一种基于Linux嵌入式系统的矿井搜救机器人技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于Linux嵌入式系统的矿
井搜救机器人。
背景技术
我国是一个产煤大国，同时煤也是我国主要的能源。我国煤矿数量多，
而且规模不一。近年来，矿难时有发生，每年上百次的矿难事故，成千名矿
工的死亡，已成为我过社会一个日益严峻的问题。煤矿安全形势刻不容缓。
由于灾难发生后煤矿通道狭隘，复杂的矿洞巷道，严重超标的一氧化碳浓度，
以及瓦斯爆炸和矿洞再次坍塌等二次灾难，都将给矿难救援带来极大的困难。
在煤矿复杂多变的环境下，伤亡往往在顷刻便会发生。而当矿难发生时，大
型救援设备通常都无法立即到达。井下存在有毒气体等，都给人工救援带来
阻碍。因此，使用能够代替人类执行危险、复杂的矿井搜救任务的机器人，
有着其非常重要的现实意义。
发明内容
本发明针对目前国内矿难频发的状况以及国内外的机器人研究现状，提
出了一种基于Linux嵌入式的矿井搜救机器人，可有效、智能地执行井下搜
救任务，便于矿难发生时被困人员的快速搜救，其采用Linux嵌入式内核构
建搜救机器人的控制系统，具有良好的实时性和可靠性，可实现自动搜索、
联动搜索、井下多种环境参数检测、灾难现场图像传输、传感器数据融合、
机器人井下定位等多种功能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明包括搭载多种传感器的搜救机器人本体、外围设备、控制运动状
态及速度的搜救机器人动力系统和用于定位及组网的搜救机器人无线通信模
块；所述的搜救机器人本体包括底仓、中仓和上仓；所述的中仓内设有电源
模块、控制外围设备及实现搜救算法的控制核心；所述的上仓内设有实时检
测井下环境的井下环境信息检测系统和无线传感器模块；所述的外围设备包
括机械臂、车前取景器和雷达；所述的机械臂为六自由度机械臂，安装在上
仓顶部；所述的车前取景器安装在上仓的前部，可调节视角；两个雷达安装
在底仓的前侧外部。
所述的底仓包括底仓侧挡板、底仓前后挡板和底盘；所述的底仓侧挡板
为左右两块，与底盘之间均通过螺母连接，与底仓前后挡板通过连接件连接；
所述的连接件为两片相互垂直的钢片焊接而成。
所述的车前取景器采用1080P的高清红外夜视摄像头。
所述的雷达确定被测距离S的计算公式如下：
V＝331.5+0.607T
S
=
V
×
t
2
=
V
(
t
1
-
t
0
)
2
]]>
式中，V为超声波在空气中的传播速度、T为环境温度、S为被测距离、t为
雷达发射超声波脉冲与接收脉冲回波的时间差、t1为脉冲回波接收时刻、t0
为超声波脉冲发射时刻。
所述的机械臂包括基座、后臂、前臂、机械腕和机械爪；所述的基座与
上仓构成转动副；第一舵机与上仓固定，并驱动基座旋转；第二舵机与基座
固定，并驱动后臂；第三舵机与后臂固定，并驱动前臂；第四舵机与前臂固
定，并驱动机械腕；第五舵机与机械腕固定，并驱动机械爪；所述机械爪的
两个关节通过第六舵机实现关合。
所述的搜救机器人动力系统包括轮胎、电机和电机驱动板；所述的电机
驱动板有两块，一块驱动板驱动两个电机，所述的电机驱动板为AQMH2407ND
双路隔离直流电机驱动模块；所述的轮胎为越野轮胎。所述的电机为冯哈伯
12V空心杯行星齿轮减速电机；电机与底仓固定；电机上带有编码器；电机的
输出轴通过联轴器与轮胎的转轴连接；所述的轴联器通过固紧螺丝卡紧电机
的输出轴，通过花键与轮胎的转轴配合。
所述的搜救机器人无线通信模块包括金属屏蔽盒和ZigBee电路板。所述
