[发明专利]一种矿用环境探测机器人控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人控制系统，尤其是控制机器人进入矿井瓦斯爆炸灾害现场进行环境探测的一种矿用环境探测机器人控制系统。

背景技术

矿用环境探测机器人是代替救护队员对灾害后煤矿井下环境进行探测的设备。矿用环境探测机器人属于危险作业机器人的一种，为适应非结构化环境，危险作业机器人应该是一种具有环境认知、行为决策、运动控制等能力的智能移动机器人。而机器人控制系统是根据指令以及传感信息控制机器人完成以上功能的装置，是机器人的关键部件。

矿用环境探测机器人一般由救援人员搬运至灾害现场，因此重量要求轻。还要考虑防爆要求增加的负载。正常工作的矿井系统是根据地质特点与生产需要，按照一定的标准设计建设的，属于结构化环境，并且从结构上可分为竖井、巷道、回采工作面三类。矿井系统的空间非常狭窄，随着矿井服务年限的增加，环境也会发生变化，从而变成了非结构化环境。煤矿发生瓦斯和煤尘爆炸后，爆炸冲击波所波及到的巷道、工作面会受到不同程度的破坏。事故后的工作环境是由事故后对煤矿系统结构有影响的部分和事故后对煤矿工作环境无影响的部分组成，后者与正常工作的环境结构一致，并且，事故后的工作环境的非几何特征（如温度、风向、风速、瓦斯含量等）也发生了变化，瓦斯爆炸也会破坏供排水系统造成局部积水。矿井通信条件恶劣，矿井无线信号传输衰减大，发射功率受到限制，采用有线方式，会增加机器人的负载。因此，矿井环境对机器人来说是一种复杂的、多样的非结构环境。机器人主要依靠电池供电，并且应用于煤矿井下的电池种类有限，像比能量高的锂电池至今不允许用于煤矿井下，在重量限制下，所携带的电池有限，因此提供的能量也是有限的。

作为矿用环境探测机器人关键部件的控制系统，为适应以上非结构化环境，需要满足以下性能要求：低功耗，体积小，重量轻，减少防爆结构的负载，从而使机器人的负载减轻，提高续航能力；有集成能力强、可扩展性好，有利于实现机电一体化，减少装载空间，并且也有利于系统的移植，缩短开发周期，降低开发成本；采用实时多任务系统。实时系统可以快速的响应环境动态变化，从而适应非结构化环境；多任务处理方式可以充分利用计算能力；具有网络通信功能，满足多机器人系统的协作。

目前，国内已经研发多款矿用环境探测机器人控制系统。主要有以下几种：

基于工控机的闭式控制体系结构以功能较强、结构紧凑、可靠性高的工控机为核心，采用集中控制方式，通过采集卡采集各种数据，并通过I/O控制机器人驱动器。由于工控机的硬件多为固定的标准结构，因此不能灵活布置。工控机的功耗一般很高，热量释放较多。机器人为了防爆、防水，多采用密封设计，因此散热困难。采用闭式结构，专用性很强，扩展性不高。改变功能时，需要重新设计控制体系结构。

复合式体系结构采用慎思方式分布式控制系统具有较好的开放性和扩展性，是实现智能机器人控制体系结构理想的途径，可以满足对非结构环境进行建模与规划，并运用反应式行为来克服执行过程中动态变化的不确定性，具有较强的功能与应用灵活性。但PLC的实时性不高，不能进行多任务的处理，难以实现智能控制。PLC的体积也较大，不便于布置。

基于工控机的分布式控制体系结构以工控机为主控制器，各个模块之间采用总线方式通信。这种控制体系结构集成能力强、可扩展性好。但上述控制体系结构由于采用工控机，存在与基于工控机的闭式控制体系结构的功耗问题。

综上所述，目前没有一种矿用环境探测机器人控制系统能够完全满足要求。所以需要针对矿用环境探测机器人的特殊需求开发一套控制系统。

发明内容

为了解决现有的矿用环境探测机器人控制系统功耗高、体积大，防爆结构负载大且开发成本高的问题，本发明提供一种矿用环境探测机器人控制系统，该控制系统采用基于以太网的分布式结构，有集成能力强、可扩展性好，有利于实现机电一体化，减少装载空间，并且也有利于系统的移植，缩短开发周期，降低开发成本；采用高性能的32位微控制器嵌入式系统作为运用控制器和数据采集器，低功耗，体积小，重量轻，减少防爆结构的负载，从而使机器人的负载减轻，提高续航能力；采用实时多任务系统，可以快速的响应环境动态变化，从而适应非结构化环境，多任务处理方式可以充分利用计算能力；基于以太网和无线WLAN网的网络通信功能，满足多机器人系统的协作。采用以太网供电技术（PoE）可以实现数据和直流电源同时通过网线传输，简化布线，设备布置更加灵活。