CN105303949A - 一种基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，包括由钢结构框架构成的封闭箱体结构，该封闭箱体结构沿长度方向的通道作为机器人的工作通道；在工作通道的底面间隔设置有压板，在压板的下方设置有压力检测传感器，障碍物根据实验需求放置在工作通道的底面上；通过粉尘发生系统、照明系统、空气加湿系统和除尘除湿系统改变工作通道内的粉尘浓度、环境照度和空气湿度，通过机器人的移动改变机器人视觉装置与障碍物之间的距离。本发明能够真实的反应煤矿巷道情况，通过改变粉尘浓度、空气湿度、环境照度和摄像机与障碍物的距离，来测试上述因素对于煤矿救援机器人障碍图像识别的影响，为实现煤矿救援机器人井下自主导航提供研究实验平台。

Description

一种基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统

技术领域

本发明涉及一种基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，属于机器人视觉实验技术。

背景技术

我国煤炭资源丰富，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。由于我国煤矿地质条件差、含瓦斯煤矿多，加上煤矿开采设备机械化水平低、从业人员操作不规范等原因，使得煤矿事故时有发生。煤矿发生瓦斯爆炸后，产生的高温高压极易将原巷道、通讯设备等破坏，同时矿井环境极度不稳定，有发生二次爆炸的可能，致使救援人员很难第一时间到达事故现场开展救援工作。因此，研发能够替代或协助救援人员进入矿井灾区进行环境探测和搜救任务的煤矿救援机器人，是非常必要的。

由于灾后矿井环境非常复杂，出现照明缺失、空气中弥漫粉尘与水雾、障碍物散落地面等状况，对机器人的行走探测以及远程遥控产生了严重影响。这就要求煤矿救援机器人具有一定的环境感知和障碍识别能力，从而保证机器人能够自主避障导航。而自主避障导航功能的实现，主要依赖于机器人的视觉。由于井下环境恶劣，特别是光线不足、粉尘多、湿度大等原因，导致视频监控系统中的摄像机采集到的视频清晰度受到影响，图像细节不清，画面模糊，对障碍物的信息识别与提取造成不便。而在目前的机器人视觉实验环境系统中，大多数实验环境系统是针对于地面理想状况，该系统一般处于较为宽敞、平坦的环境中，光照充足，粉尘浓度和空气湿度适中。在这种实验环境下，机器人视觉实验效果的好坏很大程度上取决于处理算法的优劣，而非环境因素。目前的机器人视觉实验环境系统很难模拟灾后井下的复杂环境，不能满足煤矿救援机器人对视觉实验环境的要求。为了减少井下复杂环境对煤矿救援机器人障碍图像识别的影响，必须在多种不同环境下进行实验，通过采集大量数据信息进行分析验证，进而找到适用于井下复杂环境的煤矿救援机器人障碍图像识别方法。但在实际操作中，每一个矿井环境仅仅对应某种单一正常的环境情况，如果人为的改变井下环境情况，例如增加井下粉尘浓度等，将会大大增加矿井发生灾难的可能性，对人身安全和财产安全等带来危害。因而，在煤矿井下现场进行机器人视觉实验并采集数据信息，存在非常大的难度。

为此，设计一种基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，该环境系统能够真实的反应煤矿井下情况，并且能够改变环境中照度、粉尘浓度和湿度等因素，为研究井下复杂环境对煤矿救援机器人障碍图像识别的影响提供了非常有效的实验平台。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，用于模拟灾后矿井复杂环境，方便训练煤矿救援机器人对障碍图像进行识别。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，包括由钢结构框架和壁面构成的封闭箱体结构，该封闭箱体结构沿长度方向的通道作为机器人的工作通道；沿工作通道的长度方向，在工作通道的底面间隔设置有压板，在压板的下方设置有压力检测传感器，障碍物根据实验需求放置在工作通道的底面上；在封闭箱体结构上布置粉尘发生系统、照明系统、空气加湿系统和除尘除湿系统，通过粉尘发生系统、照明系统、空气加湿系统和除尘除湿系统改变工作通道内的粉尘浓度、环境照度和空气湿度，通过机器人的移动改变机器人视觉装置与障碍物之间的距离，通过压力检测传感器检测机器人在工作通道内的位置。

