一种煤矿巡检机器人的控制系统的制作方法

1.本发明属于巡检机器人领域，特别是涉及一种本安型煤矿巡检机器人的控制系统。


背景技术：

2.随着煤矿智能化建设快速发展，无人、少人化矿山成为煤矿安全生产的发展趋势，煤矿巡检机器人通过搭载高精度传感器，可以辅助或代替工作人员对煤矿进行巡视检查工作，能够利用大数据、深度学习等技术对煤矿井下设备运行状态和人员行为的进行实时监测，大大提高煤矿状态监测的准确性、实时性以及智能化水平。由于煤矿井下设备具有强制性防爆要求，现行井下巡检机器人主要包括两大类，第一类为整机隔爆式，如专利号为cn201711411089.0公布了一种防爆轮式巡检机器人系统，体积与重量大、能耗高，难以适应井下局限环境，且续航较短；第二类为整机本安型，如专利号为cn201711411089.0公布了一种本安型巡检机器人，所有控制监测系统均为本安型零部件，整机无需设置防爆外壳，相对于整机隔爆式，可有效减小本体体积与重量。本安型巡检机器人控制系统主要由通用型本安电源与传感器、通用型控制器与网络通讯组件等组成，因各个部件相对独立，因此目前依然存在体积与重量大、成本高、安装复杂、兼容性与灵活性差等问题。首先，通用型本安电源均采用金属外壳封装和胶封的方式，增加了控制系统的体积和重量；其次，通用型控制器和网络通讯组件均存在接口、存储区域以及性能方面的冗余和兼容性问题，导致整体成本升高和可靠性降低；最后，独立的本安型传感器和执行器部件本身也具有较大的体积和复杂的机构。因此，本安型巡检机器人控制系统零部件的集成化设计成为设计体积小、重量轻、成本低、可靠性高的本安型机器人的必由之路。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种煤矿巡检机器人的控制系统，以解决上述现有技术存在的煤矿巡检机器人控制系统存在的体积大、重量大、成本高、安装复杂、兼容性差、灵活性差等问题。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种煤矿巡检机器人的控制系统，包括cpu及i/o模块、网络通讯模块、传感器及执行器信号处理模块、本安电源模块，所述cpu及i/o模块集成在电路板上。
5.可选地，所述cpu及i/o模块包括cpu组件，所述cpu组件分别电性连接有所述cpu及i/o模块中的数字量i/o组件、模拟量i/o组件、高速脉冲输入/输出组件、传感器数据缓冲区、数据存储组件。
6.可选地，所述传感器及执行器信号处理模块集成在所述电路板上，所述传感器及执行器信号处理模块与所述cpu及i/o模块电性连接。
7.可选地，所述传感器及执行器信号处理模块包括分别与所述cpu组件电性连接的气体传感器信号处理组件、烟雾传感器信号处理组件和声光报警器信号处理组件。
8.可选地，所述网络通讯模块集成在所述电路板上，所述网络通讯模块与所述cpu及i/o模块电性连接。
9.可选地，所述网络通讯模块包括与所述cpu组件电性连接的基站通讯组件、扩展通讯组件，所述基站通讯组件连接有外置本安型天线。
10.可选地，所述本安电源模块集成在所述电路板上，所述本安电源模块向所述cpu及i/o模块、所述传感器及执行器处理模块、所述网络通讯模块以及外部元器件提供本安型电源。
11.可选地，所述本安电源模块包括两路本安电源组件，用于将外部非安电源转换为本安电源。
12.本发明的技术效果为：本发明提供了一种本安型煤矿巡检机器人的控制系统，在一块嵌入式控制电路板中可以集成cpu及i/o模块、传感器及执行器信号处理模块和网络通讯模块其中的一种或多种，同时也可集成多路本安型电源模块，实现巡检机器人数据采集与运算、逻辑处理、数据存储、网络通讯以及对外供电功能，替代传统的嵌入式控制器/plc控制器、通讯基站、笨重的独立式本安电源以及体积庞大的各类本安传感器和报警装置，可以大幅减小机器人控制系统的体积，降低整体成本，提高整机性能。另外，通过本方案煤矿巡检机器人可实现逻辑控制、数据处理、数据存储、网络通讯、算法集成、气体检测、烟雾检测、声光报警输出、本安电源输出等标准功能，同时亦可通过扩展和编程方式实现定制功能。
附图说明
13.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
14.图1为本发明实施例中的煤矿巡检机器人的控制系统的结构示意图。
具体实施方式
15.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
16.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
17.如图1所示，本实施例中提供一种煤矿巡检机器人的控制系统，包括cpu及i/o模块、网络通讯模块、传感器及执行器信号处理模块、本安电源模块，所述cpu及i/o模块集成在电路板上。cpu及i/o模块与传感器及执行器处理模块和网络通讯模块之间均有电性连接，同时接收来自本安电源的供电电源输出。
18.为实现逻辑处理、数据处理以及内部运算等多种功能，现有巡检机器人一般会选用通用型的控制器，一般为嵌入式控制器或者可编程控制器plc，这些控制器并非专用控制器，为满足巡检机器人使用要求，势必会造成i/o、存储区域以及运算能力等方面的冗余，导致控制器体积和成本的升高。为了解决上述问题，本实施例中的控制系统，设计成巡检机器人专用控制器，并将所述cpu及i/o模块集成在电路板上，减小工作冗余。
