灾害矿井环境探测机器人传感系的硬件计

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中国科技论文在线 http:// 灾害矿井环境探测机器人传感系统的硬件

设计

姚洁（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）

摘要：煤矿事故现场环境信息的检测对救援工作具有十分重要的意义，为了在发生灾害的矿井中获得矿井环境信息，本文研究和设计了灾害矿井环境探测机器人传感系统的硬件部分，该机器人传感器系统硬件方面主要由瓦斯催化传感器、电化学一氧化碳传感器、AD590、超声波传感器、碰撞开关、光电编码器和倾斜传感器组成，它可以同时检测煤矿事故现场的瓦斯浓度、一氧化碳浓度、环境温度三种环境信息，还可以检测障碍物距离、碰撞信息、速度信息、以及倾斜信息。

关键词：检测技术与自动化装置；煤矿；环境探测机器人；传感系统；硬件 中图分类号：TP242.2

The hardware design of sensor system of the mining

environment detection robot

Yao Jie

(School of Information and Electric Engineering,China University of Mining and Technology,

JiangSu XuZhou 221008)

Abstract: The detection on environmental information of coal mine accident scene is very important to the rescue work, in order to get the environment messages under the mine, the hardware of the sensor system of the mining environment detection robot was researched and designed in this paper. The sensor system of the robot is mainly made of catalytic sensor, electrochemical CO sensor, AD590, supersonic sensor, collision switches, optical-electrical encoder and incline sensor. It could detect the consistency of CH4 and carbon monoxide and the environmental temperature at the same time. It could also detect the distance information of obstacles、the collision information、the speed information and the incline information.

Keywords:detection technique and automatic device; coal mine; environment detection robot; sensor system; hardware

0 引言

煤矿灾害尤其是瓦斯煤尘爆炸事故发生后，矿井环境十分复杂，井下因灾受伤人员面临极其危险的状况，需尽快地转移与救护，救护过程中最危险也是最为重要的阶段，就是事故现场勘查阶段，这时候往往发生事故的区域情况不明，贸然派救护队员下去，极易发生二次事故从而导致更多人员的伤亡。很多煤矿发生二次事故，都是在现场探测阶段。研发代替或部分代替救护人员及时、快速深入矿井灾区进行环境探测和搜救工作的救灾机器人具有极其重要的意义。

煤矿救灾机器人包括灾后环境探测机器人和营救机器人两种[1]，目前，矿井营救机器人还没有开始研发，主要是研发用于灾后环境探测的机器人。在救援初期，主要使用灾后环境探测机器人，其主要作用是代替矿山救护人员进入危险区域完成现场探测的设备，将现场的气体情况、温度、图像等环境参数检测出来并将数据传回指挥中心，为救灾决策提供重要参作者简介：姚洁，（1988-），女，在读硕士. E-mail: yaojieyy@http://

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救人员的伤亡。 考，从而大大减少工作人员到危险区域探测的危险性，可以有效地提高救援的效率和减少施

本课题研究的也是前者，即灾害矿井环境探测机器人，主要设计它的传感系统，旨在能及时检测出煤矿事故现场的温度、气体浓度等环境信息，保证数据的有效性及实时性，对煤矿救援机器人的导航及救援决策具有指导意义。

1 传感系统总体方案设计

本文所研究的环境探测机器人传感系统主要是检测煤矿事故现场的瓦斯浓度、一氧化碳浓度和环境温度等信息，以便为和救援指挥中心决策提供依据，同时检测障碍物的位置、机器人与周围障碍物的碰撞、机器人的前进速度和姿态等信息为机器人导航，从而使其顺利前进，还增加了对井下图像和声音的检测。以Atmega8作为控制器，采用模块化设计思想，分别对瓦斯检测模块、一氧化碳检测模块、温度检测模块、超声波测距模块、碰撞检测模块、速度检测模块、倾斜检测模块、以及图像和声音检测模块进行设计。

2 传感系统各模块的设计

2.1 瓦斯检测模块

目前矿井普遍采用的瓦斯传感器是催化传感器，我们采用恒温检测的方法，检测电路如图1所示：

图1 恒温检测原理电路

Fig. 1 circuit for constant temperature detection

工作原理是：首先，调整桥臂电阻，使流过r上的电流为元件的额定工作电流，电桥处于平衡状态R1R3=R2r，输出信号U0=I0r，在检测瓦斯气体时，瓦斯气体在催化传感元件表面发生催化氧化反应，产生大量的热量，使催化传感元件的温度升高，阻值增大，电桥输出不平衡电压，通过调节器A和调节三极管T的控制，自动调整工作电流I的减小，使流过催化传感元件r的工作电流减小，温度下降，阻值恢复至初始状态，电桥重新恢复平衡。此时，输出电压U0=I0r由于电流I的减小而降低，由此，反映被测瓦斯的浓度。

2.2 一氧化碳检测模块

选用三极式电化学传感器ME-CO作为一氧化碳的传感器，它将CO气体浓度转换为与气体浓度成正比的微弱电流信号，需要进行信号调理。信号调理电路包括恒电位电路、I/V

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转换和信号放大电路[12,13]， 信号调理电路的电路图如图2所示：

Fig. 2 signal conditioning circuit of electrochemical CO sensor

恒电位电路由A1、R1 ~ R3、C1、C2和J177组成 …… 此处隐藏：4502字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……