CN103057680A - 一种矿用防爆潜水器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿用防爆潜水器，包括前端部、主腔体、后端部，其中主腔体包括电池箱体（1）、主控制箱体（2）、深度传感器（3）、防护罩（5）、电源开关装置（6）、升降推进器（8）、主推进器（9）等，各系统包括导航系统、成像系统、通讯系统、动力系统、控制系统；潜水器的舵向及速度变化由两个主推进器螺旋桨的转速来实现，升降变化由升降推进器内安装的螺旋桨转速来实现，潜水器的姿态控制和调整由浮力块装置来实现。本发明采用防爆防水设计，结构简单，体积小巧，造价经济，易于推广；适用于煤矿井下水灾探测，用来了解井下事故情况，为抢险救援提供正确的决策依据。

Description

一种矿用防爆潜水器

技术领域

本发明涉及的是水下机器人领域，具体的说是煤矿井下水灾探测的防爆机器人。

背景技术

煤矿水灾事故是矿井四大灾害之一，水灾事故突发性强、危害大。煤矿井下一旦发生井巷透水时，现场矿工往往被困在井下局部空间内与外界失去联系，而矿难抢险救援工作最需要及时获得事故现场情况。当煤矿井下现有救援通道的较大范围内水体淹没时，目前国内外通用的做法是从地面开凿救援钻孔直至井下事发区域，将电话机和摄像头等器材沿孔道投入井下了解情况，以便实施开展有针对性的救援工作，但是这些器材本身不具备潜水能力，探测区域受到很大限制。

目前的矿井救援机器人涉水深度有限，已有技术中，专利号为ZL 200920218549.2 “模块化履带摇臂式煤矿井下探测机器人”的实用新型专利，此实用新型具有防爆、防水，越障能力强，特别适用于煤矿井下的探测搜救工作。 其涉水深度在500mm以下，不具备潜水能力，在发生透水事故时不能起到救援作用，为此需要一种矿用水下机器人设备能在发生事故时及时进行抢险救援。

现今的水下机器人种类较多，主要用于深海探测及军事侦察，不符合防爆要求，而只有符合防爆标准的设备才可以在煤矿井下工作。迄今为止缺少一种适用于矿用防爆领域的水下机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于煤矿水灾事故中探测的潜水器，结合矿用抢险机器人和水下机器人各自的特点，实现两者的优势互补，达到矿用井下设备的使用要求。

本发明的目的是这样实现的：本发明的矿用防爆潜水器的光缆只传输数据，不传输动力，这样就降低了脐带电缆的重量和产生的阻力，使得潜水器的活动范围可以达到2000米。潜水器的动力由装在电池箱体内的电池提供。控制指令由操控终端通过光缆传送到潜水器，潜水器的反馈指令及实时视频图像、声纳信号等数据通过光缆再返回到操控终端。

本发明是一种矿用防爆潜水器，包括后端盖、电池箱体、主控制箱体、电源开关装置、升降驱动装置、驱动装置、深度传感器装置，摄像机防护罩、前端盖及主控制箱体构成防爆水密封外壳，防护罩内部的舵机上安装有可旋转的摄像机，主控制箱体的上部有光线出线嘴、升降驱动装置，光缆通过光纤出线嘴传出来连接到操作终端；主控制箱体的两侧各装有一个驱动装置，此装置的作用是控制潜水器前进、后退及转向。主控制箱体的一侧装有深度传感器，此深度传感器也是防爆结构，用来探测外部压力。主控制箱体的内部装有主控制计算机、水下摄像机及成像声纳控制元件。浮力块采用环氧树脂材料制作，光缆由控制计算机引出，通过出线嘴与潜水器外相连，再由浮力块的尾部传出与地面进行数据传输。电池控制箱内部的电源开关由安装在后端盖上的内部磁铁安装块与外部磁铁安装块来控制干簧管，达到电源的断开与闭合。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

