何曉亮,黃曉東,王建宇,高永剛,高 勇

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 遼 寧 大 連 1 16013；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼 寧 沈 陽(yáng)116013）

煤礦事故的應(yīng)急救援根據(jù)事故災(zāi)害的類(lèi)型、事故可能引起的破壞程度和事故地點(diǎn)的實(shí)際環(huán)境采取相應(yīng)救援方案和救援裝備，達(dá)到真正的應(yīng)急救援效果。目前，已經(jīng)研制成功的救援機(jī)器人主要有多履帶式機(jī)器人、腿輪式機(jī)器人、蛇形機(jī)器人和蛛行機(jī)器人等，在災(zāi)害救援中起到了重要作用[1-4]。但是，在井下災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，地面越障機(jī)器人的通過(guò)難度較大，有一定的局限性，不能完全滿(mǎn)足救災(zāi)的需求。為進(jìn)一步完善應(yīng)急救援系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)有效的技術(shù)和裝備，本文提出了一種基于四旋翼飛行器的煤礦井下應(yīng)急救援解決方案。在本方案中以四旋翼飛行器作為載體，動(dòng)態(tài)的建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信信道，將事故地點(diǎn)的環(huán)境情況如瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、溫度等參?shù)和災(zāi)害地點(diǎn)的視頻畫(huà)面實(shí)時(shí)的通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道傳送至救援指揮中心，提供較好的救援依據(jù)。

1 救援系統(tǒng)的組成

四旋翼飛行器的煤礦井下應(yīng)急救援系統(tǒng)由調(diào)度指揮中心、四旋翼飛行器、無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路節(jié)點(diǎn)、布放裝置和數(shù)據(jù)采集終端組成。系統(tǒng)的框圖如圖1所示。指揮調(diào)度中心主要負(fù)責(zé)對(duì)災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)視頻的接收、過(guò)程控制、制定救援任務(wù)的具體方案和救援指導(dǎo)。

圖1 救援系統(tǒng)框圖Fig.1 Rescue system block diagram

四旋翼飛行器主要完成無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路節(jié)點(diǎn)的運(yùn)輸和投放、現(xiàn)場(chǎng)視頻采集、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)采集和人員定位信息的動(dòng)態(tài)搜索，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路節(jié)點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路節(jié)點(diǎn)以接連傳遞方式將數(shù)據(jù)傳送至指揮調(diào)度中心。

無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的上發(fā)和下發(fā)任務(wù)以及人員識(shí)別卡的搜索功能。指揮調(diào)度中心將控制指令發(fā)送給鏈路節(jié)點(diǎn)，鏈路節(jié)點(diǎn)以接力傳遞的方式發(fā)送到遠(yuǎn)處的節(jié)點(diǎn)，控制四旋翼飛行器的飛行，同時(shí)將災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)以接力的方式傳送回指揮調(diào)度中心。

布放裝置負(fù)責(zé)將飛行器攜帶的通信節(jié)點(diǎn)投放到合適的通信地點(diǎn)。

數(shù)據(jù)采集終端以四旋翼飛行器作為載體，完成現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、氧氣和溫度等參數(shù)的采集，現(xiàn)場(chǎng)視頻畫(huà)面的采集和人員定位信息的動(dòng)態(tài)搜索。

2 指揮調(diào)度中心

指揮調(diào)度中心負(fù)責(zé)對(duì)災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)視頻的接收、過(guò)程控制、制定救援任務(wù)的具體方案和救援指導(dǎo)。過(guò)程控制包括對(duì)飛行器飛行姿態(tài)的控制。飛行器的控制由遙控器完成，本設(shè)計(jì)中的遙控器的設(shè)計(jì)采用zigbee技術(shù)，zigbee模塊具有價(jià)格低廉、傳距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)、功耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。

3 四旋翼飛行器的控制與應(yīng)用

四旋翼飛行器是一種電動(dòng)的、能夠垂直起降的、多旋翼式遙控自主飛行器[8-10]。與常規(guī)的旋翼式飛行器相比較，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，不需要專(zhuān)門(mén)的反扭矩槳板，升力大。四旋翼飛行器能夠垂直起降自由懸停，所以可適應(yīng)各種速度及各種飛行剖面航路的飛行狀況，并且起飛著陸場(chǎng)地面積要求小。飛行器飛行高度為幾米到幾百米，飛行速度為每秒幾米到幾十米，能鉆到建筑物或洞穴隧道內(nèi)執(zhí)行偵察任務(wù)。此外四旋翼飛行器還具有體積小、重量輕、成本較低、拆卸方便、易于維護(hù)、飛行高度低、具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性等，特別適合應(yīng)用于煤礦應(yīng)急救援任務(wù)中。

