CN104991553B - 一种面向未知封闭空间的自主探测基站群 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种面向封闭空间的自主探测基站群，属于空间环境探测领域。系统包括四个可自主移动的探测基站，其中，各探测基站相对于空间起始点的坐标已知，探测程序启动后，基站启动移动装置依次向前移动，当碰撞检测器接触到障碍物后及时进行规避移动。每次单位距离移动完成后，各基站通过超宽带无线电模块进行相互定位及数据通信并启动陀螺寻北仪进行误差消除。与此同时，启动红外热成像仪，气体探测器，CCD图像传感器感知空间数据并储存在工业硬盘中，从而建立空间状态数据库。本发明适用于未知封闭空间的环境探测，同时也适用于封闭环境中的目标自主定位及跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及一种自主探测基站群，特别是涉及一种面向封闭空间的自主探测基站群及其探测方法。
背景技术
目前，对于危险工况环境下的工业领域来说，发展方向更趋于无人化、智能化。这就要求工业机器人需要有较高的自主性。而趋于封闭空间的工况使得机器人的自主精确定位变得更加困难，如矿井、深海、火灾现场、石油勘探、核电站等，这是因为空间的封闭使得空间内外的信息无法得到实时交互，从而机器人无法在封闭空间中建立机身坐标系与外界大地坐标系的关系。
在封闭空间中传统的目标定位方法大体可分为两种：一种是利用由里程计以及陀螺仪等惯性测量单元组成的惯性导航系统，但该系统具有很大局限性。这是因为该系统随着时间的增加，误差会迅速增大，并且当机器人受到碰撞或者产生滑移时，累积的误差无法消除，从而导致系统的失效。另一种是在封闭环境中布置位置已知的坐标点，通过利用图像、无线电、红外线等方法建立机身坐标系相对于已知坐标点的关系，再解算到大地坐标系中。但这种方法无法做到真正的自主化，由于需要人工事先布置已知定位点，所以仍然无法将工作人员从危险封闭的环境中彻底解放出来。
鉴于传统技术的种种缺陷，为了实现在封闭环境中的环境自主探测及机器人自主定位，将工作人员彻底从危险、未知、封闭的工作环 境中解救出来。经过不断的研究及设计，并经反复试验及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
技术问题：本发明的主要目的在于，针对未知、危险、封闭的空间环境下的传统机器人定位及探测技术的种种缺陷。提出一种面向封闭空间的自主探测基站群。主要包括4部具有探测、移动、通信等功能的自主探测基站。4部基站互相测距、通信并且定位。通过基站依次避障前移，从而实现基站群坐标系的精确变换。与此同时，通过探测模块可以实时感知周围环境并储存在工业硬盘中。当空间探测完成后将环境信息带回起始点。本发明旨在实现封闭空间的无人化探测以及封闭空间中的目标机器人的跟踪与导航。
技术方案：本发明的目的是这样实现的：该系统包括四个可自主移动的探测基站，每个探测基站由1个基架、7个支撑柱、1个支撑板、1套移动装置、5个红外热成像仪、1个单片机、2套防撞击保护装置(包括前部保护装置及顶部保护装置)、9个碰撞检测器、1个陀螺寻北仪、1个气体探测器、1套超宽带无线电模块、1个CCD图像传感器、2个探照光源、1个工业硬盘、2个本安电池组成。
所述的基架由6根角钢焊接而成。7根支撑柱由螺栓固定在基架上，其中，4根用来连接支撑板，2根用来连接前部防撞击保护装置，1根用来连接红外热成像仪。
所述的移动装置由2个电机固定板、2个电机支架、2个步进电 机、2个联轴器、2个橡胶轮胎、1个万向轮支撑架以及1万向轮构成。其中，电机固定板通过螺栓螺母机构安装在基架上，电机支架固定在电机固定板上，步进电机焊接在电机固定板上。橡胶轮胎通过联轴器与步进电机相连接。
