一种消防机器人冗余通讯系统的制作方法

本实用新型涉及消防机器人领域，特别是涉及一种消防机器人冗余通讯系统。

背景技术：

目前随着我国科学技术的高速发展，在消防行业领域，特别是消防机器人领域，取得了巨大发展，正在逐步取代国外进口产品，当前我国自主研发、生产的消防机器人已经大量装备到消防部队。

我国生产的消防机器人无论从机器人底盘设计生产、到驱动以及基本配置上都取得了长足的发展，基本上能够满足灾害现场的侦察、灭火、排烟等功能。但是在消防机器人的远程操控、各类传感器信号的传输存在如下缺陷：

遥控器操作不能双向传输、各类传感器信号不能及时反馈到后方操作台、有效控制距离最好的只能做到600m、使得大型灾害救援的安全性得不到充分保证。音视频信号多采用455MHz低频传输，传输距离近、传输延迟量均在秒级别(严重影响到操控可靠性)、不能双向传输，只能起到监视灾害现场作用，不能对机器人进行远程有效、精准操控。有部分消防机器人虽然也组装双向冗余通讯系统，组成模式为；4G网络+455MHz低频传输或微波单相传输+435MHz无线遥控，理念上这种模式是可行的，但是由于灾害现场环境错综复杂往往没有4G网络信号，一旦消防机器人远离后方控制台(超过无线遥控的距离)，就不能对机器人进行有效的操控，原因是市场上微波传输系统一是只能单方向传输音视频信号，二是波长短(微米)，频率高(5.8G)的特性使它不能直接对控制信号(数字的或模拟的)进行传输。然而灾害现场的危险威胁并不是500～700m外就是安全的，比如：大型油库火灾、危险品仓库爆炸，地下隧道的灾害等，其危险威胁的范围较远。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种消防机器人冗余通讯系统，使消防机器人在极端恶劣环境下(无网络信号、超远距离等)仍能有效可靠的操控机器人，拓宽应用领域，提升对救援人员的安全防护等级。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种消防机器人冗余通讯系统，所述冗余通讯系统包括：电动升降装置、信号传输装置和控制台装置；

所述电动升降装置包括：推杆电机、变速箱、推杆、柔性穿线链；所述推杆电机与所述变速箱连接，所述推杆下端与所述变速箱连接，所述推杆上端与所述柔性穿线链连接；

所述信号传输装置安装于所述推杆的上端，所述信号传输装置包括：微波天线、4G天线、遥控天线和电路控制单元；

所述控制台装置位于工作人员控制端，所述控制台装置包括：计算机或平板电脑、第一微波处理器、第一4G网络处理器、第一遥控发/收单元、遥控器和遥控显示屏；所述第一微波处理器和所述第一4G网络处理器均与所述计算机或平板电脑连接；

所述第一微波处理器与所述电路控制单元之间，通过微波天线实现微波信号的双向传输；所述第一4G网络处理器与所述电路控制单元之间，通过4G天线实现4G网络信号的双向传输；所述第一遥控发/收单元与所述电路控制单元之间，通过遥控天线实现遥控信号的双向传输，所述遥控信号的双向传输包括：所述遥控器的遥控信号经过所述第一遥控发/收单元到达所述电路控制单元的第一向传输，还包括所述电路控制单元的遥控信号经过所述第一遥控发/收单元到达所述遥控显示屏的第二向传输。

可选的，所述电路控制单元包括：中央处理器、路由器、交换机、第二微波处理器、第二4G网络处理器、第二遥控收/发单元、遥控CAN总线和机器人PLC控制单元；

所述中央处理器与所述路由器双向连接，所述路由器与所述第二微波处理器双向连接，所述中央处理器的输入端还与所述交换机的输出端连接，所述交换机的输入端与消防机器人的音视频装置连接；所述音视频装置采集的音视频信号传输至所述中央处理器，所述中央处理器依次通过所述路由器、所述第二微波处理器和所述第一微波处理器将所述音视频信号传输至所述计算机或平板电脑，以实现所述音视频信号的微波传输；

所述中央处理器的输出端还与所述机器人PLC控制单元的输入控制端连接，所述机器人PLC控制单元的输出端与所述消防机器人的环境传感器连接，所述计算机或平板电脑将环境传感器的参数控制信号依次通过所述第一微波处理器、所述第二微波处理器、所述路由器和所述中央处理器传输至所述机器人PLC控制单元，以实现所述环境传感器的数据采集的微波控制；

