的方式推進，因此可以鉆過狹小空間。 在井下復(fù)雜彎曲巷道中前進時側(cè)履帶與巷道底面和側(cè)面的接觸有利于助推和轉(zhuǎn)向。 當機器人車體發(fā)生大的傾斜，下履帶不能很好地附著地面時，側(cè)履帶與巷道底面的接觸和相對運動可以起到助推的作用; 當有比較大的轉(zhuǎn)彎時，側(cè)履帶與巷道側(cè)面的接觸不但避免了車體卡死，還能以較大的驅(qū)動力輔助轉(zhuǎn)彎。

　　(2) 鉸鏈結(jié)構(gòu)。 所采用的兩自由度主動鉸鏈可以實現(xiàn)對其前部單元的抬舉，從而翻越高達2個關(guān)節(jié)長度的障礙，或者跨越相對機器人車體較長的裂縫; 通過離合器控制鉸鏈還可以轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍?，讓機器人體根據(jù)不規(guī)則地形被動調(diào)整自身姿態(tài)，使履帶有效覆蓋地面，靈活適應(yīng)地形。

  　　2.1.3　輪跳復(fù)合子機器人結(jié)構(gòu)組成及彈跳分析 

　　子機器人采用輪跳復(fù)合結(jié)構(gòu)，主要由輪式運動組件和彈跳運動組件組成，其基本設(shè)計思想是: 平坦環(huán)境中機器人兩輪驅(qū)動運動到目標地址; 遇到障礙物或溝渠時，控制彈跳機構(gòu)使機器人以適當姿態(tài)越過障礙。 機器人輪式運動組件由2個獨立驅(qū)動輪組成，彈跳運動組件的結(jié)構(gòu)如圖4所示。 

　　彈跳組件主要由減速電機、釋放機構(gòu)、五桿彈跳機構(gòu)、拉繩、調(diào)整機構(gòu)5部分構(gòu)成。 當減速電機正轉(zhuǎn)時，通過單向軸承和完全齒輪驅(qū)動調(diào)整卷筒，改變五桿機構(gòu)拉繩的長度從而調(diào)整彈簧拉伸量進而調(diào)整五桿機構(gòu)儲能; 當減速電機反轉(zhuǎn)時，通過單向軸承和缺齒齒輪驅(qū)動釋放卷筒,進行彈簧拉伸量微調(diào)和拉繩釋放，五桿彈跳機構(gòu)與地面作用實現(xiàn)彈跳。 棘輪棘爪分別對釋放機構(gòu)和調(diào)整機構(gòu)起到任意位置鎖定的作用。 這種調(diào)整機構(gòu)連續(xù)轉(zhuǎn)動的方式可以最大限度的調(diào)整彈簧儲能量，釋放機構(gòu)任意位置釋放又可以方便地實現(xiàn)彈跳的控制。 機器人外形尺寸為<110 mm ×150 mm，總質(zhì)量為1112 kg。 在彈跳實驗中，當五桿機構(gòu)水平拉簧采用4根彈性系數(shù)為k = 112 N /mm的彈簧時，測得機器人彈跳高度為75 mm，能夠通過輪式運動結(jié)合自主彈跳避障，運動到預(yù)定位置。 

　　3　多機器人系統(tǒng)控制與通訊 

　　3.1.1　多機器人系統(tǒng)控制集成 

　　母機器人以高可靠性嵌入式主板為主控計算機，完成運動部件驅(qū)動、通訊、傳感器信息采集、數(shù)據(jù)處理、圖像和聲音采集等功能。 傳感器采用數(shù)字輸出，經(jīng)統(tǒng)一的RS232接口與計算機通訊。 

　　子機器人功能組成包含運動模塊、傳感器模塊、無線射頻通信模塊、處理器模塊、能量供應(yīng)模塊。 其中處理器模塊為整個系統(tǒng)的核心，采用基于ARM的嵌入式控制器，協(xié)調(diào)控制運動、傳感、通訊模塊的功能。 

　　母機器人與子機器人、各子機器人之間的通訊通過母機器人和各子機器人搭建成的多跳通訊鏈路實現(xiàn)。 傳感器采集到的信息經(jīng)過嵌入式系統(tǒng)融合壓縮，通過無線射頻模塊發(fā)送到通訊鏈路上并逐層傳遞到基站端。 

　　3.1.2　多跳通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要有2種結(jié)構(gòu): 集中式控制結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)。 集中式結(jié)構(gòu)需要功能強大且處于中心位置的主節(jié)點，很難在井下實現(xiàn); 分布式結(jié)構(gòu)需要很大的建鏈和維護開銷，容易出現(xiàn)泛洪等問題[ 5 ] 。經(jīng)分析，煤礦主巷道結(jié)構(gòu)狹長; 工作面巷道雖有大的平面空間，但通訊所面臨的障礙仍然是錯綜復(fù)雜的巷道壁面造成的阻擋。 因此，建立一種由多機器人組成的分布式鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以很好地解決狹長巷道多跳通訊的問題。 同時，為了保障鏈狀結(jié)構(gòu)的可靠性，在2個機器人有效通訊距離之間設(shè)置一個冗余機器人,解決節(jié)點惟一造成的壽命和可靠性問題，形成一種帶冗余節(jié)點的分布式鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 

