基于ARM的煤礦機器人井下防護探測系統(tǒng)研究

程立新，程靜濤

CHENG Li-xin, CHENG Jing-tao

（山西輕工職業(yè)技術學院，太原 030013)

0 引言

煤礦井下作業(yè)，經(jīng)常發(fā)生瓦斯爆炸事故，造成很大的人員傷亡，給國家造成數(shù)以百萬元的經(jīng)濟損失。如何防止此類惡性事故的發(fā)生是當今科技界亟待解決的問題，本文就此問題采用了ZigBee無線傳感和履帶式機器人探測技術可以較好的進行井下瓦斯爆炸事故的預測和報警工作，其特點是快速準確探測、及時預報報警。

1 ZigBee無線站點系統(tǒng)硬件設計

1.1 ZigBee無線站點的電路設計

圖1 ZigBee無線站點電路原理框圖

ZigBee站點的電路采用統(tǒng)一的電路進行設計， ZigBee無線站點主要完成的功能有三個：1）進行瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測；2）溫度探測，主要用于探測井下溫度是否適合開采作業(yè)或搶險救援；3）當發(fā)現(xiàn)上述情況異常時及時報警。

ZigBee模塊采用Chipcon公司的的2.4 GHz射頻系統(tǒng)的CC2430芯片。該芯片具有成本低、耗電小、網(wǎng)絡節(jié)點多和傳輸距離遠等顯著特點。芯片上集成了ZigBee射頻前端、128KB可編程內(nèi)存和8KB的RAM、51內(nèi)核微控制器；還有ADC、定時器、協(xié)同處理器、看門狗定時器和21個可編程I／O引腳。需要很少的外圍電路CC2430芯片即可實現(xiàn)信號的收發(fā)功能。

1.2 瓦斯?jié)舛葌鞲衅髂K

煤礦機器人最核心的任務是對井下瓦斯?jié)舛冗M行檢測，為了準確檢測瓦斯?jié)舛龋瑢鞲衅鞯仍O備選取很關鍵。而光纖傳感器很適合在惡劣和危險環(huán)境下使用，因而得到普遍重視。瓦斯?jié)舛葯z測光纖傳感器利用瓦斯氣體的光譜吸收檢測其濃度，光譜吸收式光纖傳感系統(tǒng)遵循氣體分子的選擇吸收理論，即氣體分子只能吸收那些能量正好等于它的某兩個能級能量之差的光子(△E=hv)。不同分子結(jié)構(gòu)的氣體只能吸收不同頻率的光子。當光強為I0的平行光入射到含有待測瓦斯氣體的開放氣室時會發(fā)生衰減，由Beer—Lambert定律知：輸出光強I(λ)與輸入光強I0(λ)和氣體濃度C之聞的關系為：

(1)式中各量意義如下：

aλ—波長一定時單位濃度、單像長度的介質(zhì)吸收系數(shù)；

L—吸收路徑的長度；

C—氣體的濃度。

由(1)式進一步推出

由(2)式可知:如果已知L，aλ、I0(λ)，就能通過測量I(λ)計算出氣體的濃度C。但要明確不同濃度的同一物質(zhì)在相同的波長處有著相同的吸收系數(shù)aλ，而同一種物質(zhì)在不同波長處的吸收系數(shù)是不同的。瓦斯氣體在波長l330nm附近的吸收譜線，實驗可知波長1331.5nm處為瓦斯氣體的吸收波峰。

本系統(tǒng)中選用上海光傲生產(chǎn)的PD34SC型中紅外窄帶響應半導體光電二極管探測器作為瓦斯?jié)舛葌鞲衅? PD34SC型中紅外窄帶響應半導體光電二極管探測器具有響應速度快(ns級)，電壓電流靈敏度高、工作溫度范圍寬、光譜響應范圍窄和探測度精準等特點。

1.3 溫度采集模塊

這里采用一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，溫度測量范圍為-55—+125℃，測溫分辨率可達0.0625℃，CPU只需一根端口線就能與多個DS18B20 通信，占用微處理器的端口少，將數(shù)字溫度傳感器DS18B20的數(shù)據(jù)線與CC2430的P2-0相連。CC2410和DS18B20 的通訊是由一個CPU的復位脈沖和一個DS18B20 的應答脈沖開始的。CC2430先發(fā)一個復位脈沖, 保持低電平480μs 到960μs后CC2430釋放總線，等待DS18B20應答。DS18B20接受到復位脈沖后等待15 —60μs 發(fā)出應答脈沖。

