CN101956564A - 矿井自主智能探测多机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种矿井自主智能探测多机器人系统，其特征在于：所述的多机器人系统是空间分布式的机器人系统，在该多机器人系统中，各子机器人的结构是完全相同的，每个子机器人都是自主智能移动的；多机器人系统根据巷道的实际情况自动进行工作队形的调整；多机器人系统由多个子机器人和无线遥控智能终端组成，最大达到255个子机器人，子机器人主要包括无线通讯模块、智能通讯协调模块、运动机构、自主导航模块和传感器检测模块；子机器人相互间通过无线网络进行通讯连接，并通过智能通讯协调模块确保各子机器人之间协同工作，自动建立与矿井巷道环境相适应的多机器人队列。有效解决了矿难救援过程中探测机器人的多巷道探测、长距离通讯等问题。

Description

矿井自主智能探测多机器人系统

技术领域

本发明涉及一种矿井井下具有防爆能力、能根据巷道实际情况移动的自主智能探测机器人，特别是公开一种矿井自主智能探测多机器人系统，主要用于对煤矿事故巷道进行探测，掌握第一手资料，以便实施救援，属于机器人技术领域，具体说属于矿井探测机器人技术领域。

背景技术

煤矿作为高危行业之一，安全生产始终是头等大事，历来是国家关注的重点，据不完全统计2006年初至2009年底，国内煤矿发生近千起矿难，导致大量矿工死亡。在煤矿事故救援工作中，矿井井下自主智能探测机器人用于掌握事故现场第一手信息和资料，提高救援效率，最大限度减少伤亡和损失。当矿井井下自主智能探测机器人为探测环境信息超过某种极限时，救援队员就不能进入此环境中实施救援，以免引起二次爆炸，避免导致救援队员的伤亡。目前很多专利进行了矿井探测机器人的研究。在用关键词“机器人+矿井”专利搜索中，共有14个项目专利。

CN101643096和CN201249820提出了一种轮式的煤矿井下救援探测机器人，但是该发明最大的缺点是：(1)探测机器人的重心没有控制，导致机器人的爬坡能力和越障能力差；(2)没有选择类似履带结构的轮子，因此容易打滑；(3)没有自主导航模块，因此需要救援队员远程实时遥控，这样需要传输图像和控制命令，通讯带宽要求高，但是巷道的无线通讯能力很差，无法满足无线遥控的要求。为了远程实时遥控，该专利采用了光纤通讯，而在煤矿爆炸时，拖线的探测机器人无法进行实际的工作；(4)该发明中所涉及的机器人不具备多个机器人协调工作的能力，因此也就无法发挥多个机器人能力，极大限制了探测机器人的应用。(5)没有解决远程通讯和复杂矿井环境探测的问题。

CN201516604U、CN201305046、CN201179899、CN101244728、CN101417674提出了模块化履带摇臂式煤矿井下探测机器人。该机器人属于履带式移动平台设计领域，但是这些发明最大的缺点是：(1)履带式探测机器人在煤矿中非常容易被煤渣到硬的物体卡死，尤其是在巷道中转弯时，物体容易进入履带，导致履带被卡死；(2)这些专利所涉及的机器人没有自主导航模块，因此与CN101643096专利的机器人具有同样的问题；(3)这些发明中所涉及的机器人也不具备多个机器人协调工作的能力；(5)没有解决远程通讯和复杂矿井环境探测的问题。

CN101265813是基于无线传感器网络的矿井搜索探测多机器人系统。该专利涉及的机器人是多关节体机器人，它具有蛇形细长结构并采用履带行走方式，具有搭载仓，可携带多个小型侦查机器人；小型侦查机器人，通过沿途的被释放，实现多点信息采集和远距离通讯；远程操控终端，设置在地面上，与多关节体探测机器人和多个小型侦查机器人组成无线传感器网络，搭建起操作者和机器人间的通讯链路；救援人员在远端实时操控机器人各部分的运动，并获取现场环境信息和被困人员信息。这种方式解决了部分远距离通讯的问题。但是主要缺点是：(1)由一个机器人携带多个小的机器人，数量受到限制；(2)在蛇形履带机器人沿途放置小的侦查机器人的过程中，多大距离放置一个小的侦查机器人很难确定，因为巷道的通讯条件差别非常大；(4)蛇形履带机器人不具备自主导航功能，因此需要远程操作人员实时遥控，需要实时视频传输，而由多个小型侦查机器人组成无线传感器网络，无法传输实时的视频图像；(5)小的侦查机器人没有自主导航功能，也无法将其实时视频传输给远程操控终端，因此无法按照救援队员的指令工作；(6)该机器人系统无法解决多巷道探测问题，也就是说，当需要从一个巷道进入另一个巷道工作时，该机器人系统无法整体推进。