　　這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由基站、子機器人節(jié)點、子機器人冗余節(jié)點、母機器人節(jié)點組成。 在網(wǎng)絡(luò)的配置上，基站設(shè)置在人可達到的巷道最深處，以實現(xiàn)盡可能深地進入礦井，盡可能長地利用有纜方式與控制中心相連，保證能源和通訊的可靠性; 母機器人通過攜帶倉攜帶子機器人行走，當母機器人通過RSSI (接收信號強度指示法) 檢測到與基站或上級節(jié)點間無線信號衰減到指定閾值時，母機器人打開攜帶倉倉門，釋放一個子機器人，由子機器人做通訊中繼。 通過合理設(shè)置該閾值可以使正常節(jié)點通訊距離內(nèi)存在冗余節(jié)點。 采用負載平衡機理和最小能量原則進行網(wǎng)絡(luò)的資源規(guī)劃和節(jié)能控制[ 6 ]， 使冗余節(jié)點和工作節(jié)點交替工作，并根據(jù)能量情況適當移動，可以最大限度地保證網(wǎng)絡(luò)生存時間。 這種多個通訊節(jié)點多跳組網(wǎng)的方式有利于網(wǎng)絡(luò)的擴充，尤其適用于井下彎曲巷道中的通訊。 給每個通訊節(jié)點加裝傳感元件，還可以動態(tài)監(jiān)控整個巷道的氣體、溫度變化情況。 

　　3.1.3　通信協(xié)議 

　　為提高吞吐量，并降低路由設(shè)計的復(fù)雜度，整個鏈狀網(wǎng)采用按節(jié)點ID次序順序擔當主節(jié)點的路由策略。 

　　配置前首先通過程序固化的方式確定每個節(jié)點的ID號，母機器人按照ID順序依次配置完成后，機器人系統(tǒng)就構(gòu)成了1個按ID次序排列的鏈狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[ 7 ] 。 在網(wǎng)絡(luò)正常運行狀態(tài)下，各節(jié)點都處于監(jiān)聽狀態(tài),由主機器人每隔一段時間向逆序的下一個節(jié)點發(fā)起通信請求(控制幀)。 普通節(jié)點接收到的控制幀，如果信息中的目的ID和自身匹配時，此節(jié)點成為主節(jié)點，轉(zhuǎn)入接收模式，從前主節(jié)點接收信息(數(shù)據(jù)幀) ;當其接收完全部信息后，前主節(jié)點轉(zhuǎn)入監(jiān)聽狀態(tài)，主節(jié)點開始尋找逆序的下一個節(jié)點作主節(jié)點。 如果目的ID的節(jié)點沒有響應(yīng)，主節(jié)點自動將目的ID號減1尋找更小ID號的節(jié)點，更小ID號的節(jié)點接收到此請求后成為主節(jié)點。 節(jié)點在幾個通訊周期內(nèi)如果監(jiān)聽不到上級節(jié)點的任何信息，它將自動調(diào)整自身的位置向上級節(jié)點靠攏。 數(shù)據(jù)幀以這種逐節(jié)點多跳的方式傳遞到基站，整個通信過程結(jié)束。 

　　另外，考慮到某些巷道信息監(jiān)測的要求，有些時候需要允許普通節(jié)點成為主節(jié)點，主動發(fā)起通信，發(fā)送一些緊急信息。 例如情況緊急時，普通節(jié)點必須將報警信息(消息幀) 馬上發(fā)回基站，以便采取相應(yīng)的措施。

　　如上所述，主節(jié)點和普通節(jié)點之間通信傳輸?shù)男畔? 種格式: 控制幀、數(shù)據(jù)幀和消息幀[。 3種傳輸幀的格式如圖5 所示，其中，控制幀和消息幀由主節(jié)點發(fā)射，普通節(jié)點接收; 而數(shù)據(jù)幀由普通節(jié)點發(fā)射，主節(jié)點接收。 控制幀分為4段: 第1段使用4 bit的字節(jié)用來說明幀的類型; 第2段為信息發(fā)送的目的ID號; 第3段為控制信息; 第4段為校驗段。 數(shù)據(jù)幀分為5段: 第1段用來說明幀的類型; 第2段為信息發(fā)送的目的ID號;第3段為數(shù)據(jù)長度信息; 第4段為數(shù)據(jù)段，長度由數(shù)據(jù)長度中的參數(shù)決定; 第5段為校驗段。 消息幀也分為4段: 第1段說明幀的類型; 第2段為信息發(fā)送的目的ID號; 第3段為報警信息; 第4段為校驗段。 