图1为本发明的主视图。

图2为本发明的剖视图。

图3为本发明的主推进器的剖视图。

图4为本发明电源开关装置的剖视图。

图5为本发明的左视图。

图6为本发明的立体图。

图7为本潜水器的主要控制框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

图1所示为本发明潜水器主视结构示意图。主控制箱体2下部设置有水下成像声纳13用于探测矿井水底地形，其数据由控制计算机处理压缩后通过脐带光缆传到操控终端。潜水器的斜下部装有深度传感器3，潜水器外壳包括主控制箱体2与电池箱体1，在选择潜水器外壳材料时，既要满足一般潜水器的壳体材料的耐腐蚀、比强度、冲击韧性及可焊接性，又要符合井下设备的防爆要求。目前较常用的材料有铸铁、铸钢、钢、铝、钢化玻璃等，针对特定机器人，通过对材料的装配性、可设计性、比强度、可生产性及经济性的比较，本发明中，最优选用不锈钢材料制作。主控制箱体2与电池箱体1之间用螺栓固定，采用圆筒结合面达到防爆要求，用O型密封圈达到防水要求。穿墙端子28内部注有环氧树脂，电源线经穿墙端子28引出，与主控制计算机16相连。

潜水器的上部设计有一个光纤出线嘴15，通讯光缆可以通过光纤出线嘴15引出，使光缆可以与地面进行数据传输，光纤出线嘴15为防爆防水设计。潜水器的上部还装有一个升降推进器8，其动力主要由升降电机29提供，来实现潜水器的垂直升潜。升降推进器8的外部被浮力块10包裹着，浮力块10为分体流线型结构，可以通过自身的结构特点在潜水器放航时，通过自身浮力自动漂浮起来，下潜时可降低潜水器升降推进器8内的电机29负载。

图2为本发明结构图1的剖视图。潜水器前端部的防护罩5与主控制箱体2一起构成本发明潜水器的防爆外壳，兼具防爆、防水性能。防护罩5为耐压透明材料，可以是钢化玻璃材料制作；主控制箱体2与电池箱体1采用防爆连接（圆筒隔爆面）、由O型密封圈达到防水效果，其内部装有摄像机7和主控制计算机16，摄像机7由舵机27控制旋转，其数据由主控制计算机16处理后通过光缆传输到操控终端。主控制计算机16上安装有导航设备17，其数据由主控制计算机16处理后通过光缆传输到操控终端。潜水器的内部还装有深度传感器3，电池箱体1内部设置有电池12，为各推进电机29及各种电气设备提供直流电源，主控制箱体的两侧各安装有一个主推进器9，主推进器9外壳与防爆防护罩5构成防爆、防水结构，主推进器9外壳内部安装有水下探照灯18，探照灯18可以为摄像机7提供照明。

图3为本发明主推进器的剖视图。本主推进器不需要专门的磁耦合器，只需要将永磁铁21分别安装在内磁铁座20与外磁铁座22内，电机29带动内磁铁座20旋转，通过内磁铁座20与外磁铁座22的永磁铁21吸合直接带动螺旋桨转动，此结构只有静密封，没有动密封，可以完全保证密封性。升降推进器的转动原理与主推进器的原理相同。 

图4为本发明电源开关装置的剖视图。电池的电源开关内安装有干簧管来控制开关闭合和断开，干簧管的控制是由2个永磁铁21控制的，永磁铁21安装在滑道19中，后端盖14的内外两侧分别安装一个滑道19，调节拨动钮25带动永磁铁21在滑道19中滑动，内腔永磁铁21也随着滑动，起到控制干簧管通断的作用。

图5为本发明结构的左视图。位于潜水器端部的透明钢化防护罩5与主体外壳一起构成本发明潜水器的防爆外壳，兼具防爆性能，防护罩5为防爆钢化玻璃制作。主控制箱体2的两侧各安装有一个主推进器9，主推进器9外壳与防爆防护罩5构成防爆、防水结构。主推进器9主要用于推进，还可以通过调节转速达到水平面内转向的作用，其动力主要由两个电机29提供。潜水器的内部还装有深度传感器3，潜水器的上部还装有一个升降推进器8，其动力主要由电机29提供，来实现潜水器的垂直升潜。