所述的5个红外热成像仪固定在机身前方的支撑柱上，并且成一定角度分布，可扩大探测区域。前部的防撞击保护装置通过减震弹簧与2个支撑柱连接。9个碰撞检测器安装在防撞击保护装置前方，可检测来自机身前方各角度的碰撞。
所述的支撑板通过4跟支撑柱固定在基架上。CCD图像传感器、单片机、超宽带模块安装在支撑板的上侧，工业硬盘及超宽带天线安装在支撑板的下侧。所述的2个探照光源安装在CCD图像传感器的两侧，为图像的采集提供光源。
所述的顶部防撞击保护装置包括3个减震液压油缸及1个橡胶材质的保护盔。其中，减震液压油缸安装在支撑板上方，油缸的一端连接支撑板，另一端连接橡胶保护盔。从而保护机身免受来自顶部的撞击。
所述的面向封闭空间的自主探测基站群，其特征是:自主探测基站包括5部分探测模块，包括CCD图像传感器、红外热成像仪、碰撞传感器、陀螺寻北仪及气体传感器。各模块通过电路与单片机相连接并且进行双向通信。单片机分别控制左右步进电机，步进电机与橡胶轮胎通过机构相连。超宽带无线电模块与单片机通过电路相连接，并可进行双向通信。超宽带无线电模块内又包括：1个微处理器、1个 铷原子钟、1个通信电路、1个脉冲电路，超宽带天线与超宽带无线电模块通过机构相连。单片机与工业硬盘通过电路相连接，并且可以将处理过后的坐标信息、图像信息、碰撞信息、气体信息、红外热成像信息传输进入工业硬盘。本安电池可以为单片机、步进电机、探照光源、工业硬盘及超宽带无线电模块提供电力支持。
所述的面向封闭空间的自主探测基站群的自主探测方法是：
(1)将4部自主探测基站放置在封闭空间入口处，并设定空间坐标系基准，与此同时，确定各基站初始位置坐标。
(2)启动空间自主探测程序。
(3)打开探测基站群所有探测模块，启动第一部基站移动装置，当碰撞检测器接收到前方的碰撞信号时，反馈给单片机，单片机通过控制左右步进电机进行避障移动。
(4)当第一部自主探测基站移动完成后，启动超宽带无线电通信模块，通过发射超宽带无线电脉冲信号对其他三部静止的基站进行测距，将测得的距离信息通过微处理器解算成坐标位置信息。与此同时，将探测模块获得的环境信息与位置坐标信息一同传输至工业硬盘中储存。
(5)同理，其余三部自主探测基站按照探测程序依次向前移动并探测。每次只允许一部基站移动，其它基站保持静止，从而实现坐标系的连续平移。
(6)当空间探测完成后，自主探测基站群按照已获得的坐标位置信息返回到空间入口处。
所述的面向封闭空间的自主探测基站群可用于封闭空间的环境探测，此外还可用于封闭空间内的目标跟踪与导航。并且，移动机构不限于轮式行走机构，还可应用至深空空间、深海空间、深地空间自主探测。
本发明面向未知封闭环境的自主探测基站群与现有技术对比，具有明显的有点与有益效果。借由上述技术方案，本发明提供的自主探测基站群可达到相当的技术进步性及实用性性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
(1)本发明利用4部具有探测、移动、通信功能的自主探测基站建立局域空间内的机身坐标系。解决了封闭空间下目标自主定位的难题。将工作人员从未知、危险、封闭的工作环境中彻底解放出来。
(2)本发明的自主探测基站群的通信模块采用超宽带无线电技术，利用高精度的铷原子钟以及3.6-10.2Ghz的超宽带无线电，采用信号双向飞行时间测距发，大大提高了系统定位精度，在检测范围内，系统定位误差可控制在1cm。
(3)本发明的自主探测基站群通过步进电机控制橡胶轮胎，使得自主基站群可以自主移动并自主探测，同时通过基站间的高精度定位，从而完成基站群坐标系的前移。并且，当基站群发生碰撞或者滑移时，通过基站间的相互定位，可以消除由碰撞或滑移产生的误差，大大提高了系统定位精度。
(4)本发明的自主探测基站群探测模块中，CCD图像传感器可实时获取周围环境的图像信息，当光线条件差时，可开启探照光源。 红外热成像仪可实时获取周围环境的红外热像图。气体传感器可探测环境中的空气成分。陀螺寻北仪可矫正基站群的行进路线。碰撞传感器可感知前方的障碍物，并通过步进电机控制橡胶轮胎进行避障移动。