所述机器人PLC控制单元还与所述遥控CAN总线之间双向连接，所述遥控CAN总线与所述第二遥控收/发单元双向连接；所述遥控器将环境传感器的参数控制信号依次通过所述第一遥控发/收单元、所述第二遥控收/发单元、所述遥控CAN总线传输至所述机器人PLC控制单元，以实现所述环境传感器的数据采集的遥控控制；

所述机器人PLC控制单元的输入端还与所述消防机器人的环境传感器连接，所述环境传感器将采集的传感器数据传输至所述机器人PLC控制单元，所述机器人PLC控制单元将所述传感器数据依次通过所述遥控CAN总线、所述第二遥控收/发单元、所述第一遥控发/收单元传输至所述遥控显示屏，以实现所述传感器数据的遥控显示；

所述中央处理器还与所述第二4G网络处理器双向连接，所述中央处理器通过所述第二4G网络处理器和所述第一4G网络处理器将所述音视频信号传输至所述计算机或平板电脑，以实现所述音视频信号的4G传输；所述计算机或平板电脑将环境传感器的参数控制信号依次通过所述第一4G网络处理器、所述第二4G网络处理器和所述中央处理器传输至所述机器人PLC控制单元，以实现所述环境传感器的数据采集的4G控制。

可选的，所述控制台装置还包括：第一微波双向传输单元、第一4G网络传输单元和第一遥控双向传输单元；所述电路控制单元还包括：第二微波双向传输单元、第二4G网络传输单元和第二遥控双向传输单元；

所述第一微波处理器与所述第二微波处理器之间，通过所述第一微波双向传输单元、微波天线和所述第二微波双向传输单元实现微波信号的双向传输；

所述第一4G网络处理器与所述第二4G网络处理器之间，通过所述第一4G网络传输单元、4G天线和所述第二4G网络传输单元实现4G信号的双向传输；

所述第一遥控发/收单元与所述第二遥控收/发单元之间，通过所述第一遥控双向传输单元、所述遥控天线和所述第二遥控双向传输单元实现遥控信号的双向传输。

可选的，所述第一遥控双向传输单元和所述第二遥控双向传输单元的频率均为433MHz。

可选的，所述信号传输装置还包括：微波中继天线，所述微波中继天线用于所述第一微波处理器与所述电路控制单元之间微波通讯的中继连接。

可选的，所述微波天线为4根微波天线，所述4根天线均匀环绕分布在所述推杆上端。

可选的，所述消防机器人包括灭火机器人、侦察机器人、排烟机器人和照明机器人。

可选的，所述音视频装置包括：360度摄像机、云台+摄像机和音频处理器。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型的消防机器人实现了双向冗余通讯过程：通过技术创新实现了微波信号的双向传输并且能够将计算机或PAD的键盘控制信号与微波能够传输的信号匹配，进行有效传输，对机器人本体进行操控。更为重要的是本实用新型彻底颠覆了433MHz遥控传输只能单向传输的传统观念，创造性的开发出遥控系统双向传输系统，把消防机器人的电机驱动参数、各种传感器参数通过遥控CAN总线成功的在后方控制台的遥控显示屏上显示，使后方操作人可以及时准确地掌握前方机器人本身工作状况及灾害现场情况，使得现场救援更加及时、准确。本实用新型是消防机器人通讯控制领域的一次具有划时代的创新实用新型。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型消防机器人冗余通讯系统的立体结构示意图；

图2为本实用新型消防机器人冗余通讯系统的俯视示意图；

图3为本实用新型消防机器人冗余通讯系统的侧视示意图；

图4为本实用新型消防机器人冗余通讯系统中控制台装置的结构示意图；

图5为本实用新型消防机器人冗余通讯系统中电路控制单元的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供一种消防机器人冗余通讯系统，所述冗余通讯系统安装于消防机器人主体上封板上，使消防机器人在极端恶劣环境下(无网络信号、超远距离等)仍能有效可靠的操控机器人，拓宽应用领域，提升对救援人员的安全防护等级。所述消防机器人包括灭火机器人、侦察机器人、排烟机器人和照明机器人等，因此，本实用新型的冗余通讯系统可应用于各种消防机器人。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型消防机器人冗余通讯系统的立体结构示意图；图2为本实用新型消防机器人冗余通讯系统的俯视示意图；图3为本实用新型消防机器人冗余通讯系统的侧视示意图。如图1-图3所示，所述冗余通讯系统包括：电动升降装置、信号传输装置和控制台装置三部分，下面对三部分进行具体说明。