图6为本发明的整体结构立体图。浮力块10为分体流线型结构，可以通过自身的结构特点在潜水器放航时，通过自身浮力漂浮起来，来降低潜水器升降推进器8内的电机29负载。主控制箱体2下部设置有水下成像声纳13用于探测矿井水底地形，其数据由控制计算机处理压缩后通过脐带光缆传到操控终端。

图7为本潜水器的主要控制框图。主要由潜水器本体及操控终端的控制系统框图组成，两者通过通讯光缆相连接，操控终端通过拨动控制摇杆及按键，发出指令，经AD 转换，将各模拟信号转换为数字信号，经串口通讯模块来实现对潜水器各推进器速度、方向的控制、照明灯的亮度调节以及摄像机云台角度的设定。潜水器本体主要实现对推进器的动力驱动、数据采集、上下位机的通讯等。其系统选用ATmega128 作为主处理器，CPU产生5路PWM信号用于控制主推进器、升降推进器、摄像机舵机和探照灯亮度控制； 两路I2C接口用于导航数据的采集和温度采集，1路RS485用于上下位机通信，2路ADC用于电量采集及深度传感器数据的采集。其工作流程为ATmega128处理器首先进入系统初始化程序，包括时钟配置、I/O 口的初始化、外设模块的初始化等。初始化结束后，开中断，处理器进入串口接收数据的判断循环当中，各传感器及电机等设备执行操控终端发出的指令开始工作。

本发明所述的防爆潜水器的内部连接是这样的关系为：舵机及探照灯与主控制计算机相连接，电机的驱动器一端与电池相连接，另一端与主控制计算机相连接。光端机发射端的光口与操控终端的接收端相连接，网口与主控制计算机相连接。导航设备的输出端与主控制计算机的输入端相连接；成像声纳的输出端与主控制计算机的输入端相连接。主控制计算机的一个输入端与电池相连接，输出端与电机、深度传感器、导航设备、成像声纳、舵机及温度传感器相连接。电池的一端分出两路与电源模块相连接，一路输出本安电源给深度传感器，另一路输出本安电源给可旋转摄像机。

导航设备、罗盘、深度传感器、成像声纳等传感器测定位置、速度、姿态信息，通过RS232 串口与主控制计算机相连，通过深度传感器得到深度变化信号，通过成像声纳将测定的水下目标的距离和目标图像传送到主控制计算机，主控制计算机通过探测到的信息经过差值运算作出位置及姿态的调整指令，发出方向指令及速度指令，方向指令传送到2个主推进器9，来调整2个驱动电机的不同转速来改变航向，速度指令传送到升降推进器8，执行潜水器升潜动作。同时主控制计算机将运算结果传送到光端机发出端，再通过脐带光缆经光端机接收端传到计算机，由液晶显示屏显示探测到的信息。

本发明矿用防爆潜水器应用在矿井水灾事故时，由地面指挥系统平台通过光缆向潜水器发送遥控指令，主控制计算机16控制各个运动机构（升降推进器、主推进器）执行该指令，达到所要求的潜水器下潜状态。潜水器通过光缆向地面指挥系统平台发回摄像机7、成像声纳13及深度传感器3、导航设备17等传感器的探测获得的数据，地面指挥系统平台通过该数据，确定矿井下透水事故情况，为紧急救援提供正确的决策依据。

Claims (13)

1.一种矿用防爆潜水器，包括前端部、主腔体、后端部，其特征在于：所述前端部包括前端盖（4）、防护罩（5）、舵机（27），在防护罩（5）内安装有摄像机（7），主控制箱体（2）与防护罩（5）为圆筒隔爆面防爆联接，防护罩（5）由防爆材料制成。

2.如权利要求1所述的矿用防爆潜水器，其特征在于：所述主腔体包括电池箱体（1）、主控制箱体（2），电池箱体（1）的内部安装有电池（12），电池保护板安装在主控制箱体（2）内。

