一種基于四旋翼飛行器的煤礦井下應急救援系統(tǒng)的設計與研究

煤礦事故的應急救援根據(jù)事故災害的類型、事故可能引起的破壞程度和事故地點的實際環(huán)境采取相應救援方案和救援裝備，達到真正的應急救援效果。目前，已經(jīng)研制成功的救援機器人主要有多履帶式機器人、腿輪式機器人、蛇形機器人和蛛行機器人等，在災害救援中起到了重要作用。但是，在井下災害現(xiàn)場，地面越障機器人的通過難度較大，有一定的局限性，不能完全滿足救災的需求。為進一步完善應急救援系統(tǒng)，開發(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急救援解決方案。在本方案中以四旋翼飛行器作為載體，動態(tài)的建立無線網(wǎng)絡通信信道，將事故地點的環(huán)境情況如瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、溫度等參?shù)和災害地點的視頻畫面實時的通過無線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急救援系統(tǒng)由調(diào)度指揮中心、四旋翼飛行器、無線傳輸鏈路節(jié)點、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)度中心主要負責對災難現(xiàn)場實際環(huán)境參數(shù)和現(xiàn)場視頻的接收、過程控制、制定救援任務的具體方案和救援指導。

四旋翼飛行器主要完成無線傳輸鏈路節(jié)點的運輸和投放、現(xiàn)場視頻采集、災害現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)采集和人員定位信息的動態(tài)搜索，同時將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給無線傳輸鏈路

節(jié)點，無線傳輸鏈路節(jié)點以接連傳遞方式將數(shù)據(jù)傳送至指揮調(diào)度中心。

無線傳輸鏈路節(jié)點完成數(shù)據(jù)的上發(fā)和下發(fā)任務以及人員識別卡的搜索功能。指揮調(diào)度中心將控制指令發(fā)送給鏈路節(jié)點，鏈路節(jié)點以接力傳遞的方式發(fā)送到遠處的節(jié)點，控制四旋翼飛行器的飛行，同時將災害現(xiàn)場的參數(shù)以接力的方式傳送回指揮調(diào)度中心。

布放裝置負責將飛行器攜帶的通信節(jié)點投放到合適的通信地點。

數(shù)據(jù)采集終端以四旋翼飛行器作為載體，完成現(xiàn)場環(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)場視頻畫面的采集和人員定位信息的動態(tài)搜索。

2 指揮調(diào)度中心

指揮調(diào)度中心負責對災難現(xiàn)場實際環(huán)境參數(shù)和現(xiàn)場視頻的接收、過程控制、制定救援任務的具體方案和救援指導。過程控制包括對飛行器飛行姿態(tài)的控制。飛行器的控制由遙控器完成，本設計中的遙控器的設計采用Zigbee技術(shù)，Zigbee模塊具有價格低廉、傳距離遠、抗干擾性強、功耗低、穩(wěn)定性強和操作簡單等優(yōu)點。

3 四旋翼飛行器的控制與應用

四旋翼飛行器是一種電動的、能夠垂直起降的、多旋翼式遙控自主飛行器。與常規(guī)的旋翼式飛行器相比較，結(jié)構(gòu)緊湊簡單，不需要專門的反扭矩槳板，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。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、飛行高度低、具有很強的機動性等，特別適合應用于煤礦應急救援任務中。

隨著新型材料、微機電(MEMS)、微慣導(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)的進步，微小型四旋翼飛行器得到了迅速發(fā)展，對廣大科研

人員具有很強的吸引力，成為國際上新的研究熱點。目前，世界上對四旋翼飛行器的控制研究主要集中于3個方向：基于慣性制導的自主飛行控制、基于視覺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面，實時傳送給指揮調(diào)度中心，指揮調(diào)度中心根據(jù)實際的視頻畫面控制飛行器在煤礦井下的飛行軌跡，同時飛行器在上下和前左右裝有距離探測模塊，實現(xiàn)自主壁障功能，自主壁障功能優(yōu)先級優(yōu)于指揮調(diào)度中心發(fā)來的指令，保證飛行器的絕對安全。飛行器飛行姿態(tài)由三軸加速度傳感器進行采集，實時反映4個旋翼的轉(zhuǎn)速和整機機身的姿態(tài)，實現(xiàn)對4個直流電機的閉環(huán)控制。

