挂轨巡检机器人系统的制作方法

1.本技术涉及机器人技术领域，具体涉及一种挂轨巡检机器人系统。


背景技术：

2.挂轨巡检机器人是一种运行在轨道上的移动检测装置，由于巡检对象例如输煤胶带机会有一定角度和坡度，所以轨道也会随着输煤胶带机发生一定的弯曲，就要求巡检机器人必须能够实现行走平稳控制。同时，为了防止误撞误伤事故的发生，巡检机器人必须能够自主避障，并对巡检机器人的水平姿态进行实时检测。
3.经发明人长期研究总结发现挂轨巡检机器必须具备以下功能：
4.(1)运动控制功能：通过运动控制算法实现巡检机器人的平稳启停、行进、自由切换运行模式及人工干预机器人的行走；
5.(2)自主避障功能：防止误撞误伤；
6.(3)电池电压动态监测功能：当电池电压低于设定值时，发出报警信息，提醒工作人员更换电池，并自主运行到轨道初始端；
7.(4)水平姿态检测功能：检测巡检机器人在运行时的水平姿态，当水平姿态角大于设定值时，即判断为侧翻，停车报警；
8.(5)瓦斯及温湿度检测功能：检测工作面的瓦斯浓度及温湿度值，在程序中设定安全阈值，当传感器检测到数据值超限时，进行报警提示。
9.但是现有的挂轨巡检机器人功能都比较单一，无法全面满足以上要求。


技术实现要素：

10.为此，本技术提供一种挂轨巡检机器人系统，以解决现有技术存在的挂轨巡检机器人功能都比较单一，无法全面满足要求的问题。
11.为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
12.一种挂轨巡检机器人系统，包括：
13.水平姿态检测模块，用于通过倾角传感器检测巡检机器人在运行时水平角度的变化，并将巡检机器人的水平状态实时传输至dsp模块；
14.速度检测模块，用于通过增量式编码器检测巡检机器人的实时运行速度，并将巡检机器人的实时运行速度传输至所述dsp模块；
15.避障模块，用于通过超声波传感器实时检测行进途中前方障碍物信息，并将障碍物信息实时传输至所述dsp模块；
16.瓦斯检测模块，用于通过气体检测传感器实时检测甲烷浓度，并将甲烷浓度实时传输至所述dsp模块；
17.温湿度检测模块，用于通过温湿度传感器实时检测温湿度数据，并将检测到的温湿度数据实时传输至所述dsp模块；
18.行程检测模块，用于通过磁栅尺检测巡检机器人在轨道上运行的绝对位置；
19.dsp模块，用于接收所述水平姿态检测模块发送的水平倾斜角度，并判断水平倾斜角度是否大于设定值，若水平倾斜角度大于设定值，则判定巡检机器人出现侧翻现象，控制电机停止运行，并向上位机发送故障通知和故障位置；
20.以及接收所述避障模块发送的障碍物信息，根据所述障碍物信息运行避障算法，控制执行避障动作；
21.以及接收所述温湿度检测模块发送的温湿度数据，并根据温湿度数据通过解算算法得到温湿度值后上传至所述上位机显示；
22.以及根据采集的实时速度信号、距离信号生成有效的pwm信号来调控电机转速，并及时处理从串口通信模块得到的所述上位机操作指令；
23.uwb跟机模块，用于实时定位跟踪巡检机器人，并将巡检机器人的位置信息通过无线传输模块上传至所述上位机；
24.所述上位机，用于实时显示巡检机器人的运行状态，并根据巡检机器人的运行状态下发指令；
25.所述串口通信模块，用于实现所述dsp模块与所述上位机之间的通信；
26.所述无线传输模块，用于实现所述dsp模块与所述上位机之间数据的无线传输。
27.作为优选，还包括电压检测模块，所述电压检测模块用于实时检测电池电压，并将电池电压通过所述无线传输模块上传至所述上位机。
28.作为优选，所述电压检测模块采用rs485通信方式，通过所述无线传输模块将电池电压上传至所述上位机。
