基于无线传感网的矿井事故搜索探测多机器人系统

　　近年来，我国煤炭需求量逐年加大，加之多年来对安全投入的亏欠，导致矿难事故时有发生，给人民生命财产造成了严重的损失。 矿难事故以瓦斯爆炸事故危害最为严重。 事故发生时，救援专家由于缺少必要的现场环境信息，无法及时做出有针对性的抢险预案; 救援人员往往需要经过很长时间的强制通风，排尽毒气后才能进入事故现场进行侦查和救援，从而延误了宝贵的第一救援时间。 因此，有必要研制一种实用可靠的搜救机器人，使之能够替代救援人员在第一时间进入井下执行搜索任务，并将搜索所得信息反馈给救援人员。 该研究对提高煤矿事故应急抢险能力、减少人员伤亡、救援决策具有重要意义,也为机器人技术的研究、应用和推广开辟了一个崭新的领域。 

　　1　搜索探测多机器人系统工作原理 

　　为解决矿井事故中井下复杂环境信息监测、人员搜索定位、远程通信等问题，本文建立了一种基于无线传感器网络的搜索探测多机器人系统。 该系统采用功能强大的母机器人和数个子机器人组成子母式体系结构，以母机器人为越障和探测主体，小型子机器人作为沿途的通讯、监测节点。 机器人系统要有效穿越障碍，到达危险和灾害现场，采集(气、火、水) 信息并将信息传递给井外的救援人员，因此需要重点考虑机器人系统的越障能力、通信能力和传感能力。 

　　该多机器人系统的井下搜索探测主要针对4种地形环境: 普通的粗糙地面; 相对机器人车体较高的障碍; 上下甚至左右都有障碍，只有1个狭小的开放空间; 相对机器人车体较长的裂缝。 前2种障碍类型要求机器人具有很强的地形附着能力，履带式机器人会比轮式机器人更有效; 而通常单个履带移动机器人较大的体积(横截面) 又限制了它进入狭窄空间和跨越较大裂缝。 因此，需要构建1个由多种履带构型多关节体铰接而成的母机器人，该构型增强了机器人翻越、穿越障碍的能力，同时提高了整个系统进入巷道的快速性; 同时子机器人采用2轮独立驱动外加弹跳足方式，以减小体积便于部署且具有一定的局部越障运动能力，用以构建传感器网络并调整整个网络的性能。 

　　整个机器人系统解决了穿越障碍进入巷道深处的难题。 同时，母机器人自身携带并按需配置子机器人作为无线通讯节点，构建多跳通讯网络，为井下通讯搭建了健壮的平台。 子母机器人间通过中继节点无线通讯，不但进一步扩展了探测距离，而且能通过节点机器人的传感功能动态监控巷道环境变化。 机器人系统体系结构如图1所示。

  　　2　多机器人系统结构与越障功能 

　　2．1．1　母机器人结构组成 

　　母机器人是独立完整的个体，具有行走、越障、探测和简单的救护功能。 所开发的这种母机器人由多关节体铰接而成，由5个单元组成，每个单元具有不同的功能，单元之间通过铰链连接，可以适应非常复杂的地形条件，实现控制、传感和通讯功能。 总体结构如图2所示，每个单元都装有自己的电机、减速器，驱动器用以独立驱动自身的运动。 头部单元和尾部单元末端装有可折叠柔性臂,臂前端安有摄像头，可柔性适应狭小通道。 控制传感单元内含基于嵌入式主板的主控制器、各电机控制器、多种传感器、无线射频收发器等。 搭载单元具有可开闭舱门，装有多个小机器人。 电源单元携带较大的锂聚合物电池，为各模块供电。

  　　2.1.2　母机器人越障性能分析 

　　煤矿爆炸会有大量的煤块跌落，根据我国各地煤矿煤质分析，爆炸后碎片一般不超过300 mm，因此需要机器人能攀越由碎片构成的300 mm的障碍，并可跨越不宽于600 mm的壕沟，以适应煤矿破坏后各种物体构成的极限非结构化环境。 