发明内容

本发明的目的是解决现有探测机器人的缺陷，公开一种矿井自主智能探测多机器人系统，子机器人间基于无线网络进行通讯连接，自动建立与矿井巷道环境相适应的多机器人队列。

本发明是这样实现的：一种矿井自主智能探测多机器人系统，其特征在于：所述的多机器人系统是空间分布式的机器人系统，在该多机器人系统中，各子机器人的结构是完全相同的，每个子机器人都是自主智能移动的；多机器人系统根据巷道的实际情况自动进行工作队形的调整；多机器人系统由多个子机器人和无线遥控智能终端组成，最大达到255个子机器人，子机器人主要包括无线通讯模块、智能通讯协调模块、运动机构、自主导航模块和传感器检测模块；子机器人相互间通过无线网络进行通讯连接，并通过智能通讯协调模块确保各子机器人之间协同工作，自动建立与矿井巷道环境相适应的多机器人队列。

所述的多机器人系统是通过下列流程建立稳定工作的多机器人系统队列：

1、让第1个子机器人进入矿井巷道实施探测任务，并将环境信息发送到无线遥控智能终端，当无线遥控智能终端显示超出设定的通讯距离时，救援队员让第2个子机器人进入巷道工作；

2、第2个子机器人根据收到的第1个子机器人的运动信息自主运行，并检测与第1个子机器人的通讯距离，当通讯距离太大时，第2个子机器人将以加速的方式自主运行，保持多机器人系统的队形在可靠的工作范围内；

3、当无线遥控智能终端又显示超出设定的通讯距离时，救援队员让第3个子机器人进入巷道工作，第3个子机器人根据收到的第2个子机器人的运动信息自主运行，并检测与第2个子机器人的通讯距离，当通讯距离太大时，第3个子机器人将以加速的方式自主运行，保持多机器人系统的队形在可靠的工作范围内；

4、根据实际要探测的巷道情况，救援队员派出数量不同的多个子机器人进入巷道，建立可靠工作的多机器人系统队列。

所述的多机器人系统在直线巷道中行进时，子机器人之间的距离比较大，当进入有拐弯的巷道时，子机器人之间的距离就自动缩短，进行自动调整；当需要多机器人系统进入下一个巷道进行检测时，救援队员只需发送下一个巷道的信息给多机器人系统，多机器人系统将自动安装目标信息进入下一个巷道工作。

自主智能移动探测子机器人的运动机构由具有防爆功能的窗体和类似履带结构的轮子组成。该运动机构的窗体是具有整体防爆功能，适应在煤矿井下工作。运动机构的轮子具有类似履带结构，这样具有更好的爬坡和越障功能，同时消除了履带结构机器人的固有缺点：履带机器人在运动过程中，容易被煤渣等硬物卡死。在运动机构的设计过程中，为了防止爬坡和越障过程中的翻转，整个探测机器人的重心控制在前轮的范围内。

无线通讯模块主要用于矿井自主智能探测多机器人系统的子系统之间的无线通讯。用于传输数据及控制命令。在该多机器人系统中的各子机器人，既可以是无线终端，也可以是无线通讯的路由器，主要根据子机器人在系统中的位置而定。

