技术领域
[0001] 本
发明主要涉及
机器人技术领域，特别是一种基于手机客户端多功能矿井搜救机器人。
背景技术
[0002] 我国
煤炭矿藏丰富，是世界上最大的煤炭生产和消费国，但是我国又是煤矿事故发生率、矿难造成伤亡人数最高的国家。据统计，我国露天煤田只占总储量不到5%的份额，绝大部分煤田属于地质结构复杂，含大量瓦斯气体的地下煤田。在这种特定的条件下，如果发生矿难事故，大型救援设备无法及时到达井下，救援人员无法迅速获取井下信息，如瓦斯和O2等气体浓度、是否发生火灾或透
水、现场温湿度及被困人员
位置等，故不能够第一时间到达现场营救，致使错过最佳救援时间，造成更大的人员伤亡。
[0003] 目前，现有的矿井搜救机器人功能较单一，不能准确探测矿井环境和被困人员信息。而且，大多轮式机器人体积、重量大，在事故后较差道路状况下行走困难。另外，地面
信号接收装置体积普遍较大，不便移动，不利于现场操作。随着无线网络的广泛
覆盖以及智能手机功能日趋强大，本发明通过开发手机应用和借助无线通信网络，通过对
履带式
车身的升级和改造，搭载低照度摄像装置、矿井环境信息采集装置和通信设备等，能够顺利地进入矿井并采集环境及被困人员信息，从而便于开展搜救工作。
发明内容
[0004] 本发明的目的则是为了克服
现有技术的不足，设计一种基于手机客户端多功能矿井搜救机器人。为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：本发明是一种基于手机客户端多功能矿井搜救机器人，由机器人下位机检测系统和上位机移动控制系统构成。所述机器人下位机检测系统包括STM32
控制器，所述STM32控制器通过电源线和矿井环境信息采集系统、SIM908模
块、S5PV210处理器、电源模块、SD卡、OpenWrt路由器和时钟模块连接。所述S5PV210处理器通过电源线和机器人
姿态监测系统和车身驱动系统相连。
[0005] 进一步，所述矿井环境信息采集系统包括O2浓度
传感器、烟雾浓度传感器、瓦斯浓度传感器、温
湿度传感器和信号调理模块。所述O2浓度传感器、烟雾浓度传感器、瓦斯浓度传感器、温湿度传感器和信号调理模块输入端相连，传感器分别将采集到的井下O2浓度参数、烟雾浓度参数、瓦斯浓度参数、温湿度参数发送给信号调理模块，所述信号调理模块将传送来的
模拟信号进行滤波、放大和偏置处理。所述信号调理模块输出端与STM32控制器的A/D
模数转换器对应的GPIO口相连，STM32控制器的A/D模数转换器能够将采集到的模拟信号转换为
数字信号。所述STM32控制器采用ADC（模/数转换）校正
算法对
采样过程进行校正，以提高ADC（模/数转换）的采样
精度。所述STM32控制器将数据进行分析处理后转存到SD卡，完成矿井环境信息的采集工作。
[0006] 进一步，所述机器人姿态监测系统包括三轴
加速度计、指南针模块和
超声波传感器。所述三轴加速度计、指南针模块、
超声波传感器和S5PV210处理器输入端相连，分别将传感器监测到的机器人三轴加速度参数、方向信息和前方有无障碍物信息发送给S5PV210处理器，所述S5PV210处理器利用姿态控制算法对数据进行分析处理，从而通过控制
电机驱动模块，以PWM（脉冲宽度调制）控制方式调节相应直流无刷电机的转速进而调整机器人姿态。
[0007] 进一步，所述STM32控制器和S5PV210处理器为整个系统的核心。所述STM32控制器为整个系统的控制中心，选用高性能的Cotex-M3
内核处理器STM32F103ZET6，控制各模块之间的运行和通信。所述三星公司的S5PV210处理器为系统控制算法运算中心，该处理器采用Cotex-A8内核，可实现2000DMIPS的高性能运算能
力。
[0008] 进一步，所述OpenWrt路由器与摄像头通过USB
接口连接，OpenWrt路由器将采集到的视频数据通过编码转化为
视频流传入WiFi信道。上位机通过创建连接获取视频流信息，然后通过网络编程、视频解码等将视频信息转化为
动态图像，在手机屏幕上显示。所述OpenWrt路由器刷入了OpenWrt系统。所述OpenWrt路由器和上位机之间通过TCP协议方式实现通信。上位机将控制指令转换成相对应的数据包，利用WiFi传输到OpenWrt路由器上，OpenWrt路由器将数据包发送到TTL串口，所述OpenWrt路由器TTL串口和STM32控制器串口相连，连接方式为：OpenWrt路由器TTL串口的TXD、RXD和GND分别与STM32控制器串口的RXD、TXD和GND连接。所述STM32控制器将接收的数据包转换为控制指令，控制相应模块完成动作。同样地，STM32控制器可以将采集到的矿井环境、车身方位信息转换成数据包以同样的方式回传给上位机，从而能够实现上位机和下位机之间的数据通信，该通信方式可靠性高且速度快。