19.进一步优化方案，所述cpu及i/o模块包括cpu组件，所述cpu组件分别电性连接有所述cpu及i/o模块中的数字量i/o组件、模拟量i/o组件、高速脉冲输入/输出组件、传感器数据缓冲区、数据存储组件，可实现数据采集、数据处理、逻辑处理、算法集成、数据存储、数据分析以及报警输出等功能。
20.本实施例中，cpu组件使用通用型工业控制芯片，集成逻辑控制、运动控制、输入输出、通信接口和存储等功能，支持标准化编程开发语言。
21.数字量输入/输出组件可提供16入/16出标准接口，且前8点均支持公共点隔离型输入/输出，其与cpu组件之间有电性连接。
22.模拟量输入组件可提供4路全隔离型16位高精度模拟量采集通道，支持
±
10v、
±
5v、0-20ma、4-20ma等标准模拟量信号的接入，其与cpu组件之间有电性连接。
23.高速脉冲输入/输出组件可提供2入/2出隔离型脉冲信号通道，支持高/低电平脉冲信号、a/b相正交脉冲信号和pwm脉宽调制波形输出功能，最高频率可达2mhz，其与cpu组件之间有电性连接。
24.传感器数据缓冲区可接受来自传感器及执行器信号处理模块的数据并最终传输给cpu组件，后者对这些数据进行处理。其与cpu组件之间有电性连接。
25.数据存储组件可存储cpu组件在运算过程中产生的各种数据，以及需要备份的运行数据，其与cpu组件之间有电性连接。
26.进一步优化方案，所述传感器及执行器信号处理模块集成在所述电路板上的，所述传感器及执行器信号处理模块与所述cpu及i/o模块电性连接，同时接收来自本安电源模块的电源输出。
27.进一步优化方案，为实现气体、烟雾、障碍、异响等信号的监测功能，同时在异常状态下要发出声光报警提示，现有煤矿巡检机器人都会配备相应的气体传感器、烟雾传感器、激光传感器以及声光报警装置。鉴于煤矿井下设备的防爆要求，这些传感器和报警装置的体积较大，严重影响机器人的机动性。因此，本实施例中的，所述传感器及执行器信号处理模块包括分别与所述cpu组件电性连接的气体传感器信号处理组件、烟雾传感器信号处理组件和声光报警器信号处理组件，可实现气体探头信号处理、烟雾探头信号处理、驱动报警扬声器及报警灯等功能。
28.具体地，气体传感器信号处理组件可接收来自各个气体分析探头的气体感应信号，并对气体感应信号进行放大、滤波、a/d转换、计算等一系列操作，最终将结果传输至cpu组件，获取真实气体检测数据。cpu组件与气体传感器的探头之间有电性连接。
29.烟雾传感器信号处理组件可接收来自烟雾采集探头的烟雾感应信号，并对烟雾感应信号进行放大、滤波、a/d转换、计算等一系列操作，最终将结果传输至cpu组件，获取真实烟雾检测数据。cpu组件与烟雾传感器的探头之间有电性连接。
30.声光报警器信号处理组件可接收来自cpu组件的报警控制信号，对控制信号进行放大处理后可驱动本安扬声器和报警灯，最终发出报警蜂鸣和报警灯光。cpu组件分别与本安扬声器、本案报警灯电性连接。
31.进一步优化方案，为了实现网络通讯功能，现有煤矿巡检机器人都会配备通用型矿用基站模块，与控制器之间进行通讯并将数据传输至上位机。一方面通用型矿用基站模块体积较大，占用巡检机器人内部较大空间；另一方面通讯协议兼容性也会有一些问题，导
致巡检机器人数据传输受到很大限制。因此，本实施例中的，所述网络通讯模块集成在所述电路板上，所述网络通讯模块与所述cpu及i/o模块电性连接，可实现与外部设备或系统的高速通讯。同时接收来自本安电源模块的电源输出。
32.进一步优化方案，所述网络通讯模块包括与所述cpu组件电性连接的基站通讯组件、扩展通讯组件，所述基站通讯组件连接有外置本安型天线，可实现与井下以太环网的高速无线通讯，并且支持各种通用通讯协议，方便接入矿山整体智能化系统。
33.扩展通讯组件可提供包括rj45、rs485、rs232在内的多种标准通用通讯接口，支持以太网、tcp/ip、modbus-rtu、modbus-tcp、socket等多种通用通讯协议，方便实现与传感器、执行机构、上位机等其他设备的通讯互联。
34.进一步优化方案，出于对煤矿井下设备的防爆要求，巡检机器人各部件均需要使用本安型电源进行供电。现有巡检机器人一般都会选用通用型的矿用本安电源，这些电源本身都带有金属外壳和胶封，体积和自重都较大，占用了巡检机器人内部较大的空间，增加了整体的重量。因此，本实施例中的，所述本安电源模块集成在所述电路板上，所述本安电源模块向所述cpu及i/o模块、所述传感器及执行器处理模块、所述网络通讯模块以及外部元器件提供本安型电源。
35.进一步优化方案，所述本安电源模块包括两路本安电源组件，用于将外部非安电源转换为本安电源。本实施例中，选取的本安电源组件为18v，可实现将外部18-36v非安电源转换为18v本安电源。具体地，18v本安电源组件可输入外部18-36v的非安直流电源，通过内部处理并实施短路保护等措施，最终可输出符合本安要求的18v电源，进而向cpu及i/o模块、传感器及执行器处理模块、网络通讯模块以及外部元器件提供本安型电源。
36.本方案将现有煤矿巡检机器人中分散安装且占有较大空间的控制器、传感器、通讯部件和本安电源集成在一块多功能控制电路板之上，一方面，同一块电路板上的数据和信号交互更加快捷和可靠，可以更方便和稳定的实现巡检机器人基本的功能；另一方面，上述分散部件所占用的体积大幅减少，巡检机器人整体体积和防爆外壳随之减小，从而有效减少了煤矿巡检机器人的自重，并大幅降低了成本，同时巡检机器人的灵活性也有了很大的提升。
37.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。