自主导航模块是子机器人中最重要的模块。自主导航模块包含硬件和软件，硬件由激光、红外或超声传感器组成，在探测机器人前方270度范围内感应周围的地形环境，自主导航模块的软件部分根据硬件的信息，进行巷道地形的3维重建，在重建的3维地形图上，规划50条路径，然后根据对不同的路径进行可通过性评估，最后选择最优的一条路径运动。自主导航模块使子机器人无需救援队员远程遥控，因此不需要传输实时视频图像，减少了通讯带宽的要求，将有效的带宽用于环境信息的有效传输上。自主导航模块解决了多巷道探测、长距离通讯、巷道环境信息的实时传输等问题。

传感器检测模块安装在子机器人上，用于对巷道中的瓦斯、一氧化碳、温度等进行探测，并通过多机器人系统中子机器人构成的无线网络传输给远程的救援队员。

智能协调通讯模块主要用于多机器人系统中子机器人的协调工作，保持多机器人系统与巷道环境相一致的队形。通过子机器人的智能协调通讯模块，多机器人系统能有效在复杂巷道中进行远距离和实时探测。子机器人之间的协调是通过下面方式进行的：在开始情况下，救援队员将其中的第1个子机器人进入矿井巷道，通过无线遥控智能终端可以实时监测到矿井巷道的环境信息：如瓦斯、温度等。当进入巷道的距离增加时，智能通讯协调模块监测到通讯距离太大，导致通讯带宽降低，通讯不可靠时，救援队员将派第2个子机器人进入巷道。第2个子机器人作为第1个子机器人的路由器，将第1个子机器人上的传感器器信息。当第1个子机器人继续进入巷道时，它将运动信息发送给第2个子机器人，第2个子机器人也以同样的运行进入巷道。其它的子机器人也以同样的方式进行工作。智能协调通讯模块确保多机器人系统有效监控巷道的环境信息，以判断人员能否进入巷道实施救援。多机器人系统的队形是通过智能协调通讯模块来自动调整的，通过自动调整，保证多机器人系统具有与巷道环境相适应的队形。

无线遥控智能终端是多机器人系统的操作平台，能显示探测机器人通过无线网络传输的环境信息。无线遥控智能终端能将巷道的信息输入到各子机器人中，为子机器人的自主导航模块提供目标信息。

多机器人系统通过智能通讯协调模块协调空间分布运行的各子机器人工作。该多机器人系统

本发明的有益效果是：本发明是基于无线网络的矿井自主智能探测多机器人系统，各子机器人在空间是分离的，但是通过无线通讯模块，各子机器人是协同工作的，形成一个有效的系统，各子机器人通过自己的自主导航模块在巷道中自主运行。多机器人系统的工作队形是子机器人根据环境情况自主调节的，该基于无线网络的多机器人系统中比目前现有的任何系统能有更多的子机器人协同工作，由于每个子机器人是自主运行的，因此非常方便从一个巷道转移到另一个巷道中进行探测，有效解决了矿难救援过程中探测机器人的运动能力、多巷道探测、长距离通讯、巷道环境信息的实时传输等问题。