四旋翼飛行器的設計的關(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，而只能通過調(diào)節(jié)4個旋翼的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)飛行控制，顯然它是一個欠驅(qū)動系統(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，通過控制4個電機的轉(zhuǎn)速，即可以分別實現(xiàn)飛行器6個自由度的控制。

目前關(guān)于各種欠驅(qū)動系統(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)、線性最小二次型控制(LQR)、滑?？刂?Sliding Mode)、神經(jīng)網(wǎng)絡自適應、反饋線性化以及H∞控制等。其中應用最多的是反步法。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、線性、非線性、時不變、時變、連續(xù)、離散等。

4 無線傳輸鏈路節(jié)點

無線傳輸鏈路節(jié)點以無線接力方式傳送數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的上發(fā)和下發(fā)任務以及人員識別卡的搜索功能，是構(gòu)建井下無線網(wǎng)絡通信信道的關(guān)鍵點。無線傳輸鏈路節(jié)點由電池、主控部分和無線部分組成，組成框圖如圖5所示。

電池采用小體、積高密度的聚合物電池，主控部分完成對接收數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)以及對人員識別卡的搜索。主控部分采用基于Codex—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100MHz到120 MHz，完全能夠滿足大數(shù)量的高速處理。無線部分采用一款以CC2530F256為主控芯片的核心板的zigbee無線模塊，具有高性能、功耗低的優(yōu)點并具有以下特點：

1)通信距離超過350m;可靠通信距離超過250 m;可自動重連通信距離超過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：38400 bps(默認)，可設為其他波特率

6)體積：26 mm x 27 mm(PCB)

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

5 布放裝置

布放裝置上裝載有若干個無線傳輸鏈路節(jié)點，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無線接力建立的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡發(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。

6 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端通過固定于四旋翼飛行器之上，由人員定位識別卡讀卡器、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的采集飛行器偵測位置的實際環(huán)境參數(shù)，可以到達救援人員無法到達的危險現(xiàn)場和地點。數(shù)據(jù)采集終端將采集到的數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送給最近的通信節(jié)點，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)采集傳感器設備均采用簡化功能類型的設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，造成無線發(fā)送的消耗也越大，為此，可以選用清晰度較低的攝像頭，通過圖像增強算法如空間域(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)圖像增強算法將圖像處理較為清晰。

7 快速建立信道的方法

無線傳輸鏈路節(jié)點在適當位置的投放由救援指揮調(diào)度中心進行控制，飛行器在向前飛行的過程中，不斷地發(fā)送飛行器與上一無線傳輸鏈路節(jié)點通信信號的強度，當通信的信號強度(RSSI)，達到設定極限值時，指揮調(diào)度中心發(fā)出投放通信節(jié)點的指令給飛行器上的投放終端，此時飛行器懸停并投放通信節(jié)點。由于煤礦井下交通環(huán)境復雜，需要根據(jù)攝像頭實時傳回的畫面投放通信節(jié)點。如巷道交叉處或巷道轉(zhuǎn)彎處，以保證交叉和轉(zhuǎn)彎處信號的傳輸質(zhì)量。如圖6所示，由J1到J2和J3通過放置無線節(jié)點實現(xiàn)信息無線接力傳遞。根據(jù)通信節(jié)點的投放順序，為每個節(jié)點依次以遞增的方式編號，飛行器向指揮調(diào)度中心發(fā)送數(shù)據(jù)時，按大編號節(jié)點向小編號節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù);向飛行器發(fā)送指令時，小編號節(jié)點向大編號節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

8 結(jié)論

研制煤礦井下救援的設備具有重要的現(xiàn)實意義和緊迫性，四旋翼飛行器應急救援系統(tǒng)能夠滿足災難現(xiàn)場復雜的環(huán)境，先于救援人員快速的到達災害地點，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器人相比，四旋翼飛行器具有更為廣闊的應用空間和前景。