CN104597913A

CN104597913A - 一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人

Info

Publication number: CN104597913A
Application number: CN201510004302.0A
Authority: CN
Inventors: 王燕清; 石朝侠; 王一璞
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2015-01-06
Publication date: 2015-05-06

Abstract

近年来，采矿安全生产问题引起了社会的广泛关注。在灾害发生前如何对隐患进行准确及时的检测与预防，灾后如何尽最大可能的进行施救。但现今，对煤矿信息探测的研发，我国基本主要专注于陆地机器人的研究。由于煤矿环境复杂，地面常有积水、石头以及凸凹不平等地面状况，发生事故的煤矿环境非常复杂，地面有积水、存在大量可燃易爆和有毒气体。本发明提出了用于煤矿信息勘探的八旋翼飞行机器人，可以装载不同的传感设备，应用在不同的领域，大大扩展了其实用性，在各种工作中，承担各种信息采集和勘探的任务，提高工作效率、替代人工作业，对于国民经济可产生具大经济效益、社会效益。

Description

一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人

技术领域：

本发明涉及一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人，通过传感器网络实时检测煤矿里的各种数据信息,分析传感器传回的数据判断,然后做出相应的动作；基于场景-拓扑的自主定位方法的飞行机器人飞行导航环境重建，为矿上人员提供各类信息集合，并使报警装置发出声音等信号提醒,从而实现了对矿下信息进行的有效监控和报警以及信息采集。

背景技术：

中国是矿藏丰富，随着矿藏的大量开发，矿难事故也时有发生。面对与日俱增的应急需求,特别是面对日趋复杂的安全生产指挥调度应用,还都不能满足安全生产的现状。近年来，采矿安全生产问题引起了社会的广泛关注。在灾害发生前如何对隐患进行准确及时的检测与预防，灾后如何尽最大可能的进行施救。同时，有关矿难预防工作主要体现在安全规范的落实，矿洞环境变化的监测，安全区域的检测，重要信息的报警。

近年来,随着嵌入式处理器,微传感器技术的快速发展,机器人逐步向高效,准确,多功能化方向发展。采用机器人进行监控可以实现二十四小时的不间断检测，能扩大检测的区域和发现人工无法发现的危险信息，并且能及时自动报警，降低灾害发生的机率，为人民生命财产安全提供有利的保障。矿难发生后，探测机器人可以第一时间获得井下受灾情况，进行信息的反馈，为制定救援方案提供有效依据，通常需要大量的巡逻人员不时地检查该环境的各个角落，以保障整个大的环境中人员及财产安全，需要进行救援时有会面临井下环境不明的情况，这个时候派出机器人对井内情况进行探查，确定环境无危险后，派出救护人员进行救援。

在各种控制理论和控制方案日益成熟的情况下,飞行机器人的控制问题由传统的手动无线电遥控飞行逐渐转化为自主控制飞行。目前,飞行机器人凭借结构简单,性能可靠,高度灵活性和适应性等特点,使其在无人机学术研宄领域成为新的前沿和热点。

但现今，对煤矿信息探测的研发，我国基本主要专注于陆地机器人的研究。由于煤矿环境复杂，地面常有积水、石头以及凸凹不平等地面状况，发生事故的煤矿环境非常复杂，地面有积水、存在大量可燃易爆和有毒气体。同时对防爆还有很高的要求，地面探测机器人，对于越过障碍和防爆装置都提出了较高的要求。而两者之间，又存在相互制约和矛盾的状态。

本发明提出了煤矿搜救八旋翼飞行机器人，可以装载不同的设备，应用在不同的领域，大大扩展了其实用性，在各种工作中，承担各种信息采集和勘探的任务，提高工作效率、替代人工作业，对于国民经济可产生具大经济效益、社会效益。

煤矿搜救八旋翼飞行机器人如果能够合理利用无人飞行器的自主飞行及视频监控功能，不仅可大量减少巡逻人员在大环境中的工作量，同时利用无人飞行器对场地的小要求，可以使无人飞行器到达该环境的各个角落，提高监控力度，扩大监控范围。

发明内容：

本发明的目的是提供一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

1）一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人，其组成包括：以八旋翼小型飞行器作为基础系统，搭载激光测距机、可见光摄像头、超声波传感器、风力传感器、气体传感器、生命探测器、压力传感器、读写器、温度传感器