所述电动升降装置包括：推杆电机1、变速箱2、推杆3、柔性穿线链7；所述推杆电机1与所述变速箱2连接，所述推杆3下端与所述变速箱2连接，所述推杆3上端与所述柔性穿线链7连接。上述电动升降装置的使用，使得系统通讯天线整体提升到1.8m以上，而在机器人存放、运输过程中机器人整体高度＜1m，通讯天线的整体提升使得机器人有效通讯距离在原有基础上增加1.5倍左右。对本系统具体测试数据如下：微波通讯距离由1000m增加到1500m(没采用微波中继)，有效遥控通讯距离由700m增加到1200m，提高了消防机器人远程操控、监控能力、体现了实用性、安全性。

所述信号传输装置安装于所述推杆3的上端，所述信号传输装置包括：微波天线4、遥控天线5、4G天线6和电路控制单元8；所述电路控制单元8分别与微波天线4、遥控天线5、4G天线6连接。其中，所述微波天线4由4路组成，4根微波天线均匀环绕分布在所述推杆3上端，形成全方位收发。

所述信号传输装置还包括：微波中继天线9，所述微波中继天线9起到后方控制台装置的微波传输与机器人上方的微波电线互相通讯的中继作用，它与前方微波传输结构、工作原理基本一致，其作用是在超远距离(2000m以上)、地下车库、地铁站、隧道、大型油气库等通讯条件极端恶劣环境下能够正常使用。

所述控制台装置位于工作人员控制端，所述控制台装置包括：计算机或平板电脑、第一微波处理器、第一4G网络处理器、第一遥控发/收单元、遥控器和遥控显示屏；所述第一微波处理器和所述第一4G网络处理器均与所述计算机或平板电脑连接；

所述第一微波处理器与所述电路控制单元之间，通过微波天线4实现微波信号的双向传输；所述第一4G网络处理器与所述电路控制单元之间，通过4G天线6实现4G网络信号的双向传输；所述第一遥控发/收单元与所述电路控制单元之间，通过遥控天线5实现遥控信号的双向传输，所述遥控信号的双向传输包括：所述遥控器的遥控信号经过所述第一遥控发/收单元到达所述电路控制单元的第一向传输，还包括所述电路控制单元的遥控信号经过所述第一遥控发/收单元到达所述遥控显示屏的第二向传输。

具体的，图4为本实用新型消防机器人冗余通讯系统中控制台装置的结构示意图。如图4所示，所述控制台装置包括：计算机或平板电脑401、第一微波处理器402、第一微波双向传输单元403、第一4G网络处理器404、第一4G网络传输单元405、遥控器406、第一遥控双向传输单元407、第一遥控发/收单元408、遥控显示屏409。其中第一微波处理器402和所述第一4G网络处理器404均与所述计算机或平板电脑连接。

控制台装置内第一遥控发/收单元408与遥控显示屏409是集成在一起的，还可以将遥控器406也集成在一起，内部含有遥控CAN总线。操作者可以随时观察到消防机器人的工作状况及现场的环境，以便制定行之有效的救援方案，具有实用性、先进性。

当控制台装置操作遥控按键时，即采用遥控方式对机器人进行控制时，机器人的各种运动、云台的运动、消防水炮的操作、灯具的启停等功能已首先进行了命名，每个按键对应不同的操作码，形成了一系列数据码，通过第一遥控双向传输单元407传输至第一遥控发/收单元408，然后经过第一遥控发/收单元408中的遥控天线发射。装在推杆上的遥控天线接收到信号后，在遥控CAN总线内部进行解码分配，送到机器人PLC控制单元，由PLC控制单元对信号进行转换，形成不同的控制信号去控制各执行机构，这种机理的形成是通过对PLC进行编程实现的，具有唯一性，创造性。

图5为本实用新型消防机器人冗余通讯系统中电路控制单元的结构示意图。如图5所示，所述电路控制单元包括：中央处理器501、路由器502、第二微波处理器503、第二微波双向传输单元504、交换机505、机器人PLC控制单元510、遥控CAN总线511、第二遥控收/发单元512、第二4G网络处理器513、第二4G网络传输单元514。

所述中央处理器501与所述路由器502双向连接，所述路由器502与所述第二微波处理器503双向连接，第二微波处理器503与第二微波双向传输单元504双向连接，实现微波信号的双向传输。

所述中央处理器501的输入端还与所述交换机505的输出端连接，所述交换机505的输入端与消防机器人的音视频装置连接。所述音视频装置包括硬盘录像机506、云台+摄像机507、360度摄像机、音频处理器509。上述音视频装置采集的音视频信号通过交换机505传输至所述中央处理器501，所述中央处理器501依次通过所述路由器502、所述第二微波处理器503和第二微波双向传输单元504将音视频信号以微波形式发送出去。

