一种基于嵌入式Linux的井下多轴机械臂控制系统的制作方法

本技术属于井下多轴机械臂控制，尤其涉及一种基于嵌入式linux的井下多轴机械臂控制系统。

背景技术：

1、煤炭是我国一次性消费能源中经济可靠的资源，一直在我国能源生产总量和消费总量中占据重要地位，是我国能源安全的压舱石。煤矿智能化是我国煤矿发展的新阶段，作为煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，引领煤炭生产力和生产方式革命的新方向，对于提升煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义。

2、目前，与煤矿成套采掘装备技术相比，我国煤矿辅助作业自动化水平远落后于国外采煤发达国家，煤矿井下辅助作业的人力成本占煤矿开采的总人力的比重约3/4，导致煤矿开采间接成本过高。

3、井下辅助架管是煤矿辅助开采的重要组成之一，目前国内煤矿管道的自动化安装程度低，传统的人工架设风、水管道一般在煤炭开采前及时架设，劳动力消耗大，对此，在国家煤矿安监局发布的《煤矿机器人重点研发目录》中，鼓励支持研发替代人工进行井下风、水管路安装的管道安装机器人，要求具备管路抓取、精确调位、快速连接和遥控操作等功能。在上述背景下，本文开展煤矿井下多轴机械臂系统研究，改变传统煤矿工人在井下安装管道的作业方式和工作条件，减轻劳动强度，提高煤矿井下管道安装的工作效率，促进智能矿山技术发展，推动煤企“无人化和少人化”发展进程。

4、目前，国内外对于煤矿井下辅助管道安装设备研究较少，大多数矿企仍采用传统人工安装。宋和义基于传统机械手爪和钻机设计经验，研究设计了一种集运管、架管、接管、固管为一体的煤矿巷道架管装备。该文献是从机械结构的角度设计架管设备，进而实现少人化操作。宋和义和陈瑞云等进一步开展了辅助架管机械手爪的优化设计。但是，上述文献中研究的辅助管道安装的架管机主要进行了结构设计与运动学分析，仍属于理论研究阶段，仅通过仿真和理论分析验证设计的有效性，未形成设备样机并结合煤矿井下实际巷道场景开展实验分析。

5、目前煤矿辅助作业自动化水平不高，相关设备智能化程度低。其中，煤矿井下辅助管道安装设备研究较少，大多数矿企仍采用传统人工安装，劳动力消耗大。

技术实现思路

1、本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术的提出的目前煤矿辅助作业自动化水平不高，相关设备智能化程度低，且煤矿井下辅助管道安装设备研究较少，大多数矿企仍采用传统人工安装，劳动力消耗大的问题提供一种基于嵌入式linux的井下多轴机械臂控制系统。

2、本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种基于嵌入式linux的井下多轴机械臂控制系统，包含处理器模块、norflash模块、emmc内存模块、电源管理模块、可拓展通信接口、电压信号采集接口、位移传感器通信接口、dac电压输出接口、电流信号采集接口、压力传感器采集接口、wlan无线局域网、can总线通信接口、以太网通信接口、rs485串行通信接口、usb2.0串行通信接口、rs232串行通信接口、激光雷达传感器、数据硬盘、瓦斯传感器接口、温度传感器接口、湿度传感器接口、防爆红外摄像机、电压传感器、位移传感器、电流传感器、压力传感器、瓦斯传感器、温度传感器、湿度传感器；

4、其中，所述norflash模块、emmc内存模块、电源管理模块、可拓展通信接口、电压信号采集接口、位移传感器通信接口、dac电压输出接口、电流信号采集接口、压力传感器采集接口、wlan无线局域网、can总线通信接口、以太网通信接口、rs485串行通信接口、usb2.0串行通信接口、rs232串行通信接口、数据硬盘分别与处理器模块连接；

5、所述电压信号采集接口与电压传感器连接，所述位移传感器通信接口与位移传感器连接，所述电流信号采集接口与电流传感器连接，所述压力传感器采集接口与压力传感器连接；

6、所述rs485串行通信接口通过瓦斯传感器接口、温度传感器接口、湿度传感器接口分别对应连接瓦斯传感器、温度传感器、湿度传感器；

7、所述以太网接口连接防爆红外摄像机；

8、所述usb2.0串行通信接口、rs232串行通信接口分别连接激光雷达传感器。

9、作为本实用新型一种基于嵌入式linux的井下多轴机械臂控制系统的进一步优选方案，所述处理器模块采用armcortex-a9架构内核的四核心nxpi.mx6q处理器作为控制系统核心单元，该处理器每个核心的主频高达1.2ghz，并拥有1mbl2cache，支持ddr2、ddr3内存。