29.作为优选，所述气体检测传感器为mq气体检测传感器。
30.作为优选，所述温湿度传感器为am2301温湿度传感器。
31.作为优选，所述无线传输模块包括232-lora串口服务器、lora-232串口服务器和232-以太网串口服务器。
32.作为优选，所述水平姿态检测模块支持rs485传输方式。
33.作为优选，所述上位机检测到甲烷浓度超过0.8％的安全阈值时，则控制巡检机器人停车并报警。
34.作为优选，所述上位机检测到温湿度值超过80％时，则控制巡检机器人停车并报警。
35.作为优选，所述挂轨巡检机器人系统的运动控制算法为s型曲线加减速算法。
36.相比现有技术，本技术至少具有以下有益效果：
37.本发明通过各相关功能模块将巡检机器人在运行过程中采集的信息传输给dsp模块，进行数据处理并生成相关的控制信号。dsp模块通过串口通信模块及无线传输模块与上位机进行数据交互，上位机显示巡检机器人的实时运行状态信息并提供人机交互操作界面。uwb跟机模块、电压检测模块及行程检测模块直接通过无线传输模块将实时数据发送给上位机，实现巡检模式切换与更换电池提醒。满足了对挂轨巡检机器人的各种要求，提高了工作效率。
附图说明
38.为了更直观地说明现有技术以及本技术，下面给出几个示例性的附图。应当理解，
附图中所示的具体形状、构造，通常不应视为实现本技术时的限定条件；例如，本领域技术人员基于本技术揭示的技术构思和示例性的附图，有能力对某些单元(部件)的增/减/归属划分、具体形状、位置关系、连接方式、尺寸比例关系等容易作出常规的调整或进一步的优化。
39.图1为本技术实施例提供的挂轨巡检机器人系统的结构示意图；
40.图2为本技术实施例提供的挂轨巡检机器人系统的结构框图；
41.图3为本技术实施例提供的最优速度轮廓的速度、加速度、加加速度曲线图；
42.图4为本技术实施例提供的图梯形加减速的速度、加速度、加加速度曲线图；
43.图5为本技术实施例提供的s型加减速的速度、加速度、加加速度曲线图。
44.附图标记说明：
45.1、dsp模块；2、水平姿态检测模块；3、避障模块；4、速度检测模块；5、温湿度检测模块；6、瓦斯检测模块；7、电源模块；8、串口通信模块；9、电压检测模块；10、uwb跟机模块；11、行程检测模块；12、无线传输模块；13、上位机。
具体实施方式
46.以下结合附图，通过具体实施例对本技术作进一步详述。
47.在本技术的描述中：除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本技术中的术语“第一”、“第二”、“第三”等旨在区别指代的对象，而不具有技术内涵方面的特别意义(例如，不应理解为对重要程度或次序等的强调)。“包括”、“包含”、“具有”等表述方式，同时还意味着“不限于”(某些单元、部件、材料、步骤等)。
48.本技术中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，通常是为了便于对照附图直观理解，而并非对实际产品中位置关系的绝对限定。在未脱离本技术揭示的技术构思的情况下，这些相对位置关系的改变，当亦视为本技术表述的范畴。
49.请参阅图1，挂轨巡检机器人系统由巡检机器人本体、矿井通信网络及监控中心三部分组成，巡检机器人按照功能可划分为四层，有操作层、通信层、控制层及执行层。操作层包括巡检机器人运动控制上位机软件、高清视频与热成像监控软件；通信层包括通信基站、光纤网络及无线基站；控制层包括以dsp2808为核心的控制器及嵌入其中的系统控制软件；执行层包括驱动机构及各功能传感器模块，驱动机构包括驱动电机与驱动器，各功能传感器模块则由超声波传感器、增量式编码器、倾角传感器、温湿度传感器、瓦斯传感器、磁栅尺、uwb测距模块、电压采集模块、高清摄像机、热成像仪组成。
