煤矿井下探测机器人远程控制系统(组图)

  ：提出了一种基于网络电台传输图像和数据的煤矿井下探测机器人远程控制系统模块设计方案，构建了硬件平台，开发了机器人端程序和远程客户端程序，实现了机器人自主运动与遥操作控制相结合，适于完成煤矿井下探测任务的机器人。

  关键词：煤矿；探测机器人；远程控制；视频监控

   近年来，我国煤矿安全生产形势总体有所好转，但依然很严峻。机器人技术的快速的提升和其应用领域的不断拓展，使机器人应用于煤矿，完成井下探测成为可能。无论是煤开采过程中，还是矿难发生后，煤矿井下探测机器人在减少人员受伤或死亡和财产损失方面都能发挥巨大作用，对其研究具备极其重大的现实意义。本文以太原理工大学机器人实验室研制的煤矿井下探测机器人为控制对象，根据煤矿井下探测的工作特点和任务要求，设计了煤矿井下探测机器人远程控制系统。

   机器人本体为履带式移动机器人，其结构示意图如图1所示。该机器人采用分段式履带，由步进电机驱动，且履带形状双向可变，使机器人对煤矿井下复杂环境具有很强的适应能力，具有非常好的移动能力和可靠性，为环境探测、远程控制的完成搭建了一个更加灵活、可靠性高的机械移动平台。其车载PC是一台研华ARK-5280（855GME/DDR/串口/2USB/PCMCIA/RJ-45）嵌入式工控机。车载PC上装有研华PCL-839+三轴运动控制卡、PCI-1710HG多功能数据采集卡和Osprey-210视频采集卡等辅助硬件，同时与安装在机器人本体上的美国MDSinet900网络电台相连接。机器人传感器包括SONYEVI-D100PCCD彩摄像机、碰撞传感器、瓦斯传感器、生命探测传感器、温度传感器、红外传感器等。机器人采取电池供电，同时配套有照明设备等。

   根据机器人智能程度的高低，可以将移动机器人的远程控制方式分为直接控制（完全遥操作）和监督控制（半自主远程操作和自主遥操作）两种。在本系统中，对用户更好的提供直接控制和监督控制两种方式，用户都能够根据控制需要，将机器人对井下环境的自主适应能力与遥操作结合起来，实现对机器人的远程控制。

   远程控制系统主要完成的功能有：①实现远程客户端对井下机器人的实时监控，用户都能够通过视频监控实时观察机器人在井下的工作状况，通过机器人各种传感器反馈的信息，确定井下环境信息及机器人运动情况；②根据机器人传感器反馈的信息，传输系统向井下机器人发出控制指令，同时能设置机器人的某些参数，完成状态的检测与变换等；③实现远程客户端与机器人端的人机交互，完成与机器人的通信。

   煤矿井下探测机器人远程控制系统分为3个子系统：本地机器人控制子系统、中间层子系统和远程客户端子系统。系统总体结构如图2所示。

   本地机器人控制子系统包括机器人本体、车载PC（同时也充当视频服务器）和视频采集设备。主要实现机器人的本地控制，同时接收客户端经由中间层传来的控制命令，以及负责将机器人本体的相关信息经由中间层反馈至客户端，使远端的用户能随时掌握机器人当前的状态。视频采集设备利用摄像机对现场场景和机器人的运动状态进行摄像，视频图像经处理和压缩后被发送给远程客户端，完成客户端页面上视频图像的更新，使远程控制者能够对机器人状态和现场环境进行监控。

   中间层子系统是一个中介系统，为视频传输子系统，主要完成与客户端子系统以及机器人本地控制子系统的交互，同时实现视频的实时传输。远程客户端子系统核心为远程控制计算机，是用户直接与之交互的部分，它接收用户的输入，从中间层子系统获取传感数据和视频图像等信息，并进行机器人和场景信息的再现。

   远程控制计算机是可选择性能好、解决能力强的小型工作站，同时可配套使用投影仪等辅助设备，构建完善的视频监控系统。由于井下巷道的特殊环境，无线信号受到强干扰并且衰减严重，传输系统硬件采用适于井下恶劣环境的工业级高性能无线通信产品MDSinet900网络电台。该电台具有传输距离远（40km以上）、传输速率高（512kb/s）及安全可靠等特点，与其他无线通信产品相比具有无可替代的优势。电台A与电台B通过以太网口分别与远程控制计算机和车载PC连接（同时也提供串口连接）。机器人车载PC采用研华嵌入式工控机ARK-5280，结构坚固，体积较小，完全能满足控制的需要。视频采集设备为SONYEVI-D100PCCD摄像机和Osprey-210视频采集卡，分辨率达752×582，视频速率为30帧/s。

   根据煤矿井下探测机器人远程控制系统的特点，系统软件采用C/S架构实现，由机器人端程序和远程客户端程序组成。机器人端和远程客户端主机均选用Windows操作系统，在VisualC++6.0开发环境下实现WinSocket编程。机器人端程序的基本功能是：获取机器人的当前状态信息；与远程客户端进行通信（包括状态信息的发送和控制命令的接收）；解析并执行命令，完成对机器人的控制；摄像机的图像采集与发送。它主要由图像采集子线程、图像发送子线程和接收控制命令子线程来完成，机器人端程序流程如图3所示。远程客户端程序的基本功能是：实现人机交互功能，实时显示摄像机采集的机器人运动视频信息和环境信息，与机器人端程序进行通信，完成控制命令的传输。它主要由视频接收子线程、视频显示子线程和远程控制子线程来完成。客户端视频传输流程图如图4所示。

   煤矿井下环境特殊，存在很多不确定因素，特别是煤矿灾害发生后的第一时间，最需要机器人下井探测井下情况，但是塌方、透水等次生灾害非常有可能发生，对机器人的防护性与稳定性来说是挑战。煤矿井下探测机器人是智能化机器人在矿难救援领域的全新应用，将逐步取代人类在危险的井下环境从事煤矿事故探测搜寻工作。尽管某些关键技术仍要进一步研究，但煤矿井下探测机器人具有高度的实用价值和广泛的应用前景。

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