隨著新型材料、微機(jī)電(MEMS)、微慣導(dǎo)(MIMU)、微處理（MCU）器技術(shù)、聚合物高密度電池技術(shù)以及飛行控制等技術(shù)的進(jìn)步，微小型四旋翼飛行器得到了迅速發(fā)展，對(duì)廣大科研人員具有很強(qiáng)的吸引力，成為國(guó)際上新的研究熱點(diǎn)。目前，世界上對(duì)四旋翼飛行器的控制研究主要集中于3個(gè)方向：基于慣性制導(dǎo)的自主飛行控制、基于視覺(jué)的自主飛行控制和自主飛行控制系統(tǒng)方案。

本文中采用基于視覺(jué)的自主飛行控制方式，將裝載在飛行器上攝像頭采集視頻畫(huà)面，實(shí)時(shí)傳送給指揮調(diào)度中心，指揮調(diào)度中心根據(jù)實(shí)際的視頻畫(huà)面控制飛行器在煤礦井下的飛行軌跡，同時(shí)飛行器在上下和前左右裝有距離探測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)自主壁障功能，自主壁障功能優(yōu)先級(jí)優(yōu)于指揮調(diào)度中心發(fā)來(lái)的指令，保證飛行器的絕對(duì)安全。飛行器飛行姿態(tài)由三軸加速度傳感器進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)反映4個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速和整機(jī)機(jī)身的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)直流電機(jī)的閉環(huán)控制。

四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容為飛行器飛行姿態(tài)的控制方法。四旋翼飛行器具有空間六自由度，而只能通過(guò)調(diào)節(jié)4個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行控制，顯然它是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （控制輸入向量構(gòu)成的空間維數(shù)小于位形空間維數(shù)的系統(tǒng)）。如圖2～圖4所示，通過(guò)控制4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可以分別實(shí)現(xiàn)飛行器6個(gè)自由度的控制。

圖2 垂直和俯仰運(yùn)動(dòng)Fig.2 Vertical and pitch movement

圖3 滾轉(zhuǎn)和偏航運(yùn)動(dòng)Fig.3 Roll and yaw motion

圖4 前后和側(cè)向運(yùn)動(dòng)Fig.4 Front and lateral movement

目前關(guān)于各種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型的控制方法的研究有很多，其中研究成果最為豐碩的幾種控制方法有：反步法(Backstepping)、線(xiàn)性最小二次型控制(LQR)、滑?？刂?Sliding Mode)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)、反饋線(xiàn)性化以及H∞ 控制等[11]。其中應(yīng)用最多的是反步法。反步法主要基于Lyapunov理論，Lyapunov方法適用于任何形式的狀態(tài)空間模型，單變量、多變量、線(xiàn)性、非線(xiàn)性、時(shí)不變、時(shí)變、連續(xù)、離散等。

4 無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路節(jié)點(diǎn)

無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路節(jié)點(diǎn)以無(wú)線(xiàn)接力方式傳送數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的上發(fā)和下發(fā)任務(wù)以及人員識(shí)別卡的搜索功能，是構(gòu)建井下無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信信道的關(guān)鍵點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路節(jié)點(diǎn)由電池、主控部分和無(wú)線(xiàn)部分組成，組成框圖如圖5所示。

圖5 無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路節(jié)點(diǎn)框圖Fig.5 A block diagram of a wireless transmission link node

電池采用小體、積高密度的聚合物電池，主控部分完成對(duì)接收數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)以及對(duì)人員識(shí)別卡的搜索。主控部分采用基于Cortex-M3內(nèi)核的低成本、體積小、高性能和低功耗的32為微處理器芯片，如飛利浦系列芯片和ST公司的STM32系列芯片，其中LPC系列部分芯片處理速度可達(dá)100 MHz到120 MHz，完全能夠滿(mǎn)足大數(shù)量的高速處理。無(wú)線(xiàn)部分采用一款以CC2530F256為主控芯片的核心板的zigbee無(wú)線(xiàn)模塊，具有高性能、功耗低的優(yōu)點(diǎn)并具有以下特點(diǎn)：