[0009] 进一步，所述SIM908模块用于多功能矿井搜救机器人位置信息的采集及发送，所述SIM908模块将GPS模块和GPRS模块合为一体，利用GPS全球
定位系统、LBS基站定位服务和GPRS为监控人员提供准确的定位信息。监控人员通过给移动终端发送短消息
请求，所述SIM908模块中的GPS模块接收来自GPS卫星的经纬度信息，再传送给STM32控制器，所述STM32控制器截取定位信息，通过SIM908模块中的GPRS模块实时将定位信息发送到上位机。上位机通过短信接收机器人的经纬度信息，完成定位工作。本发明采用GPS+LBS的方式定位，GPS与LBS之间灵活转化，相辅相成，提高了定位的精度，增加了可定位的范围。
[0010] 进一步，所述车身驱动系统包括电机驱动模块和履带式车身，所述电机驱动模块选用BTN7971B驱动芯片，BTN7960B是一款集成度很高的大
电流半桥驱动芯片，抗干扰能力强，以PWM或电平方式控制履带式车身速度，使用时需2个芯片构成H桥驱动
电路。
[0011] 进一步，所述上位机移动控制系统采用Android智能手机，智能手机安装有监测系统APP应用程序，监测系统的应用程序在Eclipse的开发环境中应用Java语言编写完成。
[0012] 进一步，所述电源模块包括
镍镉电池组、电源变换器和
电压监测传感器。
[0013] 进一步，所述矿井环境信息采集系统中，O2浓度传感器采用OCS-3C来检测采集点的
氧气浓度和流量，瓦斯浓度传感器选取SM-CH4用来检测采集点的甲烷含量，烟雾浓度传感器选用MQ-2来检测采集点烟雾浓度，温湿度传感器选择DHT11来检测采集点的
温度和湿度。
[0014] 进一步，所述机器人姿态监测系统中，三轴加速度计选择MMA7260用来检测三轴加速度参数，
超声波传感器选用HC-SR04用来检测前方有无障碍物，指南针模块选取IIMC58831用来确定机器人方向信息。
[0015] 进一步，所述时钟模块采用DS1302芯片，所述SD卡采用TXS02612芯片。
[0016] 比到已有技术，本发明有益效果是：本发明通过在履带式车身上搭载检测设备实现了对矿井环境信息、被困人员位置的探测，比起已有的矿井搜救机器人，体积小，重量轻，成本低，便于携带，采集信息种类多，自动性和可控性高。能够将采集到的视频数据、矿井环境信息及机器人定位信息实时回传。采用STM32系列高性能芯片作为控制器，发挥其自身A/D模数转换器强大的模数转换功能，采用S5PV210芯片作为
信号处理器利用其运算速度快的特点，使得矿井多功能搜救机器人系统更加高效和完善。矿井搜救人员只需携带一部安装了监控APP的智能Android手机，通过手机控制机器人运行姿态、获取环境信息的实时数值、摄像头回传的视频信息以及机器人定位信息，大大缩短了救援等待时间。
附图说明
[0017] 附图1为本发明的连接
框图，用于表明系统各模块的结构连接。
[0018] 附图2为本发明机器人运行控制的工作
流程图，用于表明机器人运行控制原理及各模块的工作顺序和流程。
[0019] 附图3为本发明矿井环境信息采集系统的工作流程图，用于表明系统采集矿井环境信息参数时各模块的工作顺序和流程。
[0020] 附图4为本发明井下机器人定位系统的工作流程图。
[0021] 附图5为本发明手机APP应用程序运行界面分布图，用于显示监测系统的视频信息、环境信息参数以及控制机器人的运行状态。
[0022] 附图6为本发明电源模块的连接框图，用于表明电源模块的组成部分和结构连接。
[0023] 图中：10、矿井环境信息采集系统，11、O2浓度传感器，12、瓦斯浓度传感器，13、烟雾浓度传感器，14、温湿度传感器，15、信号调理模块。20、机器人姿态监测系统，21、指南针模块，22、超声波传感器，23、三轴加速度计。30、车身驱动系统，31、电机驱动模块，32、履带式车身。40、SIM908模块。50、STM32控制器。60、S5PV210处理器。70、电源模块，71、镍镉