50.请参阅图2，本发明的实施例提供一种挂轨巡检机器人系统，系统主要由dsp模块1、水平姿态检测模块2、速度检测模块4、行程检测模块11、避障模块3、瓦斯检测模块6、温湿度检测模块5、电源模块7、电压检测模块9、uwb跟机模块10、串口通信模块8、无线传输模块12及上位机13组成。其基本的控制工作原理为：各相关功能模块将巡检机器人运行过程中采集的信息(水平姿态角、实时速度、前方障碍物信息、环境温湿度及瓦斯浓度信息)传输给dsp模块1，进行数据处理并生成相关的控制信号。dsp模块1通过串口通信模块8及无线传输模块12与上位机13进行数据交互，上位机13显示巡检机器人的实时运行状态信息并提供人机交互操作界面。uwb跟机模块10、电压检测模块9及行程检测模块11直接通过无线传输模块12将实时数据发送给上位机13，实现巡检模式切换与更换电池提醒。
51.下面就各模块在系统中所发挥的作用及工作方式进行具体说明：
52.dsp模块1，dsp模块1是整个控制系统的核心部件，主要功能包括根据传感器所采集的实时速度信号、距离信号生成有效的pwm信号来调控电机转速，处理瓦斯传感器及温湿度传感器检测到的数据，及时处理从串口通信模块8得到的上位机13的操作指令，实现巡检机器人的正常工作。
53.水平姿态检测模块2，水平姿态检测模块2利用倾角传感器检测巡检机器人在运行时其水平角度的变化，该模块支持rs485传输方式，将巡检机器人的水平状态实时发送给dsp模块1，一旦检测到其水平倾斜角度大于设定值时，即判定巡检机器人出现侧翻现象，系统立即停止电机运行，并向上位机13发送故障通知及报告故障位置。
54.避障模块3，避障模块3采用超声波传感器，通过接口电路连接到dsp模块1上，实时检测行进途中前方障碍物信息，dsp模块1根据所获得障碍物信息运行避障算法，执行避障动作，防止误撞误伤。
55.速度检测模块4，速度检测模块4利用增量式编码器来反馈巡检机器人的实时运行速度，建立以速度反馈信号为基础的闭环控制系统来提高电机的控制精度，从而使控制系统获得较好的控制效果.
56.温湿度检测模块5，温湿度检测模块5采用am2301温湿度传感器，该传感器包括一个ntc测温元件、电容式感湿元件及一个8位dsp，传感器通过sda引脚与主控制芯片的pa7引脚相连，将其检测到的温湿度数据上传给主控制器，然后通过解算算法得到温湿度值，并上传给上位机13显示，当程序检测到温湿度值超过80％时，则会停车报警.
57.瓦斯检测模块6，瓦斯检测模块6采用mq气体检测传感器，它的电导率会根据甲烷浓度的改变而改变，通过转换电路将传感器的电导率变化转为与浓度相对应的输出信号并发给主控制器芯片，再经ad转换和数据计算即可得到甲烷浓度值，并将浓度值发送给上位机13显示，当程序检测到浓度超过0.8％的安全阈值时，则会停车报警。
58.电源模块7，电源模块7为蓄电池，蓄电池用来给整个巡检机器人供电。
59.电压检测模块9，巡检机器人是一个移动装置，其上边所有的设备及模块都采用蓄电池供电，因此针对蓄电池电压的实时监测及管理是系统的基本功能之一。电压检测模块9采用rs485通信方式，通过无线传输模块12将数据直接发送给上位机13，根据上位机13电源管理算法来调节巡检机器人的运行，一旦低于电池电压低压阈值，巡检机器人会自动运行至轨道端头位置并提醒工作人员更换电池。
60.串口通信模块8，串口通信模块8是dsp模块1与上位机13之间的通信枢纽，保证两者之间数据的有效传输。
61.uwb跟机模块10