附图说明

图1是本发明矿井自主智能探测多机器人系统的结构示意图；

图2是本发明系统的子机器人结构示意图；

图3是本发明系统的子机器人的模块图；

图4是本发明系统的子机器人的智能通讯协调模块的流程示意图；

图5是本发明系统的多巷道探测示意图。

具体实施方式

下面结合附图用实施例来对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明。

根据附图1，本发明矿井自主智能探测多机器人系统的结构示意图，多机器人系统是空间分布式的机器人系统，在该多机器人系统中，子机器人结构是完全相同的，每个子机器人都是自主智能移动的。多机器人系统的工作队形是子机器人根据环境情况自主调节的。子机器人通过无线网络进行通讯连接，通过智能通讯协调模块确保基于无线网络的矿井自主智能探测多机器人系统的各子机器人之间能协同工作。从图上可以看出，基于无线网络的矿井自主智能探测多机器人系统由第1个子机器人1、第2个子机器人2、第3个子机器人3、第4个子机器人4、第5个子机器人5，……，以及无线遥控智能终端9等组成，多机器人系统最大可以达到255个子机器人。多机器人系统的各子机器人分布在巷道的不同位置，每个子系统都能探测巷道的环境信息，同时也能在巷道中自主运行。各子机器人通过无线网络交互和传递信息。在多机器人系统的无线网络中，不同的子机器人的功能有所不同，主要根据子机器人在系统中的位置而定，第1个子机器人作为无线通讯终端，其它的子机器人作为路由器。在不同的巷道中，通讯条件会有很大的变化，因此多机器人系统应用于不同的巷道，其空间队形会有所变化，在通讯条件好的巷道，子机器人之间的距离较大，在通讯条件差的巷道，子机器人之间的距离大，多机器人系统在巷道中的队形是通过智能通讯模块自动调整的。多机器人系统的队形是通过下面方式自动调节的：当巷道通讯条件差时，第2个子机器人将通过智能通讯模块自动缩短与第1个子机器人1之间的距离，第3个子机器人3同时也自动缩短与第2个子机器人2之间的距离；其它的子机器人也是同样类似工作；当巷道通讯条件好时，第2个子机器人将通过智能通讯模块自动增加与第1个子机器人1之间的距离，第3个子机器人3同时也自动增加与第2个子机器人2之间的距离；其它的子机器人也是同样类似工作。多机器人系统根据巷道环境情况自动调整多机器人的队形。

根据附图2，本发明系统的子机器人结构示意图，自主智能移动探测子机器人的运动机构由具有防爆功能的窗体和类似履带结构的轮子组成。该运动机构的窗体是具有整体防爆功能，适应在煤矿井下工作。运动机构的轮子具有类似履带结构，这样具有更好的爬坡和越障功能，同时消除了履带结构机器人的固有缺点：履带机器人在运动过程中，容易被煤渣等硬物卡死。在运动机构的设计过程中，为了防止爬坡和越障过程中的翻转，整个探测机器人的重心控制在前轮的范围内。运动机构采用四轮驱动结构。

根据附图3，本发明系统的子机器人的模块图，主要包括无线通讯模块11，智能通讯协调模块12，运动机构13，自主导航模块14、传感器检测模块15。子机器人的无线通讯模块11既可以作为路由器，也可以作为通讯终端。子机器人通过自主导航模块14在矿井巷道中自主运行。通过智能通讯协调模块12，多机器人系统保持与巷道环境相一致的队形，确保子机器人之间同步协调。子机器人的无线通讯模块11接收来自无线通讯系统的信息，如果是环境信息和图像信息，无线通讯模块11将转发给下一个子机器人的无线通讯模块11；如果是运动信息，无线通讯模块将转发给子机器人的智能通讯协调模块12。智能通讯协调模块解析运动信息，发送给自主导航模块14，作为自主导航模块14的期望速度。

传感器检测模块主要是按照在子机器人上，用于对巷道中的瓦斯、一氧化碳、温度等进行探测，并通过多机器人系统中子机器人构成的无线网络传输给远程的救援队员。

自主导航模块包含硬件和软件，硬件由激光、红外或超声传感器组成，在探测机器人前方270度范围内感应周围的地形环境，自主导航模块的软件部分根据硬件的信息，进行巷道地形的3维重建，在重建的3维地形图上，规划50条路径，然后根据对不同的路径进行可通过性评估，最后选择最优的一条路径运动。自主导航模块使子机器人无需救援队员远程遥控，因此不需要传输实时视频图像，减少了通讯带宽的要求，将有效的带宽用于环境信息的有效传输上。自主导航模块解决了多巷道探测、长距离通讯、巷道环境信息的实时传输等问题

自主导航模块根据巷道情况，自主规划在巷道中的行走路径，最后将规划的运动信息给运动机构13。多机器人系统的队形是通过智能协调通讯模块来自动调整的，通过自动调整，保证多机器人系统具有与巷道环境相适应的队形。

根据附图4，本发明系统的子机器人的智能通讯协调模块的流程示意图，第1个子机器人1进入巷道，发送自己的运动信息给第2个子机器人，延迟一定时间，再发送自己的运动信息给第2个子机器人，如此循环。也就是说，第1个子机器人1以一定的频率发送运动信息给第2个子机器人。第2个子机器人收到第1个子机器人的运动信息，然后将运动信息发送给自主导航模块，检测与第1个子机器人的通讯距离，当通讯距离大于某一设定值时，将发送加速信息给自主导航模块。其它的机器人都以同样的方式进行协调。