2 機器人系統(tǒng)設計

2.1 機器人機械部分設計

機器人主要完成巷道內(nèi)爬行，同時應具備發(fā)生翻轉(zhuǎn)時也能夠行走的功能。因此，本機器人采用履帶式傳動機構(gòu)。該機構(gòu)利用左右兩邊的驅(qū)動電機即可完成前行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和后行停止等運動形態(tài)，整個裝置采用密封技術,目的是為能夠適應井下濕地行走，整個主電路部分設計平面比上下履帶高度小，這樣的設計為的是發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，能夠照常運行，只是在電路設計時應設計一個翻轉(zhuǎn)感應器，一旦發(fā)生翻轉(zhuǎn)運行時，根據(jù)翻轉(zhuǎn)感應器即可判斷出正確的運行方向，及時調(diào)整運行姿態(tài)，使其正常運行。

2.2 基于ARM的嵌入式機器人控制模塊

嵌入式機器人控制模塊采用三星公司ARM9系列的S3C2410處理器作為服務機器人的控制CPU，在嵌入式系統(tǒng)Linux下實現(xiàn)機器人控制。S3C2410處理器采用 ARM920T內(nèi)核，5級流水線指令結(jié)構(gòu)，片內(nèi)鎖相環(huán)，內(nèi)部時鐘可達200 MHz，因此可用來進行復雜控制算法，提高控制精度。S3C2410有117個I／O口和24個外部中斷源，內(nèi)部具有豐富的接口控制器和如：USB控制器、DMA控制器、UART控制器和I2C控制器等，這樣既可簡化外圍電路，同時其內(nèi)部時鐘可達200 MHz，高性能指令集與C語言交叉匯編能使其完成復雜運算，提高機器人控制的實時性。整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 主電路模塊

嵌入式CPU（S3C2410處理器）外圍設備包括：1）SDRAM隨機存取存儲器可以完成動態(tài)數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭搿?）FLASH閃存主要完成程序存儲和常用數(shù)據(jù)的存儲。3）JTAG接口主要完成程序的調(diào)試和寫入。4）液晶屏可以顯示目前機器人的工作狀態(tài)。S3C2410內(nèi)置有液晶控制器，可以支持最大256 K色的TFT彩色液晶屏、最大4 K色的STN彩色液晶屏，這里選用LQ080V3DG01型8英寸640x480 TFT液晶屏，該液晶屏上配有4線電阻式觸摸屏，用于檢測屏幕觸摸輸入信息，有利于提高人機交互的友好性；5）鍵盤可以完成必要的基本操作和系統(tǒng)復位操作。用ARM S3C2410系統(tǒng)8個按鍵中的S11、S12、S13作為輸入部分,實現(xiàn)對人機界面的選擇操作。

2.3 電機驅(qū)動模塊

由于有刷電機工作時會產(chǎn)生火花，火花易引燃瓦斯而產(chǎn)生爆炸, 而步進電機不會像有刷電機那樣產(chǎn)生火花,為此,本機器人驅(qū)動部分設計采用步進電機作為動力能源。目前已有多種用于小功率的步進電機集成功率驅(qū)動接口電路可供選用。利用H橋電路來實現(xiàn)調(diào)速。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。

L298芯片是一種H橋式驅(qū)動器，它設計成接受標準TTL邏輯電平信號，可用來驅(qū)動電感性負載。H橋可承受46V電壓，相電流高達2.5A。L298(或XQ298，SGS298)的邏輯電路使用5V電源，功放級使用5-46V電壓，下橋發(fā)射極均單獨引出，以便接入電流取樣電阻。L298(等)采用15腳雙列直插小瓦數(shù)式封裝，工業(yè)品等級。從圖3可知，電機的驅(qū)動控制是由兩個步進電機控制器完成轉(zhuǎn)速的調(diào)整，使用L297(環(huán)形分配器專用芯片)和L298構(gòu)成的具有恒流斬波功能的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。完全滿足機器人行進速度的控制要求。

圖3 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)