　　针对该越障要求开发的母机器人本体主要包括多层履带机器人单元和连接铰链。

  　　(1) 多层履带机器人单元。 机器人采用多层履带式结构，利于产生摩擦驱动前进。 该机器人的5个单元共采用了3种履带模块: 头部单元和尾部单元由单电机同步驱动双层四履带(图3) ; 搭载单元采用双电机独立驱动左右两侧履带，它带有搭载舱，舱门放下可释放出子机器人; 其他单元采用体模块(图3)， 由双电机左右独立驱动双层履带和侧履带，即上下双层四履带，左右加装侧履带，每侧共4 条履带由1个电机驱动，便于转向推进。 
　
　　单层履带在推进过程中会将前上方障碍物卷向履带下方造成进一步的阻碍，而双层履带则将障碍物卷向后方，以“挖掘”的方式推进，因此可以钻过狭小空间。 在井下复杂弯曲巷道中前进时侧履带与巷道底面和侧面的接触有利于助推和转向。 当机器人车体发生大的倾斜，下履带不能很好地附着地面时，侧履带与巷道底面的接触和相对运动可以起到助推的作用; 当有比较大的转弯时，侧履带与巷道侧面的接触不但避免了车体卡死，还能以较大的驱动力辅助转弯。

　　(2) 铰链结构。 所采用的两自由度主动铰链可以实现对其前部单元的抬举，从而翻越高达2个关节长度的障碍，或者跨越相对机器人车体较长的裂缝; 通过离合器控制铰链还可以转变为被动，让机器人体根据不规则地形被动调整自身姿态，使履带有效覆盖地面，灵活适应地形。

  　　2.1.3　轮跳复合子机器人结构组成及弹跳分析 

　　子机器人采用轮跳复合结构，主要由轮式运动组件和弹跳运动组件组成，其基本设计思想是: 平坦环境中机器人两轮驱动运动到目标地址; 遇到障碍物或沟渠时，控制弹跳机构使机器人以适当姿态越过障碍。 机器人轮式运动组件由2个独立驱动轮组成，弹跳运动组件的结构如图4所示。 

　　弹跳组件主要由减速电机、释放机构、五杆弹跳机构、拉绳、调整机构5部分构成。 当减速电机正转时，通过单向轴承和完全齿轮驱动调整卷筒，改变五杆机构拉绳的长度从而调整弹簧拉伸量进而调整五杆机构储能; 当减速电机反转时，通过单向轴承和缺齿齿轮驱动释放卷筒,进行弹簧拉伸量微调和拉绳释放，五杆弹跳机构与地面作用实现弹跳。 棘轮棘爪分别对释放机构和调整机构起到任意位置锁定的作用。 这种调整机构连续转动的方式可以最大限度的调整弹簧储能量，释放机构任意位置释放又可以方便地实现弹跳的控制。 机器人外形尺寸为<110 mm ×150 mm，总质量为1112 kg。 在弹跳实验中，当五杆机构水平拉簧采用4根弹性系数为k = 112 N /mm的弹簧时，测得机器人弹跳高度为75 mm，能够通过轮式运动结合自主弹跳避障，运动到预定位置。 

　　3　多机器人系统控制与通讯 

　　3.1.1　多机器人系统控制集成 

　　母机器人以高可靠性嵌入式主板为主控计算机，完成运动部件驱动、通讯、传感器信息采集、数据处理、图像和声音采集等功能。 传感器采用数字输出，经统一的RS232接口与计算机通讯。 

　　子机器人功能组成包含运动模块、传感器模块、无线射频通信模块、处理器模块、能量供应模块。 其中处理器模块为整个系统的核心，采用基于ARM的嵌入式控制器，协调控制运动、传感、通讯模块的功能。 

　　母机器人与子机器人、各子机器人之间的通讯通过母机器人和各子机器人搭建成的多跳通讯链路实现。 传感器采集到的信息经过嵌入式系统融合压缩，通过无线射频模块发送到通讯链路上并逐层传递到基站端。 