的ZigBee电路板型号为ZM2410；ZigBee电路板固定在金属屏蔽盒中，ZigBee
电路板上连有天线。
所述的电源模块包括充电头、电源和电源转换模块；所述的控制核心为
基于ARM920T架构的S3C2410处理器。
所述的无线传感器模块包括M2301湿度传感器、MQ2烟雾传感器、BIS0001
热释电红外传感器。
本发明的控制系统软件平台包括系统应用层、系统内核层及系统硬件层。
所述的系统应用层包括无线通讯程序、运动控制程序、信号采集程序、图像
处理程序、算法控制程序和联动组网程序；所述的系统内核层包括无线通信
驱动、机械臂驱动和电机控制驱动；所述的系统硬件层包括嵌入式处理器、
总线接口及外围存储设备。所述的系统硬件层提供控制核心及其外围芯片的
底层函数支持。
系统应用层的各个程序设计思路如下：
无线通讯程序与ZigBee模块之间通过串口传输数据，初始化设置无线通
信程序，需将通信协议设置为802.11g通讯协议；无线通信程序配置完毕后，
便实时与上位机保持通讯，传输数据。
运动控制程序进入系统后需初始化电机驱动模块，初始化完毕后，Linux
操作系统实时读取电机编码器的值，控制核心对当前环境参数信息及搜索算
法进行数据融合分析后调整电机运行状态，改变搜救机器人的运动状态。
信号采集程序在无线传感器模块初始化完毕后，便时刻采样传感器值，
并将参数信息传递至无线通信程序发送给上位机。
图像处理程序在进入Linux系统后需初始化车前取景器，根据需求配置
通讯协议，此后图像处理程序开始工作，将灾难现场的图像实时地传送到无
线通讯程序，无线通讯程序再将这些图像信息传送到上位机，上位机通过实
时显示现场图像信息。
算法控制程序在初始化算法配置后，便根据现场参数实时调整算法，待
上位机发出调整算法命令时，算法控制程序便对新的算法进行初始化配置。
联动组网程序在进入Linux系统后，便一直等待上位机发出组网命令，
待接收到组网指令后便开始组网。
控制核心上搭载了Linux操作系统；运动控制程序存储在运动控制模块
中，无线通讯程序存储在无线通讯模块中，信号采集程序存储在信号采集模
块中；控制核心控制运动控制模块、无线通讯模块、机械臂、车前取景器及
信号采集模块；无线通讯模块与控制核心通过RS232接口实现通讯；机械臂
与控制核心通过RS485接口实现通讯；车前取景器通过RS232接口与控制核
心实现通讯；无线传感器模块与信号采集模块通过IIC接口实现通讯。
本发明具有的有益效果在于：与传统的搜救机器人相比，可靠性能高，
性能更完善。通过本体上搭载的机械手臂及多种环境探测传感器，可完成多
种搜救任务，同时通过本体上搭载的ZigBee无线传感器模块，可实现多机器
人通讯及组网，搜救效率高、协同性好。
附图说明
图1是本发明的整体结构立体图；
图2是本发明的机械臂结构立体图；
图3是本发明的底仓结构立体图；
图4是本发明中搜救机器人动力系统的结构示意图；
图5是本发明的电机示意图；
图6是本发明中无线传感器模块的示意图；
图7是本发明的中仓结构示意图；
图8是本发明的上仓结构示意图；
图9是本发明的控制系统软件平台系统架构图；
图10-1是本发明的无线通信程序框图；
图10-2是本发明的运动控制程序框图；
图10-3是本发明的信号采集程序框图；
图10-4是本发明的图像处理程序框图；
图10-5是本发明的算法控制程序框图；
图10-6是本发明的联动组网程序框图；
图11是本发明的搜救机器人硬件系统框图。
具体实施过程