　　4　多機器人系統(tǒng)傳感器與接口模塊 

　　4.1.1　高性能井下氣體及環(huán)境探測傳感器 

　　井下搜索探測需要探明包括甲烷(CH4 ) 、一氧化碳(CO) 、氧氣(O2 ) 、溫度、濕度和風速在內(nèi)的多項指標。 為減小體積、方便集成，選用MEMS工藝傳感器，并對傳感器進行集成和本安設(shè)計，使之具有體積小、集成度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快等特點，適合井下探測需要。 本文對基于MEMS工藝的CH4，CO，O2 傳感器進行了統(tǒng)一的接口設(shè)計，便于作為模塊調(diào)用。 

　　溫度感知選用數(shù)字式溫度傳感芯片LM75，它采用12位數(shù)字信號輸出，集成I2C串行接口，應(yīng)用方便，無須外圍電路。 本文中母機器人采用收發(fā)獨立的超聲傳感器TCT4010F /S，通過對超聲波從發(fā)射至接收往返時間來判斷與周圍障礙物的距離，保證機器人具有良好的避障能力。 機器人采用雙軸加速度傳感器ADXL203和角速度傳感器ADXRS150來確定自身任一時刻的位姿。 雙軸加速度傳感器依靠重力加速度的分量計算俯仰角和翻滾角，角速度傳感器用來測量方位角。 測得的信號經(jīng)A /D轉(zhuǎn)換送到傳感器模塊做進一步處理。 

　　4.1.2　可靈活配置的傳感器接口模塊 

　　多傳感器模塊是機器人感知自身信息和外部信息的重要組成部分。 當針對井下復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境時，多個攜帶不同傳感器的機器人組成機器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作進行環(huán)境偵查，因此需要構(gòu)建一個能靈活兼容多種傳感器件的硬件系統(tǒng)，根據(jù)用戶的要求配置所需的傳感器類型。

 　　FPGA以軟件的方式實現(xiàn)硬件接口電路，便于同各類傳感器接口。 它通過將EPROM中用戶配置數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，并以這些數(shù)據(jù)完成自身狀態(tài)的配置，硬件在連接上具有很強的靈活性。 當需要修改FPGA功能時，只需通過修改EPROM中的編程數(shù)據(jù)，就可以產(chǎn)生不同的電路功能。 本文傳感器處理電路選用Altera公司的Cyclonee系列FPGA器件。 硬件組成原理如圖6所示，Cyclone FPGA器件包括N IOS軟核CPU、鎖相環(huán)、CPU同外部設(shè)備的接口; EPCS1用來上電時對FPGA進行配置; EEPROM用來存儲傳感器標定參數(shù); AD7888 用來采集傳感器信號，8路單端輸入，串行接口SPI; 目前選用的傳感器包括溫度傳感器、超聲傳感器、加速度傳感器和磁力計等。 

　　其中，32位CPU即N IOS軟核處理器是一種用戶可按需配置和構(gòu)建的32位/16位總線指令集和數(shù)據(jù)通道的嵌入式系統(tǒng)微處理器IP核。 這部分設(shè)計使用Altera 公司的SOPC Builder自動進行系統(tǒng)定義，完成SOPC開發(fā)的集成過程，在處理器中加入定時器實現(xiàn)AD定時采樣。 SP I模塊用來實現(xiàn)與串行AD的接口。N IOS處理器的特點之一即是Avalon總線，它是連接片上處理器和其他IP模塊的一種簡單的總線協(xié)議，規(guī)定了主部件和從部件之間進行連接的端口和通信時序。 

　　與傳統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)中的中心仲裁器不同的是，Avalon總線的開關(guān)構(gòu)造使用從設(shè)備仲裁技術(shù)，允許多個主設(shè)備控制器同步操作，由從設(shè)備仲裁器決定哪個主設(shè)備獲得訪問權(quán)。 這種開關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化了數(shù)據(jù)流，提高了傳感系統(tǒng)的吞吐量。 

　　5　結(jié)論 

　　(1) 構(gòu)建了合理的子母式多機器人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計了越障能力強、并具有較高機動性和地形適應(yīng)性的母機器人和子機器人移動載體，以適應(yīng)煤礦爆炸后的極度非結(jié)構(gòu)環(huán)境。 

　　(2) 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用多機器人構(gòu)成分布式鏈狀網(wǎng)絡(luò)，在巖壁散射、遮擋物多的情況下實現(xiàn)井下巷道中較遠距離、穩(wěn)定的多跳網(wǎng)絡(luò)通訊。 

　　(3) 建立了一種基于FPGA軟核的多傳感器接口模塊，可以方便地集成各種環(huán)境探測傳感器、機器人狀態(tài)傳感器。 

　　目前我國煤礦事故處于高發(fā)期，對井下事故探測、救護機器人提出了迫切需求。 因此，研制實用的煤礦井下搜索探測機器人，并對前沿技術(shù)進行探索研究具有重要的社會意義和學(xué)術(shù)價值，未來的產(chǎn)業(yè)化前景也十分廣泛，不僅可以用于煤礦事故，也可以應(yīng)用于地震、火災(zāi)等其他自然災(zāi)害和人為事故。