　　3.1.2　多跳通讯网络结构 

　　无线传感器网络主要有2种结构: 集中式控制结构和分布式结构。 集中式结构需要功能强大且处于中心位置的主节点，很难在井下实现; 分布式结构需要很大的建链和维护开销，容易出现泛洪等问题[ 5 ] 。经分析，煤矿主巷道结构狭长; 工作面巷道虽有大的平面空间，但通讯所面临的障碍仍然是错综复杂的巷道壁面造成的阻挡。 因此，建立一种由多机器人组成的分布式链状网络结构可以很好地解决狭长巷道多跳通讯的问题。 同时，为了保障链状结构的可靠性，在2个机器人有效通讯距离之间设置一个冗余机器人,解决节点惟一造成的寿命和可靠性问题，形成一种带冗余节点的分布式链状网络结构。 

　　这种网络结构由基站、子机器人节点、子机器人冗余节点、母机器人节点组成。 在网络的配置上，基站设置在人可达到的巷道最深处，以实现尽可能深地进入矿井，尽可能长地利用有缆方式与控制中心相连，保证能源和通讯的可靠性; 母机器人通过携带仓携带子机器人行走，当母机器人通过RSSI (接收信号强度指示法) 检测到与基站或上级节点间无线信号衰减到指定阈值时，母机器人打开携带仓仓门，释放一个子机器人，由子机器人做通讯中继。 通过合理设置该阈值可以使正常节点通讯距离内存在冗余节点。 采用负载平衡机理和最小能量原则进行网络的资源规划和节能控制[ 6 ]， 使冗余节点和工作节点交替工作，并根据能量情况适当移动，可以最大限度地保证网络生存时间。 这种多个通讯节点多跳组网的方式有利于网络的扩充，尤其适用于井下弯曲巷道中的通讯。 给每个通讯节点加装传感元件，还可以动态监控整个巷道的气体、温度变化情况。 

　　3.1.3　通信协议 

　　为提高吞吐量，并降低路由设计的复杂度，整个链状网采用按节点ID次序顺序担当主节点的路由策略。 

　　配置前首先通过程序固化的方式确定每个节点的ID号，母机器人按照ID顺序依次配置完成后，机器人系统就构成了1个按ID次序排列的链状结构网络[ 7 ] 。 在网络正常运行状态下，各节点都处于监听状态,由主机器人每隔一段时间向逆序的下一个节点发起通信请求(控制帧)。 普通节点接收到的控制帧，如果信息中的目的ID和自身匹配时，此节点成为主节点，转入接收模式，从前主节点接收信息(数据帧) ;当其接收完全部信息后，前主节点转入监听状态，主节点开始寻找逆序的下一个节点作主节点。 如果目的ID的节点没有响应，主节点自动将目的ID号减1寻找更小ID号的节点，更小ID号的节点接收到此请求后成为主节点。 节点在几个通讯周期内如果监听不到上级节点的任何信息，它将自动调整自身的位置向上级节点靠拢。 数据帧以这种逐节点多跳的方式传递到基站，整个通信过程结束。 

　　另外，考虑到某些巷道信息监测的要求，有些时候需要允许普通节点成为主节点，主动发起通信，发送一些紧急信息。 例如情况紧急时，普通节点必须将报警信息(消息帧) 马上发回基站，以便采取相应的措施。

　　如上所述，主节点和普通节点之间通信传输的信息帧有3 种格式: 控制帧、数据帧和消息帧[。 3种传输帧的格式如图5 所示，其中，控制帧和消息帧由主节点发射，普通节点接收; 而数据帧由普通节点发射，主节点接收。 控制帧分为4段: 第1段使用4 bit的字节用来说明帧的类型; 第2段为信息发送的目的ID号; 第3段为控制信息; 第4段为校验段。 数据帧分为5段: 第1段用来说明帧的类型; 第2段为信息发送的目的ID号;第3段为数据长度信息; 第4段为数据段，长度由数据长度中的参数决定; 第5段为校验段。 消息帧也分为4段: 第1段说明帧的类型; 第2段为信息发送的目的ID号; 第3段为报警信息; 第4段为校验段。 