所述中央处理器501的输出端还与所述机器人PLC控制单元510的输入控制端连接，所述机器人PLC控制单元510的输出端与所述消防机器人的环境传感器连接。所述机器人PLC控制单元还与所述遥控CAN总线511之间双向连接，所述遥控CAN总线511与所述第二遥控收/发单元512双向连接。

所述机器人PLC控制单元510的输入端还与所述消防机器人的环境传感器连接，所述环境传感器将采集的传感器数据传输至所述机器人PLC控制单元510，所述机器人PLC控制单元510将所述传感器数据依次通过所述遥控CAN总线511和所述第二遥控收/发单元512将传感器数据以遥控方式发送出去。

所述中央处理器501还与所述第二4G网络处理器513双向连接，所述中央处理器501通过所述第二4G网络处理器513和所述第二4G网络传输将所述音视频信号以4G网络形式发送出去。

电路控制单元内机器人PLC控制单元510把机器人上的各类环境传感器信号(含驱动电机的各项运动参数：温度、转速、一致性、过流等，障碍物、环境温度、湿度，灯光、电磁阀以及有害气体传感器:大于6种以上、风速等)进行采集处理送到遥控CAN总线511，通过遥控CAN总线511对信号进行整合处理成一串数据码，然后将数据码送到第二遥控收/发单元512，通过第二遥控收/发单元512发送出去，不同信号对应不同数据码，遥控CAN总线511具有数据码容量大、传输速率快、可靠性高特点。第二遥控收/发单元512是经过特殊设计定制的适应遥控CAN总线511通讯具有收发功能的单元，信号通过遥控天线发射。第二遥控收/发单元512具有体积小、容量大，收发射距离远，功率小、效率高的特点，适应于单兵肩挎式操作。

下面从微波信号传输、遥控信号传输和4G信号传输三个方面，对本实用新型冗余通讯系统的双向传输进行进一步阐述：

第一，微波双向传输

实现微波双向传输不是简单的在接收、发射端各安装一套收发装置来实现的，这种结构成本高、体积大、调试难度大，并且收/发信号不能达到系统要求的同步性、一致性。本系统的整体解决方案是利用微波处理器把接收到的微波信号控制信号和需要发送的音视频信号变换成微波载波能够进行收/发的信号按需要进行双向传输。

以PAD发/收为例，当控制台装置作为发射端，电路控制单元作为接收端时，操作PAD上的软按键去控制前方消防机器人，PAD控制信号通过网口送到第一微波处理器将信号进行编码、变换成一组可以搭载微波载波的串码信号通过第一微波处理器送到第一微波双向传输单元内、不同编码对应相应的信号，可以准确判断出信号特征、内容及需要发射或接收，根据操控需要对传输信号进行实时传送。第一微波双向传输单元通过微波天线把PAD的控制信号向外发射。在消防机器人本体上第二微波双向传输单元及第二微波处理器作为接收端使用，它把控制台装置(PAD)发出的含有各种操作指令的串码信号进行解码还原，然后信号通过路由器送入中央处理器进行格式化处理，形成机器人PLC控制单元可识别的控制信号，进而对各类环境传感器以其他参数进行控制。以上技术手段使得控制信号通过微波传输、控制成为可能，具有创造性、先进性。

当控制台装置作为接收端，电路控制单元作为发射端时，其工作原理与上述基本一致，所不同的是电路控制单元的微波传输系统只需要传输来自于360°摄像机、云台+摄像机、音频处理器的音视频信号，这种信号的传送是微波传输的基本功能，更容易实现，作为接收端的控制台装置的微波传输系统只需要在PAD上还原发射端的音视频信号。具体的，各类音视频装置采集的音视频信号依次经过电路控制单元的交换机、中央处理器、路由器、第二微波处理器和第二微波双向传输单元向外发射；控制台装置通过第一微波双向传输单元、第一微波处理器依次将音视频信号传输至PAD。

控制台装置中的计算机或PAD安装了经过创作人员的软件开发、编程的应用程序，程序内部集成了音视频处理，画面选择及分割等内容、软按键编码，，具有创造性、唯一性。这就是本实用新型可进行双向传输的重点部分，实现了消防机器人双向冗余通讯。

本实用新型的微波双向传输是由4个独立系统组成，(由4个微波天线收发)其目的是为了解决微波信号在传输时的极强的方向性要求，(其微波覆盖面小于100°)从根本解决了无论消防机器人在任何工作场合均能可靠收/发信息，360°全方位收/发无死角。经过处理的4路微波信号统一送到路由器中进行整合处理后送到中央处理器，中央处理器内部集成了信号识别、分类处理、记忆存储等多个单元，实现控制信号、音视频信号按需要分配到相应的工作单元，使得线路实际使用更加方便简介、可靠。