62.行程检测模块11，行程检测模块11采用磁栅尺来检测巡检机器人在轨道上运行的绝对位置，在本发明中，巡检机器人需要在轨道上自主往复巡检及在人工干预模式下控制巡检机器人运行到指定位置，而巡检机器人在轨道上的绝对位置信息是实现自主往复巡检的关键因素。磁栅尺通过检测巡检机器人在轨道上的绝对位移，实现自主往复巡检控制及人工干预运行。
63.无线传输模块12，无线传输模块12由232-lora串口服务器、lora-232串口服务器、232-以太网串口服务器组成，实现dsp与上位机之间数据的无线传输。
64.上位机13，上位机13提供人工交互界面，显示巡检机器人的运行状态，包括运行速度、运行位置、电池电压值、瓦斯浓度值、温湿度值等等，提供巡检机器人控制按钮，用户可按自己需要来调控巡检机器人的速度、控制其运行方向及行进到指定位置、切换运行模式等。
65.本发明提供的提供的挂轨巡检机器人系统，巡检机器人的运行过程中，给定目标速度，巡检机器人从静止或其它速度状态下达到目标速度的时间越短，行走的越平稳则性能越好，除此之外，考虑到巡检机器人需要采用蓄电池供电，采用不同算法在功率耗散上的影响也应该考虑在内，同时在基于dsp考虑算法的可实现度。目前，运动控制中常用的控制算法有梯形加减速算法、s曲线加减速算法。
66.运动控制系统随着电机功率的耗散而导致温度升高，所以需要确保功率耗散最小化或者电机温升最小化。本发明中将一个电机负载抽象为以下几部分：负载惯量j
l
，旋转力矩t
l
，旋转弧度θ，转动时间，转动t，频率d。负载转动惯量j
l
是电机齿轮速率n的减速值对电机的反应。如果再考虑电机的转动惯量jm，那么总的转动惯量j为：
[0067][0068]
负载力矩t
l
减小n倍，形成一个反映值：
[0069][0070]
由此知电机速度轮廓ω必须在时间t内，旋转θ弧度：
[0071][0072]
在旋转过程中，电机产生的力矩函数为：
[0073][0074]
该力矩tg由电流i产生：
[0075]
tg＝ik
t (5)
[0076]
电机电枢中电流产生的功率耗散为i2r，该周期中增加的能量耗散为：
[0077][0078]
当频率为f时，平均功率耗散为：
[0079]
p＝fe (7)
[0080]
电机温升正比于平均耗散功率，比例系数可认为是电机热电阻：
[0081]
t
emp
＝r
th
p (8)
[0082]
将式(4)与(5)代入(6)中，可得
[0083][0084]
进一步分解(9)可以得到如下等式：
[0085][0086]
分析式(10)以得出以下结论：
[0087]
摩擦力矩tf所产生的功率耗散与速度轮廓ω无关，所以在确定最优速度轮廓ω时，可以不必考虑摩擦力矩tf带来的影响。
[0088]
在分析算法对控制系统的影响时，响应时间是基本的要求，即从当前速度v0加速到目标速度v
t
的时间t要越小越好，即加速度值a要尽可能比较大，同时保证耗散能量最小。
[0089]
a＝(v
t-v0)/t (11)
[0090]
因此需确定一个速度函数ω(t)，在满足、ω(0)＝0和的条件下，保证电机耗散能量e的值最小：
[0091][0092]
式(12)中，j为电机与负载的总转动惯量，t为当前速度v0加速到目标速度v
t
的时间，r和k
t
为电机的物理参数。
[0093]
由最优化求解方法来确定速度函数ω(t)，构造拉格朗日函数
[0094][0095]
式(13)中，λ为拉格朗日系数。
[0096]
由欧拉-拉格朗日方程
[0097][0098]
得
[0099]
λ＝2kω
″
[0100]
解得
[0101][0102]
在满足ω(0)＝0、ω(t)＝0和的条件下，由式(13)可以求得c0＝0，c1＝6θ/t2，λ＝-24kθ/t3，将所求得参数代入式(14)中，即可得到最优速度轮廓为
[0103][0104]