機器人行進方向主要是利用左右兩個履帶的轉(zhuǎn)速不同而產(chǎn)生方向的變化，如左履帶速度快，右履帶速度慢則機器人向右轉(zhuǎn)，反之向左轉(zhuǎn)。可以分別控制左右兩個履帶的速度完成向前、前左轉(zhuǎn)、前右轉(zhuǎn)、后行、后左轉(zhuǎn)、后右轉(zhuǎn)和停止等運動狀態(tài)的操作。

2.4 CCD圖像采集模塊

圖象信號采集轉(zhuǎn)換電路使用SAA7111，它是雙通道模擬信號處理電路芯片，每一處理電路包括模擬信號的選擇、抗混疊濾波器、ADC、一個自動鉗位和增益控制、時鐘發(fā)生電路、數(shù)字多標準解碼器、亮度/對比度/飽和度控制電路和顏色空間矩陣。它基本的功能是A/D轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字視頻信號符合ITU601標準。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 ZigBee模塊的軟件設計

ZigBee網(wǎng)絡類似于移動通信網(wǎng)，所不同的是ZigBee網(wǎng)絡的站點與站點距離僅100m左右。為了防止站點之間相互通信占用頻帶空間，本ZigBee網(wǎng)絡采用星形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

1）正常情況下以機器人站點為基站，每個相鄰站點只能和基站進行通信，站點之間不能相互通信。

2）特殊情況下，如遇到瓦斯?jié)舛瘸瑯耍l(fā)現(xiàn)透水，巷道溫度超標等特殊情況，處于危險區(qū)的站點或機器人基站均可以使用廣播形式發(fā)送預警信號，此時不管是相鄰站點還是基站均可以接收，并以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)到下一站點或基站。使其在最短時間內(nèi)通知整個作業(yè)面甚至井上指揮部，采取措施進行撤離。

3）站點之間的通信均遵守類802.3的載波偵聽/沖突檢測協(xié)議。

3.2 機器人系統(tǒng)軟件設計

機器人系統(tǒng)軟件設計主要包括：嵌入式系統(tǒng)主程序設計。主要完成在嵌入式系統(tǒng)Linux下完成的系統(tǒng)初始化，中斷處理程序接口，機器人ZigBee通信程序的設計，CCD視頻處理軟件設計，液晶屏軟件設計，驅(qū)動接口軟件設計，按鍵功能軟件設計等。

按鍵功能設計采用控制三個按鍵S11、S12、S13的掃描并檢測其連擊次數(shù)。程序中先設置好默認菜單,再調(diào)用函數(shù)GetKey()讀取被按下的鍵值。GetKey()函數(shù)直接讀取CPU器件上的按鍵值。若S11被按下,表示指向上一個圖標菜單;若S12被按下,表示選擇當前的圖標功能;若S13被按下,表示指向下一個圖標菜單。程序代碼如下

key = GetKey();

if(key==KEY_OK) break; // 點擊OK 鍵選擇

if(key==KEY_NEXT)

{ maenu[select].state = 0; // 取消上一選擇

GUI_MenuIcoDraw(&maenu [select]);

select++; // 指向下一菜單

if(select＞2) select=0;

maenu[select].state = 1;

GUI_MenuIcoDraw(&maenu [select]);

}

if(key==KEY_BACK)

{ maenu[select].state = 0; // 取消上一選擇

GUI_MenuIcoDraw(&maenu [select]);

if(select==0) select=2;

else select--; // 指向下一菜單

maenu[select].state = 1;

GUI_MenuIcoDraw(&maenu [select]);

4 結(jié)束語

本文應用S3C2410作為核心微控制器、基于ZigBee技術的CC2430作為無線收發(fā)模塊，兩者之間實現(xiàn)了可靠的無線通訊,對煤礦中的瓦斯和溫度等進行無線檢測；用步進電機控制器控制機器人的運動方向和速度，實現(xiàn)了對煤礦井下機器人的各種運動控制,達到了理想的實用效果。

[1] 高立明,王駿,白建明.基于光纖傳感的瓦斯?jié)舛葴y試[J].科學技術與工程,2006,6(16):2438-2448.

[2] 張明,劉岑俐.基于PIC單片機和DS18B20的溫度測量系統(tǒng)設計[J].電子測試,2010,(4):54-56.