3.如权利要求2所述的矿用防爆潜水器，其特征在于：主控制箱体（2）与电池箱体（1）之间用螺栓固定，用O型密封圈密封，穿墙端子（28）内部注有环氧树脂，电源线经穿墙端子（28）引出，与主控制计算机（16）相连。

4.如权利要求2所述的矿用防爆潜水器，其特征在于：所述主控制箱体（2）上安装有升降推进器（8）及主推进器（9）；主控制箱体（2）下部设置有水下成像声纳（13）用于探测矿井水底地形；主体腔的斜下部装有深度传感器（3）；所述后端部包括电源开关装置（6），电源开关装置（6）的滑道内安装有永磁铁（21）控制干簧管（26）。

5.如权利要求1所述的矿用防爆潜水器，其特征在于：所述防护罩（5）为耐压透明材料，或者钢化玻璃制成。

6.如权利要求1所述的矿用防爆潜水器，其特征在于：所述主腔体上有一个光纤出线嘴（15），通讯光缆可以通过光纤出线嘴（15）引出，使光缆可以与地面进行数据传输；所述主腔体上部还装有一个升降推进器（8），其动力由电机（29）提供，来实现潜水器的垂直升潜；升降推进器（8）的外部被浮力块（10）包裹着，浮力块（10）为分体流线型结构。

7.如权利要求2所述的矿用防爆潜水器，其特征在于：主推进器（9）外壳内部安装有水下探照灯（18），探照灯（18）可以为摄像机（7）提供照明。

8.一种电源开关装置，包括滑道（19），干簧管固定板（24），拨动钮（25），干簧管（26），其特征在于：干簧管（26）安装在干簧管固定板（24）中，电池电源的闭合和断开受安装在滑道（19）上的永磁铁（21）控制。

9.如权利要求8所述的电源开关装置，其特征在于：所述拨动钮（25）可以带动后端盖（14）的内外永磁铁（21）在滑道（19）中滑动。

10.如权利要求8所述的电源开关装置，其特征在于：所述电源开关内安装有干簧管（26）来控制开关闭合和断开，干簧管（26）的控制是由2个永磁铁（21）控制的，永磁铁（21）安装在滑道（19）中，后端盖（14）的内外两侧分别安装一个滑道（19），调节拨动钮（25）带动永磁铁（21）在滑道（19）中滑动，起到控制干簧管（26）通断的作用。

11.一种主推进器，包括电机（29）、永磁铁（21）、内磁铁座（20）和外磁铁座（22），其特征在于：永磁铁（21）分别安装在内磁铁座（20）与外磁铁座（22）内，电机(29)带动内磁铁座(20)旋转，通过内磁铁座（20）与外磁铁座（22）的永磁铁（21）吸合直接带动螺旋桨转动。

12.一种潜水器用的操控装置，包括地面操控终端和潜水器接收端，其特征在于：地面操控终端和潜水器接收端通过通讯光缆相连接，操控终端通过拨动控制摇杆及按键，发出指令，经AD 转换，将各模拟信号转换为数字信号，经串口通讯模块来实现对潜水器各推进器速度、方向的控制、照明灯的亮度调节以及摄像机旋转角度的设定。

13.一种防爆潜水器，包括电机、舵机、深度传感器、温度传感器、导航设备、电池、光端机发射端、网口、主控制计算机、成像声纳，其特征在于：舵机及探照灯与主控制计算机相连接；电机的驱动器一端与电池相连接，另一端与主控制计算机相连接；光端机发射端的光口与操控终端的接收端相连接，网口与主控制计算机相连接；导航设备的输出端与主控制计算机的输入端相连接；成像声纳的输出端与主控制计算机的输入端相连接；主控制计算机的一个输入端与电池相连接，输出端与电机、深度传感器、导航设备、成像声纳、舵机及温度传感器相连接；电池的一端分出两路与电源模块相连接，一路输出本安电源给深度传感器，另一路输出本安电源给摄像机。

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