以及机载处理器等设备，设计实现了一个完整的可视导航验证系统如何在环境信息有限且复杂的情况下获得煤矿下各类数据信息的机械载体。该系统主要由微控制器、传感器模块、电源模块、驱动模块、支撑单元等组成。在环境信息有限且复杂的情况下获得高精度环境建模和自定位结果，与飞控系统提供的惯导数据融合，进而提出局部估计与全局校正相结合的优化框架，利用机载处理器与地面站协同运算，最终达到了厘米级别的定位精度。

2）根据权利要求1所述的一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人，其特征是：所述的微控制器为基于16位CPU处理芯片扩展板。

3）根据权利要求1或2所述的一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人，其特征是：所述的各类传感器为分别与16位CPU处理芯片扩展板连接。

4）根据权利要求1或2所述的一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人，其特征是：由于防爆无刷直流电机采用隔爆的防爆形式，自动变速器内的电磁离合器和电磁制动器电气参数满足本质安全防爆形式的要求。

5）基于场景-拓扑的自主定位方法的飞行机器人飞行导航环境重建，其特征是：飞行机器人利用场景-拓扑的时空不变特征对图像的比例缩放、旋转、三维视角、噪声、光强的变化具有较好的不变性，飞行机器人的自主定位问题可以简化为特征匹配问题。即通过当前节点的场景与地图库中的场景匹配，可以实现飞行机器人在拓扑地图中的定位。能够代替操作人员执行定时巡检任务，在遇到设备运行异常时能及时报警，并能在技术人员的远程操控下与调控中心现有固定方位监控系统组成全方位移动感知系统，能够使技术人员根据需求获取想要的现场信息，做出合理、科学的应急决策，为调控中心飞行机器人的推广应用提供重要的理论基础和技术支撑。

6）为保障飞行器飞行和进近着陆过程中高效的环境信息采集、高速飞行条件下实现采集信息与飞行器位置的高精度配准以及准确重建飞行环境，生成实时、可信的合成视景系统奠定了基础。无人机具有零伤亡、费效比低、部署灵活等鲜明特点，在军用和民用领域有着极其广泛的应用。

7）八旋翼飞行器通过控制八个旋翼的旋转,实现垂直起降、定点悬停、旋转、侧飞、倒飞等功能。其简单的结构、低廉的成本、灵活的机动性以及特殊的控制方式等优势。

8）控制平台主要由运动控制卡与带PCI总线插槽的PC机构成。PC机通过PCI接口向运动控制卡发送运动控制指令,并获取运动控制卡的当前状态量以及相关控制参数,实现实时控制功能。各种传感器数据，通过DSP内部算法融合处理后，通过WIFI数据进行传输。本发明中主要的电气设备为防爆无刷直流电机和行星自动变速器内的电磁离合器和电磁制动器。

发明的有益效果：

与普通的固定翼飞行器、单旋翼飞行器相比,八旋翼无人飞行器拥有许多独特应用优势:

