«робофинист» Свободная творческая категория
Скачать 233.42 Kb.
|
МЕЖДУНАРОДНЫЙ ФЕСТИВАЛЬ РОБОТОТЕХНИКИ «РОБОФИНИСТ»  Свободная творческая категория (средняя) РОБОТ-ИССЛЕДОВАТЕЛЬ ШАХТ СМИРНОВ АНДРЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ, Центр научно-технического творчества молодежи ФКП «Нижнетагильский институт испытания металлов», г. Нижний Тагил 2017 г. Оглавление
Введение Процессы добычи угольных месторождений в отечественной и мировой практике являются наиболее опасными из всех видов деятельности, что подтверждается высоким уровнем травматизма на шахтах США, России, Китая, Украины, Индии и др. Важно отметить, что самым опасным из видов добычи угольных месторождений является подземная добыча угля. Согласно данным исследования австралийского Университета Вуллонгонга проводимого в 2008 году, несчастных случаев со смертельным исходом при подземной добыче угля с конца XIX века произошло в 48 раз больше, чем при открытой. Так, в США в среднем каждый год с 2003-го по 2007 й погибало до 30 человек. В 2015 году погибших было 11, но угольная отрасль в Америке к этому времени почти прекратила свое существование1. В России шахты взрываются почти каждый год. Самая страшная авария, когда погибло 110 человек, произошла в 2007 году на шахте «Ульяновская» «Южкузбассугля». В 2010 году из-за взрыва на «Распадской» погиб 91 человек. В феврале 2013 года во время аварии на «Воркутаугле» погибло 19 человек. В результате серии взрывов на шахте «Северная» в феврале 2016 года погибло 36 человек, включая пятерых спасателей2. Последняя авария в Свердловской области произошла 23 октября 2014 года на шахте «Магнетитовая» под Нижним Тагилом3. В результате обрушения породы один из работников оказался погребён под завалом. Поиск пострадавшего был осложнен завалом прохода, заполненным огнем, дымом и вредными газами, а также возможностью повторного обрушения. Все это не дало возможность своевременно начать работу спасательным группам и шахтерам. Когда возникают такие ситуации, где условия труда для человека становятся опасными, то целесообразно подключить к работе робота, который мог бы исследовать территорию шахты. Человек-оператор должен лишь осуществлять дистанционное или автоматизированное управление роботизированным средством в безопасном месте. Один из первых шахтных роботов был разработан в 2002 году в США, в Карнеги-Меллон Университете Робототехники. В 2005 году впервые робот был послан в угольную шахту штата Кентукки для изучения условий заброшенной шахты. Инженеры Карнеги-Меллон и сегодня продолжают эксперименты по созданию подобных роботизированных систем. В отечественной горнодобывающей промышленности до сих пор слабо используются роботизированные системы и совсем отсутствуют подобные роботы-исследователи для организации спасательных операций и проведения исследований особо опасных участков шахт. Исключением являются разработки специалистов Всероссийского научно-исследовательского института противопожарной обороны (ВНИИПО) МЧС России, которые планируют к 2017-2018 г. подготовить и запустить в работу робота-разведчика, предназначенного для поиска и спасения горняков, пострадавших при авариях, а также для проведения мониторинга в разрушенных угольных шахтах. Студенты Томского политехнического университета работают над созданием автономного робота-гексапода, использующего для передвижения шесть ног. Робот обладает системой технического трехмерного зрения, может искать людей под завалами с помощью тепловых и ультразвуковых датчиков. Данный проект пока также не завершен. Актуальность и недостаточная разработка проблемы создания спасательных робототехнических средств для проведения поисковых и разведывательных работ в аварийных шахтах, а также возрастающие потребности практики работы в зонах чрезвычайной ситуации определили выбор темы нашего проекта: Робот-исследователь шахт. Цель проекта: создание на базе платформ Arduino NANO и Wemos D1 R1 модели робота для проведения исследований особо опасных участков шахт. Задачи проекта: 1. Исследовать критерии для создания робота, согласно условиям работы в зоне чрезвычайной ситуации. 2. Проанализировать технический состав современных систем роботов-исследователей. 3. Обосновать виды и принцип работы датчиков, входящих в состав робота-исследователя. 4. Собрать действующую модель робота-исследователя шахт на базе платформ Arduino NANO и Wemos D1 R1. 5. Апробировать модель робота-исследователя шахт. Индекс международной патентной классификации (МПК): E21F 5/00 - средства техники безопасности, транспорт, закладка выработанного пространства, оборудование для спасательных работ, вентиляция или дренаж рудников или туннелей. 1. ТЕХНИЧЕКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ФУНКЦИОНАЛ Предложенный нами робот-исследователь шахт (рис.1.) предназначен для проведения поисковых и разведывательных работ в аварийных шахтах.  Wi-Fi Arduino NANO; Wemos D1 R1 Рис. 1. Робот-исследователь шахт в сборе Технические характеристики робота-исследователя шахт Габаритные размеры, мм:…………………………………………….315*150*150 Масса, кг:…………………………………………………………………………2-3 Время беспрерывной работы, минут, не менее:……………………….………120 Преодоление преград: - земляной вал высотой, см, максимум:…………………………………………10 - ров шириной, см, максимум:……………………………………………………10 Стабильный прием сигнала на местности, м, не менее:……………………....300 Определение очагов возгорания, м, не менее:……………………………………3 Определение состава газов в воздухе: углекислый газ, угарный газ, аммиак, бензол, оксид азота и пары спирта, пыль, дым и т.д. Определение концентрации газов, %, с погрешностью не более:.....................5% Основные возможности и функционал робота-исследователя шахт:
2. ПРИНЦИП РАБОТЫ Робот-исследователь шахт имеет гусеничную платформу для передвижения по практически любым поверхностям; датчики, с помощью которых составляется карта шахты, распознаются опасные вещества в воздухе; видеокамеру, транслирующую изображение на удаленный компьютер, позволяющую в реальном времени наблюдать за роботом и осуществлять его передвижение по шахте через дистанционное управление. Для активизации работы датчиков робота-исследователя, на базе платформ Arduino NANO и Wemos D1 R1, к которым они и подсоединены, устанавливаются заранее подготовленные программы (Приложение № 1)   Рис. 2. Интерфейс программы Arduino IDE Рис. 3. Интерфейс программы ESPlorer Программное обеспечение – Arduino IDE; ESPlorer (рис. 2,3). Язык программирования – C/C++ объединенный с библиотекой AVR Libc; Lua.  С помощью данной программы робот-исследователь передвигается по шахте, сканирует ее и выводить на экран компьютера графики (рис.4), на основе которых можно определить состояние изученной территории и составить карту шахты.Для выполнения основных функций робота-исследователя шахт, были задействованы следующие датчики [6]: Рис. 4. Интерфейс радара У  льтразвуковой датчик расстояния hc-sr04 Ультразвуковой датчик выполняет роль сканера по обследованию шахты – графики выводятся на экран компьютера, за которым сидит оператор, осуществляющий дистанционное управление роботом и отслеживающий общее состояние шахты. В отличие от зарубежных аналогов, с помощью ультразвуковых датчиков возможна работа и при сильной задымленности. Датчик газа MQ-135  Рост уровня загазованности в шахтах – крайне опасное явление, которое может спровоцировать взрывы и привести к травмам или гибели шахтеров, поэтому робот оснащен датчиком газа, который может обнаружить вредные вещества в окружающей среде: углекислый газ, угарный газ, аммиак, бензол, оксид азота и пары спирта, пыль, дым и т.д. Чувствительность датчика регулируется с помощью потенциометра.Основным рабочим элементом датчика является нагревательный элемент, за счет которого происходит химическая реакция, в результате которой получается информация о концентрации газа.  Датчик огня KY-026Модуль реагирует на открытое пламя. Воспринимающим элементом датчика служит фотодиод получающий инфракрасное излучение.  Модуль 3-х осевого гироскопа и акселерометра GY-521, который делает робота более устойчивым. Также важность данного датчика заключается в том, что в режиме полной остановки, робот может зафиксировать малейшие колебания в грунте, тем самым предвидеть надвигающийся обвал в шахте. Схема подключения датчиков представлена на рис. 5.  Рис. 5. Электрическая схема робота-исследователя шахт 3. УПРАВЛЕНИЕ РБОТОМ Управление роботом-исследователем осуществлялось при помощи клавиатуры компьютера, которым управляет оператор, находящийся в безопасном месте (рис.6). Беспроводная связь между оператором и роботом осуществляется с помощью Wi-Fi и Bluetooth 4.0. Этот способ был выбран из-за того, что беспроводные сети дают возможность передвигаться роботу, успешно преодолевая препятствия. Беспроводная связь также осуществляет возможность свободного перемещения оператора, так как расстояние между ним и роботом может быть различным. Процесс передвижения робота можно наблюдать с помощью Wi-Fi, на экране рабочего компьютера. Для трансляции используется IP-камера, установленная на роботе-исследователе и программа с возможностью видео-передачи.  