(5)本发明的自主探测基站群的放碰撞保护装置通过弹簧、橡胶保护层及油缸等减震装置，可有效保护机身关键模块的安全，提高了系统的稳定性。
该系统适用于未知封闭空间的自主探测，如地质勘探、深海勘探、考古勘探等。也适用于封闭空间的目标跟踪及导航，如矿井开采、石油钻井、地铁建设、火灾现场救援、核电站抢修等危险领域。
综上所述，其具有上述诸多的优点及实用价值，其自主探测原理和结构设计未见公开发表或实用而确属创新，在封闭空间探测技术领域上有很大突破，并产生了好用及实用的效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述如此结构构成的本发明一种面向未知封闭空间的自主探测基站群的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。
如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何 形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
附图说明
图中：
图1是自主探测基站结构示意图
图2是自主探测基站侧视图
图3是自主探测基站俯视图
图4是自主探测基站系统图
图5是自主探测方法图
图中：
1：基架 2：支撑柱
3：支撑板 4：行走装置
5：红外热成像装置 6：单片机
7：碰撞保护装置 8：碰撞检测器
9：陀螺寻北仪 10：超宽带无线电模块
11：CCD图像传感器 12：探照光源
13：本安电池 13：电机固定板
14：电机支架 15：步进电机
16：联轴器 17：橡胶轮胎
18：万向轮支撑架 19：万向轮
20：红外热成像仪 21：红外装置支撑柱
22：碰撞保护装置支撑柱 23：防撞击保护板
24：液压减震油缸 25：橡胶保护板
26：气体探测器 27：本安电池
28：工业硬盘 29：超宽带无线电天线
30：探照光源 31：微处理器
32：铷原子钟 33：通信电路
34：脉冲电路
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的面向未知封闭空间的自主探测基站群的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
本发明较佳实施例的面向未知封闭空间的自主探测基站群，如图1(a)、图2、图3所示，其特征是：该系统包括四个可自主移动的探测基站，每个探测基站由1个基架(1)、7个支撑柱(2)、1个支撑板(3)、1套移动装置(4)、1套红外热成像装置(5)、1个单片机(6)、2套防撞击保护装置(7)(包括前部保护装置及顶部保护装置)、9个碰撞检测器(8)、1个陀螺寻北仪(9)、1个气体探测器(26)、1套超宽带无线电模块(10)、一套无线电天线(29)、1个CCD图像传感器(11)、2个探照光源(12)、1个工业硬盘(28)、2个本安电池组成(13)。所述的基架由6根角钢焊接而成。7根支撑柱由螺栓固定在基架上，其中，4根用来连接支撑板，2根用来连接前部防撞击保护装置，1根用来连接红外热成像仪。
如图1(b)所示，所述的移动装置(4)由2个电机固定板(13)、2个电机支架(14)、2个步进电机(15)、2个联轴器(16)、2个橡胶轮胎(17)、1个万向轮支撑架(18)以及1万向轮构成(19)。其中，电机固定板(13)通过螺栓螺母机构安装在基架(1)上，电机支架(14)固定在电机固定板(13)上，步进电机(15)焊接在电机支架(14)上。橡胶轮胎(17)通过联轴器(16)与步进电机(15)相连接。
如图1(c)所示，所述的5个红外热成像仪(20)固定在机身前方的红外装置支撑柱(21)上，并且成一定角度分布，可扩大探测区域。前部的防撞击保护板(23)通过减震弹簧与2个碰撞保护装置支撑柱(22)连接。9个碰撞检测器(8)安装在防撞击保护板(23)的前方，可检测来自机身前方各角度的碰撞。