电池组，72、电压监测传感器，73、电源变换器。80、OpenWrt路由器，81、摄像头，82、SD卡，83、时钟模块。90、Android智能手机。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：参照附图1和2，本发明是一种基于手机客户端多功能矿井搜救机器人，包括下位机检测系统和上位机移动控制系统。所述下位机检测系统包括STM32控制器50，所述STM32控制器50通过电源线和矿井环境信息采集系统10、S5PV210处理器60、电源模块70、SD卡82、OpenWrt路由器80以及时钟模块83连接。所述S5PV210处理器60和机器人姿态监测系统20、车身驱动系统40通过电源线相连。
[0025] 所述矿井环境信息采集系统10包括O2浓度传感器11、瓦斯浓度传感器12、烟雾浓度传感器13、温湿度传感器14和信号调理模块15。所述O2浓度传感器11、瓦斯浓度传感器12、烟雾浓度传感器13、温湿度传感器14和信号调理模块15输入端相连，传感器分别将采集井下的O2浓度参数、瓦斯浓度参数、烟雾浓度参数和温湿度参数传送至信号调理模块15，所述信号调理模块15将传送来的模拟信号进行滤波、放大和偏置处理。所述信号调理模块15输出端和STM32控制器50的A/D模数转换器对应的GPIO口相连，STM32控制器50的A/D模数转换器能够将采集到的模拟信号转换为数字信号，属于12位逐次逼近型的模拟数字转换器，共有3个ADC控制器，最多支持16个外部通道。当采样多个通道时，使用DMA（Direct Memory Access）传输方式可以避免数据丢失。所述STM32控制器50采用ADC（模/数转换）校正算法对采样过程进行校正，以提高ADC（模/数转换）的采样精度，且采样
频率必须满足Nyquist采样定理。所述STM32控制器50将分析处理后的数据存入SD卡82，完成矿井环境信息的采集工作。
[0026] 所述机器人姿态监测系统20包括指南针模块21、超声波传感器22和三轴加速度计23。所述指南针模块21、超声波传感器22、三轴加速度计23和S5PV210处理器60的输入端相连，分别将传感器监测到的机器人方向信息、前方有无障碍物信息以及机器人三轴加速度参数传送给S5PV210处理器60。所述S5PV210处理器60通过姿态控制算法对数据进行分析处理，从而通过控制电机驱动模块31，以PWM（脉冲宽度调制）方式调节相应直流无刷电机转速进而调整机器人姿态。
[0027] 所述SIM908模块40通过电源线和STM32控制器50相连。所述SIM908模块40包括GPS模块和GPRS模块，所述SIM908模块利用GPS全球定位系统、LBS基站定位服务和GPRS为监控人员提供准确的定位信息。本发明采用GPS+LBS的方式定位，GPS与LBS之间灵活转化，相辅相成，提高了定位的精度，增加了可定位的范围。
[0028] 所述STM32控制器50和S5PV210处理器60为整个系统的核心。所述STM32控制器50为整个系统的控制核心，选用TI公司的Cotex-M3内核处理器STM32F103ZET6，控制各模块的运行和通信。所述S5PV210处理器60为整个系统控制算法运算和分析处理中心，该处理器为三星公司的Cotex-A8内核处理器，STM32控制器50和S5PV210处理器60通过SPI通信方式实现数据传输。
[0029] 所述多功能矿井搜救机器人采用电源模块70为各模块的正常运行提供
电能，所述电源模块70包括
镍镉电池组71、电压监测传感器72和电源变换器73。通过电压监测传感器72，实时监测电池剩余电量，便于把握机器人连续工作时间和续航能力。电源变换器73通过DC-DC变换，将
电源电压转换成系统各模块所需的不同电压为整个系统供电。
[0030] 所述OpenWrt路由器80是多功能矿井搜救机器人系统的通信中枢，所述OpenWrt路由器80是在普通路由器TL-WR703N
基础上刷入了OpenWrt
固件，即在路由器上安装了一个嵌入式Linux系统。该固件系统包含kmod-vedio-core、mjpg-streamer和ser2net组件，它们分别具有视频设备驱动、视频
服务器以及串口转网口的功能。OpenWrt系统是一个高度模块化、自动化的嵌入式Linux系统，拥有强大的网络组件和扩展性能，多被用于工控设备、小型机器人、智能家居、路由器以及VOIP设备中，用户可按需求定制一个具有特定功能的
嵌入式系统来制作固件。所用的OpenWrt固件是在基于Linux的开源
操作系统RedHat6.5企业版中配置编译完成。
