煤矿救灾机器人全方位视觉系统的研究

煤矿救灾机器人全方位视觉系统的研究一课题分析•煤矿灾害发生后，救护队员需要通过远程视频了解矿井的灾害场景和对煤矿救援机器人进行操作。目前煤矿救援机器人视觉系统主要使用的是固定安装的摄像头。由于其观察视野范围受限导致工作效率低下，因此需要一种能够全方位观察的机器人视觉系统以提高工作效率。此论文针对这个问题进行了研究，做出了一种小型的全方位防爆视觉系统。二全方位视觉系统的介绍•煤矿救援机器人全方位视觉系统是为煤矿救援机器人提供全方位视觉的设备，是典型的机电一体化系统。目前，大多数的煤矿救援机器人如图所示。它由机械结构、驱动器、传感器和控制系统组成。在物理层面上，它主要由机械结构、伺服驱动控制器以及控制平台组成。•但是，全方位煤矿救援机器人视觉系统的研究和设计并非是将传统意义上的云台、摄像装置和移动机器人之间简单的机械联结。对于煤矿救灾机器人，由于工作的特殊性，目前要研制的全方位视觉系统机器人云台不但具有防爆性能，而且体积轻巧，价格便宜，具有夜视功能，是一个完全满足救灾需求的煤矿救灾机器人全方位视觉感知系统。三课题研究的主要内容•研究适用于煤矿救灾机器人全方位视觉系统的图像传感器、驱动方式和机械结构。•研究适用于煤矿救援机器人全方位视觉系统的防爆形式，设计防爆机构，并验证防爆性能。•研究和开发以微控制器为核心的视觉系统运动控制的软件和硬件四视觉系统总体设计主要内容：（1）图像传感器的选型（2）机械机构的设计（3）防爆性能的设计与校核（4）运动控制器的设计总体设计的展示全方位视觉系统的三维云台视觉系统三维爆炸图二维图纸俯视图主视图4-1图像传感器的选型•视觉系统中最核心的部件是图像传感器，即摄像头。图像传感器产品是一种光电导体元件，主要分为CCD和CM0S两种类型。•CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于较低影像品质的产品中。尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些，但现在该问题已经基本得到解决。与CCD相比，CMOS具有体积小，耗电量不到CCD的1／10，售价也比CCD便宜l／3的优点。因此，选择CMOS型摄像头。•因为摄像头要在煤矿井下，光照低，甚至无光照的环境中工作，因此它还要具有夜视功能。•经过比较，全方位视觉系统选择主动式红外夜视系统。其尺寸和重量很小，能够防水、防尘，视角为120。，在无光环境中可看清5m的距离，并带有标尺。其功耗很低。在12V电压下，电流小于200mA，完全满足本质安全防爆的要求。COMS摄像头•基本参数：•(1)感光元件采用美围OV7950CMOS芯片，彩色图象，采用数字补光技术，外观小巧，安装方便；•(2)像素为628×582;•(3)分辨率为420TV线;•(4)最低照度为2.0lux;(5)采用NTSC制式;•(6)电源使用12V直流电，工作电流小于：200mA;(7)视角为120。。4-2机械结构的设计•4.2.1驱动方式的选择驱动部分包括电机和减速机构。电机一般采用交流电机、伺服直流电机或步进电机，然后再配上合适的齿轮减速机构。煤矿救援机器人使用直流电作为驱动电源，所以考虑使用伺服直流电机和步进电机。但是，对于小型的电动云台，齿轮减速机构的设计和加工较为复杂，并且集成度不高。所以考虑电机与减速机构一体的舵机作为驱动。•本云台有水平转动和垂直转动两个自度，所以需要两个电机。整个云台不足10Kg。估算两个电机所需的扭矩都小于500Nmm，考虑到不同扭矩间舵机的价格相差不大，而且井下环境恶劣所以选择大扭矩舵机。