如图1(d)(e)所示，所述的支撑板(3)通过4跟支撑柱(2)固定在基架(1)上。CCD图像传感器(11)、单片机(6)、超宽带无线电模块(10)安装在支撑板的上侧，工业硬盘(28)及超宽带无线电天线(29)安装在支撑板(3)的下侧。所述的2个探照光源(12)安装在CCD图像传感器(11)的两侧，为图像的采集提供光源。
如图1(f)所示，所述的顶部防撞击保护装置包括3个减震液压油缸(24)及1个橡胶材质的橡胶保护板(25)。其中，减震液压油缸(24)安装在支撑板(3)上方，油缸(24)的一端连接支撑板(3)，另一端连接橡胶保护板(25)。从而保护机身免受来自顶部的撞击。
如图4所示，所述的自主探测基站，其特征是:自主探测基站包括5部分探测模块，包括CCD图像传感器(11)、红外热成像仪(20)、碰撞传感器(8)、陀螺寻北仪(9)及气体传感器(26)。各模块通过电路与单片机(6)相连接并且进行双向通信。单片机(6)分别控制左右步进电机(15)，步进电机(15)与橡胶轮胎(17)通过机构相连。超宽带无线电模块(10)与单片机(6)通过电路相连接，并可进行双向通信。超宽带无线电模块(10)内又包括：1个微处理器(31)、1个铷原子钟(32)、1个通信电路(33)、1个脉冲电路(34)，超宽带天线(29)与超宽带无线电模块(10)通过机构相连。单片机(6)与工业硬盘(28)通过电路相连接，并且可以将处理过后的坐标信息、图像信息、碰撞信息、气体信息、红外热成像信息传输进入工业硬盘(28)。本安电池(27)可以为单片机(6)、步进电机(15)、探照光源(30)、工业硬盘(28)及超宽带无线电模块(10)提供电力支持。
如图5所示，所述的面向封闭空间的自主探测基站群的自主探测方法是：
(1)将4部自主探测基站群A、B、C、D放置在封闭空间入口处，并设定空间坐标系基准，与此同时，确定各基站初始位置坐标。
(2)启动空间自主探测程序。
(3)打开探测基站群A、B、C、D所有探测模块(8)(9)(11)(20)(26)，启动第一部基站A移动装置(4)，当碰撞检测器接收到前方的碰撞信号时，反馈给单片机(6)，单片机通过控制左右步进电机(15)进行避障移动。
(4)当第一部自主探测基站A移动完成后，启动超宽带无线电通信模块(10)，通过发射超宽带无线电脉冲信号对其他三部静止的基站B、C、D进行测距，测距方法如下：
(5)首先由基站A的单片机(6)向基站A的超宽带无线电模块(10)发送脉冲测距指令，经过微处理器(31)处理，向脉冲电路(34)发送发射指令，与此同时，向铷原子钟(32)发射计时指令。脉冲电路通过天线(29)向周围空间发送无差别超宽带无线电波。(5)当基站B、C、D中的超宽带无线电天线(29)接收到来自基站A发出的超宽带脉冲信号时，B、C、D中的铷原子钟(32)立刻开始计时，经过微处理器(31)处理后，通过脉冲电路(34)及天线(29)，B、C、D中的超宽带无线电模块(10)再次向周围发送一次无差别超宽带无线电波，此电波中附带B、C、D基站从接收脉冲到再次发射脉冲中的时间包，该时间包由各基站的铷原子钟(32)提供。当基站A接收到来自基站B、C、D返回发射的超宽带无线脉冲时，由铷原子钟(32)记录下接收时刻，根据公式其中，R是两基站之间直线距离，t3是接收时刻，t1是发射时刻，t2是时间包，c是电磁波传播速度。微处理器将测得的距离信息解算成坐标位置信息。与此 同时，将探测模块获得的环境信息与位置坐标信息一同传输至工业硬盘中储存。
(6)同理，其余三部自主探测基站按照探测程序依次向前移动并探测。每次只允许一部基站移动，其它基站保持静止，从而实现坐标系的连续平移。
(7)当空间探测完成后，自主探测基站群按照已获得的坐标位置信息返回到空间入口处。