[0031] 所述OpenWrt路由器80和上位机移动控制系统之间通过TCP协议实现通信，摄像头81与OpenWrt路由器80通过USB接口连接。OpenWrt路由器80将摄像头81采集到的视频数据通过编码转化为视频流传入WiFi信道。上位机通过创建连接获取视频流信息。然后通过网络编程、视频解码等将视频信息转化为动态图像，在手机屏幕上显示。上位机发送控制命令并将其转换成相对应的数据包，利用WiFi传输到OpenWrt路由器80上，OpenWrt路由器80将数据包发送到TTL串口，所述OpenWrt路由器80的TTL串口和STM32控制器50串口相连，连接方式为：OpenWrt路由器80的TTL串口的TXD、RXD和GND分别与STM32控制器50串口的RXD、TXD和GND连接。STM32控制器50将接收的数据包转换为控制指令，控制相应模块完成动作。同样地，STM32控制器50可以将采集到的矿井环境、车身方位信息转换成数据包以同样的方式回传给上位机，并在手机屏幕上对应位置显示，从而能够实现上位机和下位机之间的数据通信。该通信方式可靠性高且速度快。
[0032] 所述上位机移动控制系统采用Android智能手机90，所述Android智能手机90安装了监测系统的APP，监测系统的应用程序在Eclipse开发环境中运用Java编写完成，可以将传送来的矿井环境信息、视频信息、车身方位信息在手机屏幕上实时显示。
[0033] 所述时钟模块83选用DS1302芯片，为系统提供一致的时间。
[0034] 参照附图2和5，当搜救人员控制机器人运行时，搜救人员只要携带一部安装了监测系统APP的Android智能手机90并连接上OpenWrt路由器80的WiFi网络，通过手机APP界面触屏按键发送控制命令，所述OpenWrt路由器80通过WiFi网络接收到手机指令，通过TTL串口的TXD引脚传输给STM32控制器50的RXD引脚，STM32控制器50通过SPI通信方式和S5PV210处理器60连接，S5PV210处理器60控制机器人姿态监测系统20进行工作，将机器人姿态监测系统20检测到的机器人三轴加速度参数、方向信息和前方有无障碍物信息回传到S5PV210处理器60中，S5PV210处理器60将参数信息运用控制算法分析处理，得到机器人的运行姿态信息。然后以PWM（脉冲宽度调制）方式控制电机驱动模块31，进而对履带式车身32进行转速调整，改变机器人运行姿态。搜救人员通过回传的视频数据，应用APP的方向、速度调整按键，协调机器人进行运行姿态的调整。
[0035] 参照附图3和5所示，当系统采集矿井环境信息时，搜救人员只要携带一部安装了监测系统APP的Android智能手机90并连接上OpenWrt路由器80的WiFi网络，所述OpenWrt路由器80通过WiFi网络接收到上位机指令，通过TTL串口的TXD引脚传输给STM32控制器60的RXD引脚，STM32控制器50控制相应模块采集矿井环境信息参数，将采集到的矿井环境信息参数通过信号调理模块15处理后，发送到STM32控制器50的A/D模数转换器将模拟信号转换为数字信号，STM32控制器50将计算处理得到的采集点的O2浓度参数、瓦斯浓度参数、烟雾浓度参数和温湿度参数发送到SD卡82保存，并通过STM32控制器50串口的TXD引脚传输给OpenWrt路由器80的RXD引脚，OpenWrt路由器80通过WiFi回传给Android智能手机90，在手机屏幕上实时显示。
[0036] 参照附图4，为本发明多功能矿井搜救机器人定位的工作流程图，机器人定位工作包括STM32控制器50采集SIM908模块40中GPS模块的数据，STM32控制器50通过SIM908模块40中GPRS模块发送数据两部分。搜救人员通过给移动终端发送短消息请求，SIM908模块40中的GPS模块接收来自GPS卫星的经纬度数据信息，再传送给STM32控制器50，STM32控制器
50从传送回来的信息中截取定位信息，通过SIM908模块40中GPRS模块将经纬度数据信息以短信方式发送到Android智能手机90上。短消息发送采用的是TEXT协议，根据GPRMC协议判断定位是否有效，若无效，则监控人员将不能收到任何返回信息；若有效，监控人员将收到含经纬度数据的定位消息。
[0037] 参照附图5，本发明手机APP运行界面分布图，搜救人员可以通过方向和速度控制按键控制机器人运行的方向和速度，也可通过实时录像和实时拍照触屏按键控制机器人对采集点进行录像和拍照。主屏幕上共五个小的显示窗口，可以显示回传的采集点的温湿度参数、电池剩余电量百分比、O2浓度参数、瓦斯浓度参数和烟雾浓度参数。通过主屏幕显示回传的视频数据，可以确定机器人的运行姿态、环境信息及井下被困人员位置信息。
[0038] 本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