本设计采用辉煌MG945舵机，参数如下：（1）重量55g；（2）尺寸为40.7×19.7×42.9（L×W×H）mm；（3）扭矩为1200Nmm；（4）工作电压为4.8V时速度为240°/s；（5）工作电压为4.8~7.2V；（6）工作温度为0℃~55℃。•4.2.2机械结构形式•视觉系统的机械机构可以简化为右图所示的机构组合。其中旋转轴1通过轴承与底座相连，构成一个旋转关节，决定测量系统的一个自由度；旋转轴2通过轴承与测距仪相连接，构成俯仰机构，决定了测量系统的另一个自由度。这种“上俯仰下回转”结构的特点是结构相对紧凑，所占空间体积小，而相对的工作空间最大，因而是目前使用最广泛的一种云台结构型式。•4.2.3云台材料的选择目前用于煤矿环境探测的小型机器人，不但要求其壳体有足够的强度，还要求其重量尽量的轻，以提高机器人的机动性能，减少机器人能量损耗。机器人壳体的毛坯可采用轻合金铸造加工，其牌号为ZL401，抗拉伸轻度不低于120Mpa。•4.2.4水平轴的基本参数水平轴是连接摄像头和驱动电机的传动轴，主要传递舵机的扭矩。因此，对水平轴的设计要按照扭转强度计算。驱动电机的输出扭矩为1200Nmm。根据实心轴的扭转强度公式：30.2Td•从而得出水平轴的最小直径为5.4mm，圆整为6mm。•经过研究，本轴需要分成三段，并且再输出一段打通孔用于固定摄像头。轴的基本结构可以确定为：。•轴各段长度的确定：•l1=3mmd1=6mm•l2=3mmd2=12mm•l3=44mmd3=10mm•轴的强度校核：整个轴直径最小的部分为第一段，而第三段有一通孔，所以只需要校核这两个部分即可。第一段：根据公式：TTW得出第一段符合要求。第三段有通孔部分：也是只需校核扭转强度。根据上面的公式，其中代入数据计算，可得τ=2.62MPa[τ]。所以满足扭矩强度要求。综上知水平轴满足强度要求。31(1)16TddWd•轴承61800的校核：•轴承径向载荷R为摄像头与防爆壳的重力和R=5N，径向载荷A=0N。61800的载荷参数•所以，，静载荷符合要求。•因，•查表10.5并插值计算•当量动载荷，•由于环境有轻微震动，由表10.6知，取•带入计算得，所以动载荷符合要求。•综上知，本轴承符合要求。RC0ANeR1,0xy()pPfxRyA1.1pf0P5.5NC00.93,1.80CKNCKN4.2.4垂直轴的基本参数垂直轴连接垂直驱动电机与底座，也是传递扭矩。其抗扭强度校核与水平轴一致。垂直轴的尺寸主要由标准件的尺寸确定。如下图：•垂直轴承载的是轴向负荷，需要能承载轴向载荷的滚动轴承。一般选择推力轴承。经查询手册，得到，最小的推力球轴承为51200，其轴径d为均10mm，暂选51200这种型号的推力轴承。因为51200的外径D1=26mm，安装要求，，所以轴肩部分的轴径需要定为23mm。而且轴肩的高度不能高于深沟球轴承的内圈。查表可知，深沟球轴承61804符合要求。其内径为20mm。这样将继续设计垂直轴的其他基本尺寸。。23admm•垂直轴各段长度的确定：•l1=18mmd1=10mm•l2=3mmd2=23mm•l3=78mmd3=23mm•轴的强度的校核：垂直轴主要受的也是扭矩。只需对其进行扭转强度的校核。与水平轴一样，只需校核第一段，与第三段的通孔处。•第一段：根据公式其中，带入数据可得，第一段符合强度要求。436013316360TdWTTW12000.971237Mpa31()(1)16TdDdWD120027.843.1MPaTTW空心通孔部分的校核：WT，轴的抗扭截面系数，mm3再带入公式：带入数据可得，符合强度要求。综上可知，垂直轴的强度符合要求。•轴承的校核：•（1）深沟球轴承61804在垂直轴上只起到滚动作用，理想情况下径向力与轴向里均为0，所以肯定符合要求。