Рис. 6. Схема управления роботом 4. АНАЛИЗ АНАЛОГОВ Один из первых шахтных роботов был разработан в 2002 г. в США, в Университете Робототехники. Он был назван Groundhog (англ. – сурок). Робот использовал лазеры, чтобы «видеть» в темноте туннелей для исследования заброшенных шахт, это одна из самых опасных задач в этой отрасли [3]. Один из последних прототипов, называется CaveCrawler (англ. – пещерный лазутчик). Он немного меньше чем Groundhog, и даже более высокотехничный. Он может снимать видео и делать фотографии и имеет сенсоры, оценивающие содержание опасных газов. Этот робот полностью автономен – никаких кабелей, соединяющих его с поверхностью. Он так же изучает шахту, сканируя ее в трех измерениях, и ориентируется в своих перемещениях по только что созданной карте. Серьезным недостатком этих моделей, является то, что используемые для навигации лазеры не дееспособны в сильно задымленных условиях. Поэтому инженеры в CarnegieMellon продолжают экспериментировать с сонарными технологиями и с радарными системами. В отечественной же горнодобывающей промышленности практически отсутствуют подобные роботы-исследователи. Исключением являются комплекс ТeleMAX, который предназначен для замены людей в особо опасных ситуациях, робот перемещать и складывать в контейнеры предметы массой до 5 кг, а также выполнять высокоточные технологические операции. Telemax применяется совместно с роботом Teodor, является меньшим по размеру роботом, который ориентирован, в первую очередь, на обезвреживание боеприпасов в ограниченных пространствах. Он отличается высокой мобильностью, может проходить через 500 мм препятствия. ТeleMAX – это военный робот-манипулятор, который может быть использован в спасительных операциях, проводимых и в шахтах, но, при этом робот не имеет возможности исследовать общее состояние окружающие среды, прописывать карту шахты [5, 8]. В 2016 году на выставке ВДНХ томские студенты впервые представили модель робота-паука, который предназначен для работы в экстремальных условиях при обвале зданий и шахт. Робот умеет распознавать предметы перед собой и обходить препятствия на пути. Благодаря зрению, установленному на основе готовой медиатеки, робот может определять неровности ландшафта и формировать модель походки [7]. Модель паука находится на стадии доработки. По замечаниям его создателей, существенными недостатками паука являются: неустойчивость, проблема энергоснабжения и автономность робота. В прошлом году, после трагедии на угольной шахте в Воркуте, Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны (ВНИИПО) МЧС России получил задание создать робота-спасателя для работы в аварийных шахтах [1]. Робота планируют оснастить дополнительной «подсветкой», несколькими видеокамерами, а также установить газоанализатор. Работа над проектом запланирована на 2017 – 2018 годы, но уже сегодня специалисты ВНИИПО отмечают ряд проблем, связанных с его созданием: сложность передвижения таких роботов под землей, взрывобезопасность и надежность связи. В результате проведенного анализа, нами были выделены критерии для сравнительной характеристики роботов, задействованных во время проведения визуальной разведки в зонах чрезвычайной ситуации (см. табл. № 1). Таблица № 1 Анализ аналогов роботизированных систем, используемых в спасательных операциях в шахтах
5. АНАЛИЗ И ТЕСТИРОВАНИЕ ОБРАЗЦА  Техническое задание «Конструирование и сборка робота-исследователя шахт»  Цель работы: создание функционирующего образца робота-исследователя шахт Задачи работы: - разработка систем управления роботом; - разработка и сборка основных агрегатных узлов робота; - конструирование и сборка функционирующего робота. Материально-техническое обеспечение: ФКП «НТИИМ» обеспечивает разработку, конструирование и сборку робота-исследователя шахт в рамках образовательной программы лаборатории компьютерных технологий и робототехники. Общие положения: Робот-исследователь шахт должен соответствовать следующим требованиям: - способность преодолевать препятствия типа вал, ров, водная преграда глубиной до 5 см; - дистанционное управление с обратной видеосвязью и данными с датчиков; - возможность определения состава и уровня концентрации газов в воздухе; - возможность определения очага возгорания; - бесперебойная работа в течение 120 мин. Оценка выполненных работ проводится по результатам испытаний. Объем испытаний: Прохождение препятствий типа вал, ров, водной преграды глубиной до 5 см. без потери функциональных возможностей. Пробег по пересеченной местности не менее 300 м. Бесперебойное определение состава и уровня концентрации газов в воздухе в течение не менее 120 мин. Определение открытого пламени с интервалом 30 сек. в течение 30 мин. Отчетность: По результатам проведения испытаний составляется протокол испытания.   Протокол № 100/2 Предварительных испытаний робота исследователя шахт 1.Основание: 1.1. Заявка от отдела ЦНТТМ от 12.12.2016 года. 2. Объект испытаний: 2.1. Образец робота-исследователя шахт № 100/3/01. 