请参阅图3，图3为式(15)函数的速度、加速度及加加速度曲线。
[0105]
在最优速度函数下，电机的能量耗散为：
[0106][0107]
经过上述分析可知，若要使得电机能量耗散最小，电机的最优速度函数是一条抛
物曲线，但从实际应用角度出发，这样的速度曲线产生非常困难，通常是采用梯形加减速曲线或者s型加减速曲线来代替。
[0108]
梯形加减速
[0109]
请参阅图4，梯形加减速曲线分为三个阶段，匀加速、匀速及匀减速，将这三个阶段分为相同的时间间隔，此时的梯形加减速所造成的功率耗散最小。其速度函数如下所示：
[0110][0111]
根据式(12)可以计算，当匀加速、匀速、匀减速三个阶段时间间隔相同时，梯形加减速曲线导致的功率耗散为：
[0112][0113]
与最优速度轮廓相比，功率耗散增加了约12％。从图4可以看出，在整个运行控制过程中，加速度并不连续，在某些点处存在着不连续的阶跃，并且加加速度存在着尖峰脉冲的现象。这样不仅会使巡检机器人的速度运行不平滑，而且也会对机械结构造成冲击，缩减产品使用寿命。
[0114]
s型曲线加减速
[0115]
请参阅图5，s型曲线加减速是在梯形加减速基础上进行了改进，采用了髙阶导数连续的曲线加速度方式来代替梯形加减速中的线性加速度方式，因为其加减速过程的速度曲线类似于s型，因此而命名。s型加减速曲线包括七个阶段，分别为加加速、匀加速、匀减速、匀速、减加速、勾减速、减减速阶段：
[0116]
完整的s曲线加减速由七部分组成，并且加加速、匀加速、匀减速三个阶段的运动时间可取不同的值，故可以得到不同的功率耗散。经计算分析可知，匀速段时间越长，功率耗散越小。类比于梯形速度曲线的加速、匀速、减速三个过程，将s曲线的加速度阶段时间取为t/3，加速度阶段包括加加速、匀加速、匀减速三个阶段且取相同的运行时间，即t1＝t2＝t3＝t/9，经计算可知，此时功率耗散略高于梯形加减速算法。但从图5可以看出，在整个运行控制过程中，加速度连续，加加速度没有尖峰脉冲，所以在机械运动的平稳性方面要比梯形加减速算法控制效果好，这就比较好的保证了巡检机器人的平稳运行。从图5中可以得出，速度、加速度、加加速度三者之间的关系：
[0117][0118][0119]
j(t)为其加加速函数，对其积分可以得到加速度函数a(t)，再进一步对加速度函数进行积分可得到速度函数v(t)。s曲线加减速的具体计算公式如下所示：
[0120]
加加速度计算公式：
[0121][0122]
加速度计算公式：
[0123][0124]
速度计算公式：
[0125][0126]
经过上述分析，梯形加减速算法在功率耗散方面略优于s型加减速算法，但是由于其在运动控制过程中，存在加速度突变，运行控制效果不够理想，而s型加减算法加速度连续无跳变，速度过渡平滑。因此，本系统采用s型加减速算法来对巡检机器人进行加减速调节。
[0127]
通过对巡检机器人功能需求分析，进行了系统整体结构、控制系统及机械结构方面的设计，研究分析加减速算法，确定了s型曲线加减速算法为系统的运动控制算法。
[0128]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合(只要这些技术特征的组合不存在矛盾)，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。
[0129]
上文中通过一般性说明及具体实施例对本技术作了较为具体和详细的描述。应当理解，基于本技术的技术构思，还可以对这些具体实施例作出若干常规的调整或进一步的创新；但只要未脱离本技术的技术构思，这些常规的调整或进一步的创新得到的技术方案也同样落入本技术的权利要求保护范围。