（2）止推轴承51200，额定载荷。轴向推力，所以推力轴承符合要求。14.2,24.5oaaCKNCKN50oaPNC4-3视觉系统的防爆设计•目前常用的防爆技术有基于间隙防爆原理的隔爆技术、采用安全措施的本质安全技术和增安防爆技术等。而适用于视觉系统的有间隙防爆原理和的本质安全技术。•基本原理所谓间隙防爆，是指当电气设备外壳内部发生爆炸时，气体经各接合而喷出，而不使壳外面的爆炸性混合物爆炸。其主要原理是间隙熄火作用和间隙冷却作用。•间隙熄火作用爆炸性气体混合物火焰存狭小间隙中熄灭的理论是建立在管道中火焰传播界限的实验研究基础上的。对于不同的爆炸性气体混合物，都有个对应的临界熄火直径值dk。当管道的直径超过临界值时，这种爆炸性气体混合物的火焰即可沿着这个管道播，否则火焰熄灭。如下图所示。•间隙冷却作用当接合间隙小于临界间隙时，壳内的爆炸火焰经过间隙即被熄灭，但是如果穿出间隙的爆炸产物的温度达到引燃爆炸性气体混合物所需要的高温时，仍然能够引起外壳周围的爆炸性气体混合物爆炸。当法兰间隙中的火焰通过的距离足够长时，由于间隙的冷却作用，穿过间隙的火焰得到充分的冷却，其温度降低到点燃外壳外部的爆炸性混合物所需要的最低温度一下，这样就不会传爆。•4.3.1防爆机构设计目前规定了防爆标准的隔爆结构主要有三种：(1)平面、圆筒隔爆结构；(2)螺纹隔爆结构；(3)叠片式隔爆结构。视觉系统的隔爆设计主要应用了前两种。另外，视觉系统的机械结构分为三个部分：隔爆壳体、水平轴系和垂直轴系。下面分别介绍各部分的防爆结构设计。•（1）防爆壳体隔爆壳体是放置舵机和安装水平轴系及垂直轴系的箱体，并且要满足防爆设计的要求。云台的控制系统也放置在里面。隔爆壳体的设计严格按照防爆标准设计。主要采用了平面隔爆结构和螺纹隔爆设计。•防爆壳的所有参数：上半部分边长a=80mm，高度h=35mm，厚度d=15mm圆筒部分直径D=80mm，高度h=27mm，厚度d=5mm法兰部分外径D1=100mm，内径D2=80mm，厚度h=10mm•（2）水平轴的防爆设计水平轴系由水平传动轴、轴套、轴承、水平轴连接陶和轴承端盖组成。水平传动轴与水平舵机相连，带动摄像头上的转动。水平轴的隔爆接合而采用圆筒式结构，如图所示•水平轴系的具体参数：圆筒部分：外径25mm，内径19mm，•长度30mm，拧入深度15mm•法兰部分：外径27mm，厚度5mm•轴套部分：外径19mm，内径10mm，•长度23mm•端盖部分：外径37mm，内径10mm，厚度d=4mm•（3）垂直轴的防爆设计垂直轴系由垂直传动轴、轴套、轴承、垂直轴连接筒、轴承端盖、垂直舵机和舵机架组成。与水平轴系一样，其隔爆接合面采用圆筒形式。•垂直轴的所有参数：上法兰部分：外径100mm，厚度d=10mm圆筒部分：外径=40mm，内径=32mm，长度64mm下法兰部分：外径56mm，厚度=5mm轴套部分：外径32mm，内径20mm，长度36mm端盖部分：外径56mm，内径20mm，厚度=5mm1.防爆性能的有限元分析根据爆炸性气体环境用电气设备国家标准(GB3836．2—2000)的要求，隔爆型外壳需要进行外壳耐压试验。下面要使用ansys软件对防爆壳、水平轴系和垂直轴系进行有限元分析。五将要继续完成的工作2视觉系统的运动控制器设计•运动控制系统是控制技术和运动系统相结合的产物，它是以微处理器AVR单片机为核心，通过硬件平台、软件编程、控制算法设计实现运动部件的实时驱动等功能,控制一体化二自由地云台。致谢•本文在刘万里老师的悉心指导下进行的。导师丰富的学识，严谨的治学态度让我获益匪浅。在本论文已完成了大部分内容之际，谨向尊敬的导师表示衷心的感谢！•同时向在座的各位老师表示感谢，谢谢您的指导。谢谢！