3. Цель испытаний: 3.1. Проверка соответствия робота-исследователя шахт тактико-техническим требованиям. 4. Материально-техническое обеспечение: 4.1. ЦНТТМ поставил на испытание образец робота-исследователя шахт № 100/3/01 в количестве 1 шт. 4.2. ФКП «НТИИМ» обеспечил испытания: 4.2.1. Пробеговой трассой с преградами. 4.2.2. Аттестованным измерительным оборудованием для контроля заданных параметров испытуемого объекта. 5. Условия проведения испытаний: 5.1. Пробеговая трасса с преградами типа вал, ров различной конструкции, водная преграда глубиной 5 см, площадка с открытым пламенем. 5.2. Камера с возможностью наполнения и регулированием уровня концентрации газами заданными тактико-техническим заданием. 6. Результаты испытаний: 6.1. Преодоление пробеговой трассы с преградами типа вал, ров, водная преграда - удовлетворительно. 6.2. Определение очага возгорания (открытого пламени) с интервалом 30 сек. в течение 120 мин. – удовлетворительно. 6.3. Бесперебойное определение состава и уровня концентрации газов в воздухе в течение 120 мин. – удовлетворительно. 6.4. Бесперебойная работа всех систем от собственной аккумуляторной батареи в течение не менее 120 мин. 6.5. Стабильное дистанционное управление на открытой местности с передачей видеосигнала и данных с датчиков на дистанции не менее 350 метров. 7. Заключение: 7.1. Замечаний к подготовке и проведению испытаний нет. 7.2. Испытания проведены в полном объеме. 7  .3. Образец робота-исследователя шахт № 100/3/01 заданным тактико-техническим требованиям – соответствует. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Анализ разработок отечественных и зарубежных исследователей позволил выявить ряд важных проблем, с которыми сталкиваются проектировщики при создании подобных роботов:
Опираясь на опыт исследователей, мы попытались выполнить собственную модель робота-исследователя шахт, который выполняет несколько важных функций с помощью использования различных датчиков. Конструктивные и принципиальные решения, используемые при разработке робота-исследователя шахт, позволяют использовать в практической деятельности для проведения поисковых и разведывательных работ в аварийных шахтах. Робот-исследователь шахт прошел предварительные испытания на сборочно-испытательном производстве Федерального казенного предприятия «Нижнетагильский институт испытания металлов», по результатам которых образец робота-исследователя шахт соответствует заданным тактико-техническим требованиям. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение 1. Код управляющей программы работы робота srv=net.createServer(net.TCP) srv:listen(80,function(conn) conn:on("receive", function(client,request) local buf = "Boom :D"; local _, _, method, path, vars = string.find(request, "([A-Z]+) (.+)%?(.+) HTTP"); --/1.1 200 OK\r\nContent-Type: application/json;\r\ncharset=UTF-8 if(method == nil)then _, _, method, path = string.find(request, "([A-Z]+) (.+) HTTP"); end local _GET = {} if (vars ~= nil)then for k, v in string.gmatch(vars, "(%w+)=(%w+)&*") do _GET[k] = v end end print("\nMethod: "..method); print("Path: "..path); if(path == "/forward")then forward() elseif(path == "/backward")then backward() elseif(path == "/left")then left() elseif(path == "/right")then right() elseif(path == "/stop")then stop() elseif(path == "/getVals")then --fire if(gpio.read(D2) == 0)then fire = " Огонь: --- "; else fire = " Огонь: Есть " end; --gas if(gpio.read(D3) == 1)then gas = " Газ: --- " else gas = " Газ: Есть " end; buf = " | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 | «без звезд», от «1 звезда» до «5 звезд», а также соответствия требованиям к категориям номеров: «сюит», «апартамент», «люкс», «джуниор... | | Изучение английского языка в 5 классе обеспечивает достижение следующих образовательных результатов |
 | Гражданам России для въезда на территорию Соединенных Штатов Америки требуется виза, которая оформляется в посольстве и консульствах... | | Васильева Ирина Владимировна, первая квалификационная категория, заявленная первая квалификационная категория, мсоу «Озоно-Чепецкая... |
| Зональная ярмарка педагогических идей «Опираясь на собственный опыт: Коллективная творческая деятельность в дши» (далее – Ярмарка),... | | В паспорте должна быть как минимум одна свободная страница для вклеивания визового стикера |
| К 29 Категория «социального» в современной педагогике и психологии: материалы 2-й научно-практической конференции (заочной) с международным... | | ... |
| «Не лаять на слона» а, консолидировав левый спектр политических сил России в Движение, вынудить Власть свернуть с авторитарного пути... | | I. История вопроса стр. 4 |