1)通信距離超過(guò)350 m；可靠通信距離超過(guò)250 m；可自動(dòng)重連通信距離超過(guò)120 m（工作環(huán)境：空曠區(qū)域）

2)工作頻段：2.4 GHz

3)工作電壓：2.0～3.6 V

4)溫度范圍：-40～85 ℃

5)串口波特率：38 400 bps（默認(rèn)），可設(shè)為其他波特率

6)體積：26 mm x 27 mm（PCB）

7)節(jié)點(diǎn)：可配置為 Coordinator、Router、EndDevice。

5 布放裝置

布放裝置上裝載有若干個(gè)無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路節(jié)點(diǎn)，固定在四旋翼飛行器上。指揮調(diào)度中心遙控的控制指令通過(guò)無(wú)線(xiàn)接力建立的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給布放裝置，控制布放裝置在合適的位置布放通信節(jié)點(diǎn)。

6 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)固定于四旋翼飛行器之上，由人員定位識(shí)別卡讀卡器、圖像采集模塊和各種環(huán)境參數(shù)傳感器如瓦斯、一氧化碳、二氧化碳、氧氣和溫度等組成。數(shù)據(jù)采集終端能夠?qū)崟r(shí)的采集飛行器偵測(cè)位置的實(shí)際環(huán)境參數(shù)，可以到達(dá)救援人員無(wú)法到達(dá)的危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)和地點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集終端將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送給最近的通信節(jié)點(diǎn)，再以接力方式發(fā)送給救援指揮調(diào)度中心。數(shù)據(jù)采集終端所有數(shù)據(jù)采集傳感器設(shè)備均采用簡(jiǎn)化功能類(lèi)型的設(shè)備以降低功耗和減輕四旋翼飛行器的載重重量。

在數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)備中，圖像采集模塊傳送的數(shù)據(jù)量最大，占用信道資源也最大，造成無(wú)線(xiàn)發(fā)送的消耗也越大，為此，可以選用清晰度較低的攝像頭，通過(guò)圖像增強(qiáng)算法如空間域（如中值濾波、圖像平滑和圖像銳化等）或頻率域（如頻率域低通濾波和高通濾波等）圖像增強(qiáng)算法將圖像處理較為清晰。

7 快速建立信道的方法

無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路節(jié)點(diǎn)在適當(dāng)位置的投放由救援指揮調(diào)度中心進(jìn)行控制，飛行器在向前飛行的過(guò)程中，不斷地發(fā)送飛行器與上一無(wú)線(xiàn)傳輸鏈路節(jié)點(diǎn)通信信號(hào)的強(qiáng)度，當(dāng)通信的信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)達(dá)到設(shè)定極限值時(shí)，指揮調(diào)度中心發(fā)出投放通信節(jié)點(diǎn)的指令給飛行器上的投放終端，此時(shí)飛行器懸停并投放通信節(jié)點(diǎn)。由于煤礦井下交通環(huán)境復(fù)雜，需要根據(jù)攝像頭實(shí)時(shí)傳回的畫(huà)面投放通信節(jié)點(diǎn)。如巷道交叉處或巷道轉(zhuǎn)彎處，以保證交叉和轉(zhuǎn)彎處信號(hào)的傳輸質(zhì)量。如圖6所示，由J1到J2和J3通過(guò)放置無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息無(wú)線(xiàn)接力傳遞。 根據(jù)通信節(jié)點(diǎn)的投放順序，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)依次以遞增的方式編號(hào)，飛行器向指揮調(diào)度中心發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，按大編號(hào)節(jié)點(diǎn)向小編號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)；向飛行器發(fā)送指令時(shí)，小編號(hào)節(jié)點(diǎn)向大編號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖6 通信節(jié)點(diǎn)布放示意圖Fig.6 A schematic diagram of a communication node deployment

8 結(jié)論

研制煤礦井下救援的設(shè)備具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和緊迫性，四旋翼飛行器應(yīng)急救援系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境，先于救援人員快速的到達(dá)災(zāi)害地點(diǎn)，提供有效的救援信息，為井下救援提供依據(jù)。與地面越障式救援機(jī)器人相比，四旋翼飛行器具有更為廣闊的應(yīng)用空間和前景。

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