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，一种基于Linux嵌入式系统的矿井搜救机器人，包括搜救
机器人本体、外围设备、搜救机器人动力系统和搜救机器人无线通信模块；
搜救机器人本体包括底仓5、中仓6和上仓7；外围设备包括机械臂2、车前
取景器3和雷达4；机械臂2为六自由度机械臂，安装在上仓7顶部；车前取
景器3安装在上仓的前部，可上下调节视角；两个雷达4安装在底仓5的前
侧外部。
车前取景器3采用1080P的高清红外夜视摄像头，其分辨率高达
1920×1080，屏幕的播放刷新速度为30fps，支持3D数字降噪及数字宽动态，
红外照射距离为30m，支持ONVIF、PSIA、CGI、ISAPI、TCP/IP、802.1X等多
种接口协议，工作温度为-80℃～100℃，电源供应为DC12V、2A，功耗为5.5W。
雷达4可在搜救机器人前行时对当前路况进行建模，将建模出来的三维
立体路面反馈到控制核心，从而实现搜救机器人的爬坡、避障等功能。被测
距离S计算公式如下：
V＝331.5+0.607T
S
=
V
×
t
2
=
V
(
t
1
-
t
0
)
2
]]>
式中，V为超声波在空气中的传播速度、T为环境温度、S为被测距离、t为
雷达4发射超声波脉冲与接收脉冲回波的时间差、t1为脉冲回波接收时刻、t0
为超声波脉冲发射时刻。
如图2所示，机械臂2包括基座36、后臂37、前臂38、机械腕39和机
械爪29；基座36与上仓7构成转动副；第一舵机30与上仓7固定，并驱动
基座36旋转；第二舵机31与基座36固定，并驱动后臂37；第三舵机32与
后臂37固定，并驱动前臂38；第四舵机33与前臂38固定，并驱动机械腕
39；第五舵机34与机械腕39固定，并驱动机械爪29；机械爪的两个关节通
过第六舵机35实现关合；机械臂通过六个舵机实现了移动及旋转6个自由度，
可接受指令，精确地定位到三维空间上的某一点进行作业，为搜救机器人清
楚路障、搜救任务的有效执行提供了便利性。
如图3所示，底仓5包括底仓侧挡板8、底仓前后挡板10和底盘13；底
仓侧挡板8为左右两块，与底盘13之间均通过螺母11连接，与底仓前后挡
板10通过连接件12连接；连接件12为两片相互垂直的钢片焊接而成；底仓
侧挡板8外侧开设电机固定孔9。
如图4所示，搜救机器人动力系统包括轮胎1、电机16和电机驱动板18。
电机驱动板18有两块，一块驱动板驱动两个电机16，电机驱动板18为
AQMH2407ND12V/24V7A双路隔离直流电机驱动模块。每块电机驱动板18具
有双路电机接口，每路额定输出电流7A，具有3线控制使能、正反转及制动
逻辑控制端口，控制信号采用灌电流驱动方式，支持绝大多数单片机直接驱
动，且采用光电耦合对全部控制信号进行隔离。轮胎1为耐磨越野轮胎，其
上有多种花纹，增加轮胎摩擦力。
如图5所示，电机16为冯哈伯12V空心杯行星齿轮减速电机，其空载转
速为8100RPM，减速转速为120RPM，输出功率达60W，空载电流为500mA。电
机16通过电机固定盖15与底仓侧挡板8的电机固定孔9固定；电机16上带
有编码器17，实现电机转速的数字化输出；电机16的输出轴通过联轴器14
与轮胎1的转轴连接；轴联器通过固紧螺丝40卡紧电机16的输出轴，通过
花键41与轮胎1的转轴配合，电机16便通过轴联器14拖动轮胎1转动。
如图6所示，搜救机器人无线通信模块包括金属屏蔽盒20和ZigBee电
路板21。金属屏蔽盒20是用来屏蔽外界噪声干扰；ZigBee电路板21型号为