上述如此结构构成的本发明掘进机自主定位定向系统及方法的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。
如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种面向封闭空间的自主探测基站群，其特征是：包括四个可自主移动的探测基站，每个探测基站由1个基架、7个支撑柱、1个支撑板、1套移动装置、5个红外热成像仪、1个单片机、2套防撞击保护装置、9个碰撞检测器、1个陀螺寻北仪、1个气体探测器、1套超宽带无线电模块、1个CCD图像传感器、2个探照光源、1个工业硬盘、2个本安电池组成；
所述的基架由6根角钢焊接而成；7根支撑柱由螺栓固定在基架上，其中，4根用来连接支撑板，2根用来连接前部防撞击保护装置，1根用来连接红外热成像仪；
所述的移动装置由2个电机固定板、2个电机支架、2个步进电机、2个联轴器、2个橡胶轮胎、1个万向轮支撑架以及1万向轮构成；其中，电机固定板通过螺栓螺母机构安装在基架上，电机支架固定在电机固定板上，步进电机焊接在电机支架上，橡胶轮胎通过联轴器与步进电机相连接；
所述的5个红外热成像仪固定在机身前方的支撑柱上，并且成一定角度分布，可扩大探测区域；前部的防撞击保护装置通过减震弹簧与2个支撑柱连接；9个碰撞检测器安装在防撞击保护装置前方，可检测来自机身前方各角度的碰撞；
所述的支撑板通过4跟支撑柱固定在基架上；CCD图像传感器、单片机、超宽带模块安装在支撑板的上侧，工业硬盘及超宽带天线安装在支撑板的下侧；所述的2个探照光源安装在CCD图像传感器的两侧，为图像的采集提供光源；
顶部防撞击保护装置包括3个减震液压油缸及1个橡胶材质的保护盔；其中，减震液压油缸安装在支撑板上方，油缸的一端连接支撑板，另一端连接橡胶保护板；从而保护机身免受来自顶部的撞击；
面向封闭空间的自主探测基站群的自主探测方法包括：
(1)将4部自主探测基站放置在封闭空间入口处，并设定空间坐标系基准，与此同时，确定各基站初始位置坐标；
(2)启动空间自主探测程序；
(3)打开探测基站群所有探测模块，启动第一部基站移动装置，当碰撞检测器接收到前方的碰撞信号时，反馈给单片机，单片机通过控制左右步进电机进行避障移动；
(4)当第一部自主探测基站移动完成后，启动超宽带无线电通信模块，通过发射超宽带无线电脉冲信号对其他三部静止的基站进行测距，将测得的距离信息通过微处理器解算成坐标位置信息；与此同时，将探测模块获得的环境信息与位置坐标信息一同传输至工业硬盘中储存；
(5)同理，其余三部自主探测基站按照探测程序依次向前移动并探测；每次只允许一部基站移动，其它基站保持静止，从而实现坐标系的连续平移；
(6)当空间探测完成后，自主探测基站群按照已获得的坐标位置信息返回到空间入口处；
所述面向封闭空间的自主探测基站群用于封闭空间的环境探测及目标跟踪与导航。
2.根据权利要求1所述的一种面向封闭空间的自主探测基站群，其特征是:自主探测基站包括5部分探测模块，包括CCD图像传感器、红外热成像仪、碰撞传感器、陀螺寻北仪及气体传感器；各模块通过电路与单片机相连接并且进行双向通信；单片机分别控制左右步进电机，步进电机与橡胶轮胎通过机构相连；超宽带无线电模块与单片机通过电路相连接，并可进行双向通信；超宽带无线电模块内又包括：1个微处理器、1个铷原子钟、1个通信电路、1个脉冲电路，超宽带天线与超宽带无线电模块通过机构相连；单片机与工业硬盘通过电路相连接，并且可以将处理过后的坐标信息、图像信息、碰撞信息、气体信息、红外热成像信息传输进入工业硬盘；本安电池可以为单片机、步进电机、探照光源、工业硬盘及超宽带无线电模块提供电力支持。
3.根据权利要求1所述的一种面向封闭空间的自主探测基站群，其特征在于，移动机构不限于轮式行走机构，还可应用至水下自主探测。
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