10、作为本实用新型一种基于嵌入式linux的井下多轴机械臂控制系统的进一步优选方案，所述激光雷达传感器采用海伯森科技的hps-3d160面阵固态激光雷达传感器。

11、作为本实用新型一种基于嵌入式linux的井下多轴机械臂控制系统的进一步优选方案，还包含数据预处理模块，所述瓦斯传感器接口、温度传感器接口、湿度传感器接口通过数据预处理模块连接rs485串行通信接口。

12、作为本实用新型一种基于嵌入式linux的井下多轴机械臂控制系统的进一步优选方案，所述数据预处理模块包含放大电路和双运放带通滤波器，所述放大电路由opa277运算放大器及电阻电容组成，所述双运带通滤波器由2个opa277运算放大器组成；具体包含第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器，其中，信号输入-in端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端分别连接第一电容的一端、第三电阻的一端和第一运算放大器的负电源脚，第一电容的另一端分别连接第三电阻的另一端、第一运算放大器的输出脚，信号输入+in端连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端分别连接第一运算放大器的正电源脚、第四电阻的一端、第二电容的一端，第二电容的另一端连接第四电阻的另一端并接地，第一运算放大器的输出脚连接第五电阻的一端，第五电阻的另一端连接第二运算放大器的正电源脚，第二运算放大器的负电源脚连接第三运算放大器的负电源脚，第三运算放大器的正电源脚分别连接第八电阻的一端、第九电阻的一端，第九电阻的另一端接地，第八电阻的另一端分别连接第七电阻的一端和第二运算放大器的输出脚，第七电阻的另一端连接第四电容的一端，第四电容的另一端分别连接第九电阻的一端，第九电阻的另一端连接第三电容的一端，第三电容的另一端接地。

13、本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

14、1、本实用新型一种基于嵌入式linux的井下多轴机械臂控制系统，基于高性能nxpi.mx6q处理器，嵌入式linux操作系统、多源传感器信号采集，分析与融合处理、多轴液压机械臂及其控制系统，感知井下巷道环境状态数据，如温度信息、湿度信息、甲烷浓度等参数，并对异常环境状态数据进行预警；采集红外视频图像和激光雷达点云数据处理后经整机控制系统上传至远程服务端，服务端基于图像和点云数据进行巷道接管环境三维重建与管架目标识别后，反馈下发机械臂控制指令，调整机械臂动作。

15、2、本实用新型硬件核心仍采用高性能的四核心nxpi.mx6q处理器，系统设计的多种通信接口用于采集多种传感器数据，温湿度，瓦斯浓度传感器采用rs485通信接口；

16、3、本实用新型采用高性能armcortex-a9架构内核的四核心nxpi.mx6q处理器作为控制系统核心单元，该处理器每个核心的主频高达1.2ghz，并拥有1mbl2cache，支持ddr2、ddr3内存，还拥有丰富的存储器和外设接口，它的外围电路设计简单，能够有效降低开发难度和成本。

17、4、本实用新型硬件中的norflash用于存储嵌入式linux操作系统的u-boot，emmc闪存用于存储操作系统，存放可执行程序与数据，最高可支持32gb容量；以太网接口用于实现网络环境下的程序升级，与远程服务端交互以及后期功能的扩展；多路dac控制接口用于实现机械臂油缸、液压马达等部分动作控制。压力传感器、位移传感器、角度传感器等通信接口均采用模拟量输入采集接口；can总线，rs232/485通信接口用于和多轴机械臂其他执行机构和模块连接交互；

18、5、本实用新型激光雷达传感器采用海伯森科技的hps-3d160面阵固态激光雷达传感器，可采用usb通信和rs232通信获取点云数据；设计的以太网通信接口用于获取红外摄像机采集的图像数据。

19、6、本实用新型数据预处理模块包含放大电路和双运放带通滤波器，所述放大电路由opa277运算放大器及电阻电容组成，所述双运带通滤波器由2个opa277运算放大器组成。信号调理电路包括放大电路和双运放带通滤波器，将阵列式传感器采取的的数据进行放大和滤波处理后输入到信号转换电路，大大减小测量中的信号噪声以及信号的损耗，其中放大电路部分由opa277运算放大器及电阻电容组成的放大电路，该电路是典型的差分放大电路，同时，c3和r6，c4与r7组成低通滤波器，由两个opa277运算放大器组成双运放带通滤波器，本设计的带通滤波器q值和中心频率可调，调节r9可以调节电路的谐振频率，调节r8可以调节电路的q值。