ZM2410，内嵌串口透明传输(点对点和点对多点)通讯协议，可实现点对点
(P2P)、无线组网、无线语音等多种功能；ZigBee电路板固定在金属屏蔽盒
20中，ZigBee电路板上连有天线19用来收发信号。
如图7所示，中仓6内设有电源模块和控制核心。电源模块包括充电头
22、电源23和电源转换模块24。电源23型号为6-DZM-12，额定电压为12V，
额定容量为12Ah；电源转换模块为+12V转+5V及+12V转+3.3VDC-DC变换模
块；控制核心为基于ARM920T架构的S3C2410处理器，其最高主频可达203MHz，
并支持SPI、IIC、CAN等多种总线扩展方式，共有117个I/O口和24路外部
中断；主核心安置在主控板25上，其外部扩展了64MB的SDRAM作为程序运
行空间和存储空间。
如图8所示，上仓内设有井下环境信息检测系统及无线传感器模块。无
线传感器模块包括M2310温湿度传感器26、MQ2烟雾传感器27、BIS0001热
释电红外传感器28。
如图9所示，控制系统软件平台包括系统应用层、系统内核层及系统硬
件层。系统应用层包括无线通讯程序、运动控制程序、信号采集程序、图像
处理程序、算法控制程序、联动组网程序；系统内核层包括无线通信驱动、
机械臂驱动、电机控制驱动；系统硬件层包括嵌入式处理器、总线接口及外
围存储设备。
系统硬件层主要提供控制核心及其外围芯片的底层函数支持。系统硬件
层启动程序为Uboot1.16。系统内核层主要是外接设备驱动程序，Linux操作
系统将所有的设备都看作文件。用户可通过调用open、close、read、write
等函数对硬件设备进行操作。
系统应用层的各个程序设计思路如下：
如图10-1所示，无线通讯程序与ZigBee模块之间通过串口传输数据，
初始化设置无线通信程序，需将通信协议设置为802.11g通讯协议；无线通
信程序配置完毕后，便实时与上位机保持通讯，传输数据。
如图10-2所示，运动控制程序进入系统后需初始化电机驱动模块，初始
化完毕后，Linux操作系统实时读取电机编码器的值，控制核心对当前环境参
数信息及搜索算法进行数据融合分析后调整电机运行状态，改变搜救机器人
的运动状态。
如图10-3所示，信号采集程序在无线传感器模块初始化完毕后，便时刻
采样传感器值，并将参数信息传递至无线通信程序发送给上位机。
如图10-4所示，图像处理程序在进入Linux系统后需初始化摄像头，根
据需求配置通讯协议，此后图像处理程序开始工作，将灾难现场的图像实时
地传送到无线通讯程序，无线通讯程序再将这些图像信息传送到上位机，上
位机通过实时显示现场图像信息。
如图10-5所示，算法控制程序在初始化算法配置后，便根据现场参数实
时调整算法，待上位机发出调整算法命令时，算法控制程序便对新的算法进
行初始化配置。
如图10-6所示，联动组网程序在进入Linux系统后，便一直等待上位机
发出组网命令，待接收到组网指令后便开始组网。
如图11所示，搜救机器人硬件系统的控制核心为S3C2410处理器；控制
核心上搭载了Linux操作系统；运动控制程序存储在运动控制模块中，无线
通讯程序存储在无线通讯模块中，信号采集程序存储在信号采集模块中；控
制核心控制运动控制模块、无线通讯模块、机械臂、车前取景器及信号采集
模块；无线通讯模块与控制核心通过RS232接口实现通讯；机械臂与控制核
心通过RS485接口实现通讯；车前取景器通过RS232接口与控制核心实现通
讯；温湿度传感器、烟雾传感器、热释电红外传感器与信号采集模块通过IIC
接口实现通讯。