面向矿井灾难救援的机器人控制系统设计研究

矿难救援对特种机器人的需求越来越大，促使研发开辟出用于搜寻和营救的新型救援机器人。考虑到矿难救援现场复杂的非结构环境以及人机分离的遥控操作状态，要求救援机器人必须设计有良好的控制系统。救援机器人属于应用于恶劣环境的移动机器人范畴，需要重点考虑其机械结构、协调运动、路径规划、数据采集、信息融合、通讯等关键技术，以保障其控制系统的安全性和有效性。

一、救援机器人机械结构及硬件平台

机械机构作为救援机器人控制系统设计的基本部分，是整个硬件平台的基础，能有效实现机器人功能的发挥。本研究设计的多方位驱动机器人体积小、重量轻、形状多变，能适应沟渠、瓦砾、狭窄等恶劣路面，并能及时反馈信息，确认位置等。其机械结构由5个面组成，每面含一个爬行单位。各面折叠后类似无封顶的方盒，可爬行于狭窄空间；各面展开后，其绕转换机构最大旋转角度可达1350.将独立的面支撑起来。并且面与面之间有机械自锁功能的涡轮蜗杆结构。同时，为预防六面展开时履带与履带之间、履带与面之间出现相互干涉，将左右履带设计为独立控制形式。机器人可通过履带间速度差或者旋转单位的运动来改变行进方向。

救援机器人用于矿难救援，工作环境的恶劣性及内部存放电路板空间的狭窄性，要求在硬件平台上必须具有紧凑的空间、可靠的硬件系统、强大的计算能力、多任务并行处理能力、模块化及对软件系统良好的支持能力。多方位驱动机器人建立基于PC104单板计算机为主要处理器的硬件系统，设置监控、运动控制、数据采集三个系统功能，采用有线控制和无线控制方式，使用普通手柄遥控器控制及远程监控PC机、无线数据传输模板控制。多方位驱动机器人的硬件平台的搭建始终坚持全局出发，减少不必要的机械结构和硬件电路，控制机器人的重量，从而提升性能。

二、救援机器人运动控制系统设计

运动控制是多方位驱动机器人最基本的功能之一，其目的是为了对移动机构全体运动进行有效控制，使得机器人在外部控制指令下生成驱动指令及控制器间的通讯，形成多电机协调。本研究机器人的运动系统采用24V直流电源设计，对于开合电机和旋转电机采用伺服电机，以实现控制精度，履带电机采用伺服电机控制。直流伺服电机选取启动转矩大、成本低、控制容易的直流有刷伺服电机，其控制方式为脉冲+方向。基于对位置精准度的高要求，采用直流有刷伺服电机进行驱动，开合电机、履带电机、旋转电机应在充分考虑力矩和速度输出的基础上进行设计。

可以说，整个运动控制系统包括爬行单位及转换机构电机的控制和履带电机的控制两部分。主控制器为PC104单板微机，接口卡核心器件控制方式为CPLD，基于PC104与 CPLD 运动控制系统能实现机器人的直线行走、转弯、各面展开及折叠、爬斜坡、楼梯等功能、并对各个功能进行模块化设计。其中，旋转单元和转换机构所用电机是 MAXON 公司的伺服电机，由PC104计算机发出控制信号，经过CPLD芯片做逻辑处理，脉冲信号用快速光耦，方向信号用普通光耦。

三、救援机器人数据采集系统设计

数据采集能为机器人运动控制系统的闭环控制提供信息输入，是救援任务完成的根本需求。多方位驱动机器人数据采集系统包括图像采集和传输、无线遥控、A/D数据采集三部分。同时，考虑到救援机器人工作环境的特殊性，在机器人的每个面上安装了一个加速度传感器，对机器人每个面的姿态和角度进行测量，从而做出适时调整，保证机器人运动的合理性和有效性。救援机器人带有生命探测传感器，而数据采集卡的应用为其预留了借口，从而便易了搜救工作，方便搜救人员及时准确安全地发现存活遇险者。在图像采集和传输上，为多方位驱动机器人安装智能云台摄像机以采集模拟图像，通过图像发射与接收装置传输到监控PC机上，这里采用的是无线影音传输。而无线遥控部分则是对信号和状态信号的传输进行控制，无线遥控模块运用的是DTD46X系列嵌入式无线数据传模块。A/D数据采集则是在机器人的每个面上安装加速度传感器ADXL202，将获取的模拟信号转换成为数字信号，来应用于每个面与重力方向所称的倾斜角，以此确定机器人的姿态。在针对加速度传感器和生命探测仪信号的采集上则是在机器人的每一面安装数据采集卡。并应用数据采集卡软件系统将收集进来的模拟信号进行滤波，AD转换，通过485总线与上位机通讯。

四、救援机器人上层软件系统设计

为解决以往计算机难以直观控制机器人各关节的问题，本研究通过USB手柄遥控器对机器人进行有线遥控，直接对机器人的机械结构和运动控制系统进行检验。控制信号由手柄遥控器发送到PC104计算机，并由上层软件系统对信息进行采集、分析和处理，进而传输到PC104总线上。机器人的运动控制模板接受到PC104总线的信息，依据所制定的协议对信息进行分析处理，从而转换成相应的电机控制信号。并由机器人上层软件系统对PC104总线信息进行解读，把运动控制模板的相关状态信号输送给PC104计算机。

综上所述，本研究多方位驱动机器人具有体积小、重量轻，适应恶劣环境，形状多变的履带驱动移动机构，采用多传感信息融合技术，能及时有效传递信息、确定位置，且具有较好可移植性，方便应用到其他移动机器人平台，在多种领域内均含重要的应用价值，具有广阔市场前景。

参考文献

[1]王明辉,王楠,李斌.面向灾难救援的机器人控制站系统设计[A].中国仪器仪表学会.中国仪器仪表学会第十二届青年学术会议论文集[C].中国仪器仪表学会:,2010:4.

[2]王楠,吴成东,王明辉.可变形灾难救援机器人控制站系统的设计与实现[J].机器人,2011,02:202-207.

[3]朱建国,李科杰,高峻峣等.煤矿探测与救援机器人分布式控制系统设计[J].计算机测量与控制,2011,11:2686-2688+2707.

本文来源：http://www.zzqklm.com/w/kj/3449.html  《科技创新与应用》