　　4　多机器人系统传感器与接口模块 

　　4.1.1　高性能井下气体及环境探测传感器 

　　井下搜索探测需要探明包括甲烷(CH4 ) 、一氧化碳(CO) 、氧气(O2 ) 、温度、湿度和风速在内的多项指标。 为减小体积、方便集成，选用MEMS工艺传感器，并对传感器进行集成和本安设计，使之具有体积小、集成度高、稳定性好、响应快等特点，适合井下探测需要。 本文对基于MEMS工艺的CH4，CO，O2 传感器进行了统一的接口设计，便于作为模块调用。 

　　温度感知选用数字式温度传感芯片LM75，它采用12位数字信号输出，集成I2C串行接口，应用方便，无须外围电路。 本文中母机器人采用收发独立的超声传感器TCT4010F /S，通过对超声波从发射至接收往返时间来判断与周围障碍物的距离，保证机器人具有良好的避障能力。 机器人采用双轴加速度传感器ADXL203和角速度传感器ADXRS150来确定自身任一时刻的位姿。 双轴加速度传感器依靠重力加速度的分量计算俯仰角和翻滚角，角速度传感器用来测量方位角。 测得的信号经A /D转换送到传感器模块做进一步处理。 

　　4.1.2　可灵活配置的传感器接口模块 

　　多传感器模块是机器人感知自身信息和外部信息的重要组成部分。 当针对井下复杂应用环境时，多个携带不同传感器的机器人组成机器人系统协调工作进行环境侦查，因此需要构建一个能灵活兼容多种传感器件的硬件系统，根据用户的要求配置所需的传感器类型。

 　　FPGA以软件的方式实现硬件接口电路，便于同各类传感器接口。 它通过将EPROM中用户配置数据读入片内编程RAM中，并以这些数据完成自身状态的配置，硬件在连接上具有很强的灵活性。 当需要修改FPGA功能时，只需通过修改EPROM中的编程数据，就可以产生不同的电路功能。 本文传感器处理电路选用Altera公司的Cyclonee系列FPGA器件。 硬件组成原理如图6所示，Cyclone FPGA器件包括N IOS软核CPU、锁相环、CPU同外部设备的接口; EPCS1用来上电时对FPGA进行配置; EEPROM用来存储传感器标定参数; AD7888 用来采集传感器信号，8路单端输入，串行接口SPI; 目前选用的传感器包括温度传感器、超声传感器、加速度传感器和磁力计等。 

　　其中，32位CPU即N IOS软核处理器是一种用户可按需配置和构建的32位/16位总线指令集和数据通道的嵌入式系统微处理器IP核。 这部分设计使用Altera 公司的SOPC Builder自动进行系统定义，完成SOPC开发的集成过程，在处理器中加入定时器实现AD定时采样。 SP I模块用来实现与串行AD的接口。N IOS处理器的特点之一即是Avalon总线，它是连接片上处理器和其他IP模块的一种简单的总线协议，规定了主部件和从部件之间进行连接的端口和通信时序。 

　　与传统总线结构中的中心仲裁器不同的是，Avalon总线的开关构造使用从设备仲裁技术，允许多个主设备控制器同步操作，由从设备仲裁器决定哪个主设备获得访问权。 这种开关结构优化了数据流，提高了传感系统的吞吐量。 

　　5　结论 

　　(1) 构建了合理的子母式多机器人系统体系结构，设计了越障能力强、并具有较高机动性和地形适应性的母机器人和子机器人移动载体，以适应煤矿爆炸后的极度非结构环境。 

　　(2) 基于无线传感器网络技术，采用多机器人构成分布式链状网络，在岩壁散射、遮挡物多的情况下实现井下巷道中较远距离、稳定的多跳网络通讯。 

　　(3) 建立了一种基于FPGA软核的多传感器接口模块，可以方便地集成各种环境探测传感器、机器人状态传感器。 

　　目前我国煤矿事故处于高发期，对井下事故探测、救护机器人提出了迫切需求。 因此，研制实用的煤矿井下搜索探测机器人，并对前沿技术进行探索研究具有重要的社会意义和学术价值，未来的产业化前景也十分广泛，不仅可以用于煤矿事故，也可以应用于地震、火灾等其他自然灾害和人为事故。