第二，遥控双向传输

控制台装置作为发射端，电路控制单元作为接收端时，遥控器接收工作人员的按键，按键指令通过第一遥控双向传输单元、第一遥控发/收单元发射出去，电路控制单元中第二遥控收/发单元接收按键指令，通过遥控CAN总线传输至机器人PLC控制单元，进而根据按键指令进行相应的操作。

当电路控制单元作为发射端，控制台装置作为接收端时，机器人PLC控制单元接收采集的传感器数据，将传感器数据通过遥控CAN总线、第二遥控收/发单元发射出去，控制台装置中第一遥控发/收单元接收传感器数据，并将数据传输至遥控显示屏进行显示。第一遥控双向传输单元和所述第二遥控双向传输单元的频率均为433MHz。

上述遥控信号的双向传输系统，从根本上解决遥控信号难以可靠的进行双向传输的难题，因为遥控载波频率低，波长长，信号通常是经过简单编码，或是485、等方式传输，这种方式在只进行单向通讯，很近的情况下还能够勉强使用，如何进行双向传输由于编码的数量大，再加上距离远，载波信号受各种频率干扰，即使采用大功率收发，也不能把编码信号准确传输，目前在通用领域仍然没能解决433MHz载波的遥控信号进行双向远距离传输(目前较好的是300m左右)。本实用新型遥控信号的双向传输方式，遥控收/发单元具有同时收发双向通讯功能，遥控有效距离＞700m，空旷地带1200m，高抗干扰功能能实现中远距离的高可靠传输。本实用新型采用CAN总线作为顶层结构，J1939为底层通讯协议即CAN-LAY-2下面的子协议，充分利用CAN总线高容量性、高可靠性、高抗干扰性以及本身就支持双向冗余通讯等特性，经过创新技术设计应用到本实用新型中。

第三，4G双向传输

以PAD为例，控制台装置作为发射端，电路控制单元作为接收端时，与微波信号传输一致，操作PAD上的软按键，PAD控制信号通过网口送到第一微波处理器将信号进行编码、变换成一组可以搭载微波载波的串码信号通过第一4G网络处理器送到第一4G网络传输单元内，根据操控需要对传输信号进行实时传送。第一4G网络传输单元通过4G天线把PAD的控制信号向外发射。第二4G网络传输单元接收控制信号，并经过第二4G网络处理器送入中央处理器进行格式化处理，形成机器人PLC控制单元可识别的控制信号，进而对各类环境传感器以其他参数进行控制。

当控制台装置作为接收端，电路控制单元作为发射端时，与微波信号传输方式一致，各类音视频装置采集的音视频信号依次经过电路控制单元的交换机、中央处理器、第二4G网络处理器和第二4G网络传输单元向外发射；控制台装置通过第一4G网络传输单元、第一4G网络处理器依次将音视频信号传输至PAD。

消防机器人安装的音视频装置是为了后方控制台全面系统的掌握灾害、火灾现场的情况，以便远距离操控机器人，为指挥员制定现场救援方案提供依据。其中，360°摄像机是由2组高清红外摄像头、2组高清摄像头组成，分别安装在机器人4个方向，可以清晰显示在机器人四周30m范围内的环境情况，(包括昼夜)，目的是为了满足本实用新型远程操控的需要。在＜500m内，可以通过遥控操作机器人，此时操作者还可以观察机器人周边环境，当需要远距离操控时，一是遥控传输达不到、二是无法观察到现场工作环境，采用360°摄像机从根本上解决了上述问题，远程4G网络控制和微波控制成为可能。

综上所述，本实用新型的冗余通讯系统解决了目前通用型通讯存在的问题，实现了一下几点技术突破：

1、实现了微波双向参数，并且使微波可以传输由按键输出的数字或模拟信号。

2、解决了433MHz的遥控载波并且是在小型系统(指手持式或肩跨式)进行双向传输，利用CAN总线技术一方面提高了传输的可靠性，另外使得各类传感器信号在遥控显示屏上显示。

3、采用多元化的视频监控手段保证了远程操控的可靠性。

整个系统利用了PLC控制器单元、中央处理器、交换机、双向收发模块等硬件的再开发，把CAN总线技术，微波双向传输、遥控双向收发有机地互相融合，解决了相互通讯，增加了软按键的操作功能，简化了系统的结构，即拓展了系统应用领域，又简化了系统结构降低了成本、很大程度上提高整个系统的可靠性。是一款具有唯一性、先进性、科学性、创造性的设计。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。