(1)机动性强：八旋翼飞行器可控性强,能在非常狭小的空间中直接起飞,也能很方便实现定点悬停、低速飞行、侧飞、倒飞及定点旋转等,机动灵活。

(2)能源利用率高：八旋翼飞行器组件都是电动设备,直接采用电能供电,比油动型直升机及固定翼飞行器能源利用率要高很多,且更为环保。

(3)安全性高：八旋翼飞行器由八个旋翼同时旋转提供升力,较普通直升机而言,有效降低了每个旋翼的最高转速。

（4）通过飞机携带的读写器，实现自定位和人员定位的功能。

（5）通过自身携带的传感器获得各类数据信息，通过无线通信的发式传送给矿上人员。

（6）代替陆地机器人，具有自巡航和导航能力。

本发明的八旋翼飞行机器人的指标如下：

（1）整机轻量化：含供电电池在内，整机重量在 5kg 以内；

（2）提高有效载荷：有效载荷达到10kg；

（3）飞行时间在 30 分钟左右；

（4）飞行高度稳定控制：能够保持离地 3m 内可靠悬停；

（5）姿态角度精准控制：俯仰与横滚角度控制范围在±30°，偏航角控制范围 0～360°；

（6）在稳定悬停时，受某一轴向干扰能够自动调节，迅速恢复平稳状态；

（7）由于防爆无刷直流电机采用隔爆的防爆形式，行星自动变速器内的电磁离合器和电磁制动器电气参数满足本质安全防爆形式的要求。

附图说明：

附图1是发明的八旋翼飞行机器人的结构图。

1．摄像头 2. 压力传感器 3. 温度传感器 4.飞行控制板 5. 读写器 6.激光传感器7.风力传感器 8.气体传感器 9.生命探测器 10超声波传感器

附图2是发明的控制系统总体设计图。

具体实施方式：

1. 一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人，其组成包括：以八旋翼小型飞行器作为基础系统，搭载激光测距机、可见光摄像头、超声波传感器、风力传感器、气体传感器、生命探测器、压力传感器、读写器、温度传感器

2.根据权利要求1所述的一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人，其特征是：所述的微控制器为基于16位CPU处理芯片扩展板。

3.根据权利要求1或2所述的一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人，其特征是：所述的各类传感器为分别与16位CPU处理芯片扩展板连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人，其特征是：由于防爆无刷直流电机采用隔爆的防爆形式，自动变速器内的电磁离合器和电磁制动器电气参数满足本质安全防爆形式的要求。

5．八旋翼飞行器通过控制八个旋翼的旋转,实现垂直起降、定点悬停、旋转、侧飞、倒飞等功能。其简单的结构、低廉的成本、灵活的机动性以及特殊的控制方式等优势。

6.基于场景-拓扑的自主定位方法的飞行机器人飞行导航环境重建，其特征是：飞行机器人利用场景-拓扑的时空不变特征对图像的比例缩放、旋转、三维视角、噪声、光强的变化具有较好的不变性，飞行机器人的自主定位问题可以简化为特征匹配问题。即通过当前节点的场景与地图库中的场景匹配，可以实现飞行机器人在拓扑地图中的定位。能够代替操作人员执行定时巡检任务，在遇到设备运行异常时能及时报警，并能在技术人员的远程操控下与调控中心现有固定方位监控系统组成全方位移动感知系统，能够使技术人员根据需求获取想要的现场信息，做出合理、科学的应急决策，为调控中心飞行机器人的推广应用提供重要的理论基础和技术支撑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人，其组成包括：以八旋翼小型飞行器作为基础系统，搭载激光测距机、可见光摄像头、超声波传感器、风力传感器、气体传感器、生命探测器、压力传感器、读写器、温度传感器以及机载处理器等设备，设计实现了一个完整的可视导航验证系统如何在环境信息有限且复杂的情况下获得煤矿下各类数据信息的机械载体；该系统主要由微控制器、传感器模块、电源模块、驱动模块、支撑单元等组成；在环境信息有限且复杂的情况下获得高精度环境建模和自定位结果，与飞控系统提供的惯导数据融合，进而提出局部估计与全局校正相结合的优化框架，利用机载处理器与地面站协同运算，最终达到了厘米级别的定位精度。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人，其特征是：所述的微控制器为基于16位CPU处理芯片扩展板。

3.根据权利要求1或2所述的一种煤矿、隧道环境下的八旋翼飞行机器人，其特征是：所述的各类传感器为分别与16位CPU处理芯片扩展板连接。

5.八旋翼飞行器通过控制八个旋翼的旋转,实现垂直起降、定点悬停、旋转、侧飞、倒飞等功能；其简单的结构、低廉的成本、灵活的机动性以及特殊的控制方式等优势。

6.基于场景-拓扑的自主定位方法的飞行机器人飞行导航环境重建，其特征是：飞行机器人利用场景-拓扑的时空不变特征对图像的比例缩放、旋转、三维视角、噪声、光强的变化具有较好的不变性，飞行机器人的自主定位问题可以简化为特征匹配问题；即通过当前节点的场景与地图库中的场景匹配，可以实现飞行机器人在拓扑地图中的定位；能够代替操作人员执行定时巡检任务，在遇到设备运行异常时能及时报警，并能在技术人员的远程操控下与调控中心现有固定方位监控系统组成全方位移动感知系统，能够使技术人员根据需求获取想要的现场信息，做出合理、科学的应急决策，为调控中心飞行机器人的推广应用提供重要的理论基础和技术支撑；以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。