多机器人系统是通过下列流程建立稳定工作的多机器人系统队列：

1、第1个子机器人进入矿井巷道实施探测任务，并将环境信息发送到无线遥控智能终端。当无线遥控智能终端显示通讯距离不可靠时，救援队员将第2个子机器人进入巷道工作。

2、第2个子机器人根据收到第1个子机器人的运动信息自主运行，并检测与第1个子机器人的通讯距离，当通讯距离太大时，第2个子机器人将以加速的方式自主运行。这样保持多机器人系统的队形在可靠的工作范围内。

3、当无线遥控智能终端显示通讯距离不可靠时，救援队员将第3个子机器人进入巷道工作。第3个子机器人根据收到的第2个子机器人的运动信息自主运行，并检测与第2个子机器人的通讯距离，当通讯距离太大时，第3个机器人将以加速的方式自主运行。这样保持多机器人系统的队形在可靠的工作范围内。

4、根据实际要探测的巷道情况，救援队员派出数量不同的子机器人进入巷道，建立能可靠工作的多机器人系统队列。

根据附图5，本发明系统的多巷道探测示意图，在直线巷道中，子机器人系统之间的距离将比较大，当进入有拐弯的巷道时，子机器人系统之间的距离就自动缩短，进行自动调整。因此多机器人系统的队形不是固定的，也不是事先设定，而是多机器人系统自动根据巷道的实际情况自动调整的。当需要多机器人系统进入下一个巷道进行检测时，救援队员只需发送下一个巷道的信息给多机器人系统，多机器人系统将自动安装目标信息进入下一个巷道工作。

Claims (3)

1.一种矿井自主智能探测多机器人系统，其特征在于：所述的多机器人系统是空间分布式的机器人系统，在该多机器人系统中，各子机器人的结构是完全相同的，每个子机器人都是自主智能移动的；多机器人系统根据巷道的实际情况自动进行工作队形的调整；多机器人系统由多个子机器人和无线遥控智能终端组成，最大达到255个子机器人，子机器人主要包括无线通讯模块、智能通讯协调模块、运动机构、自主导航模块和传感器检测模块；子机器人相互间通过无线网络进行通讯连接，并通过智能通讯协调模块确保各子机器人之间协同工作，自动建立与矿井巷道环境相适应的多机器人队列。

2.根据权利要求1所述的矿井自主智能探测多机器人系统，其特征在于所述的多机器人系统是通过下列流程建立稳定工作的多机器人系统队列：

1)让第1个子机器人进入矿井巷道实施探测任务，并将环境信息发送到无线遥控智能终端，当无线遥控智能终端显示超出设定的通讯距离时，救援队员让第2个子机器人进入巷道工作；

2)第2个子机器人根据收到的第1个子机器人的运动信息自主运行，并检测与第1个子机器人的通讯距离，当通讯距离太大时，第2个子机器人将以加速的方式自主运行，保持多机器人系统的队形在可靠的工作范围内；

3)当无线遥控智能终端又显示超出设定的通讯距离时，救援队员让第3个子机器人进入巷道工作，第3个子机器人根据收到的第2个子机器人的运动信息自主运行，并检测与第2个子机器人的通讯距离，当通讯距离太大时，第3个子机器人将以加速的方式自主运行，保持多机器人系统的队形在可靠的工作范围内；

4)根据实际要探测的巷道情况，救援队员派出数量不同的多个子机器人进入巷道，建立可靠工作的多机器人系统队列。

3.根据权利要求1所述的矿井自主智能探测多机器人系统，其特征在于：所述的多机器人系统在直线巷道中行进时，子机器人之间的距离比较大，当进入有拐弯的巷道时，子机器人之间的距离就自动缩短，进行自动调整；当需要多机器人系统进入下一个巷道进行检测时，救援队员只需发送下一个巷道的信息给多机器人系统，多机器人系统将自动安装目标信息进入下一个巷道工作。

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