煤矿救灾机器人全方位视觉系统的研究

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、）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

8、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：从而得出水平轴的最小直径为5.4m