具体的，所述粉尘发生系统包括粉尘浓度检测传感器、鼓风机和煤粉箱，煤粉箱用于储存煤粉，煤粉箱通过煤粉输送管道与鼓风机相连，煤粉通过鼓风机释放到工作通道中，以此来增加工作通道内的粉尘浓度，通过粉尘浓度检测传感器检测工作通道内的粉尘浓度。

具体的，所述照明系统包括照度检测传感器和照明灯具，通过改变照明灯具的亮度来改变工作通道内的环境照度，通过照度检测传感器检测工作通道内的环境照度。

具体的，所述空气加湿系统包括空气湿度检测传感器、储水箱和加湿器，储水箱用于储存加湿水，储水箱通过输水管道与加湿器相连接，加湿水通过加湿器释放到工作通道中，以此来增加工作通道内的空气湿度，通过空气湿度检测传感器检测工作通道内的空气湿度。

具体的，所述除尘除湿系统包括进气扇、排气扇、排气管道和空气净化水箱，进气扇设置在工作通道的前端，排气扇设置在工作通道的后端；当工作通道内的粉尘浓度或空气湿度过高时，同时开启进气扇和排气扇，通过排气扇将工作通道内的空气经由排气管道释放到空气净化水箱中，同时进气扇将外部的空气补充到工作通道内，以此保持工作通道内的气压平衡，同时降低工作通道内的粉尘浓度或空气湿度。

具体的，所述封闭箱体结构的后端设置有透光观测窗，透光观测窗位置设置有隔离层，移动隔离层后可通过透光观测窗观测工作通道内的情况。

有益效果：本发明提供的基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，通过粉尘发生系统、照明系统、空气加湿系统、除尘除湿系统和机器人的移动，能够改变工作通道中粉尘浓度、照度、空气湿度和机器人与障碍物之间的距离等参数，通过机器人视觉装置采集障碍物图像，通过计算机进行障碍图像识别；本发明的机器人视觉实验环境系统能够进行煤矿救援机器人障碍图像识别等科研活动。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为机器人的局部剖面；

图中：1-工作通道，2-钢结构框架，3-储水箱，4-输水管道，5-加湿器，6-照明灯具，7-粉尘浓度检测传感器，8-照度检测传感器，9-空气湿度检测传感器，10-鼓风机，11-煤粉输送管道，12-煤粉箱，13-透明观测窗，14-隔离层，15-排气扇，16-排气管道，17-空气净化水箱，18-障碍物，19-压力检测传感器，20-压板，21-电器设备总控开关，22-数据采集卡，23-计算机，24-中继放大器，25-通讯线缆，26-机器人，27-进气扇，28-路由器，29-距离检测传感器，30-机器人视觉装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，包括由钢结构框架2和壁面构成的封闭箱体结构，该封闭箱体结构沿长度方向的通道作为机器人26的工作通道1；沿工作通道1的长度方向，在工作通道1的底面间隔设置有压板20，在压板20的下方设置有压力检测传感器19，障碍物8根据实验需求放置在工作通道1的底面上；在封闭箱体结构上布置粉尘发生系统、照明系统、空气加湿系统和除尘除湿系统，通过粉尘发生系统、照明系统、空气加湿系统和除尘除湿系统改变工作通道1内的粉尘浓度、环境照度和空气湿度，通过机器人26的移动改变机器人视觉装置30与障碍物8之间的距离，通过压力检测传感器19检测机器人26在工作通道1内的位置。

所述粉尘发生系统包括粉尘浓度检测传感器7、鼓风机10和煤粉箱12，煤粉箱12用于储存煤粉，煤粉箱12通过煤粉输送管道11与鼓风机10相连，煤粉通过鼓风机10释放到工作通道1中，以此来增加工作通道1内的粉尘浓度，通过粉尘浓度检测传感器7检测工作通道1内的粉尘浓度。

所述照明系统包括照度检测传感器8和照明灯具6，通过改变照明灯具6的亮度来改变工作通道1内的环境照度，通过照度检测传感器8检测工作通道1内的环境照度。

所述空气加湿系统包括空气湿度检测传感器9、储水箱3和加湿器5，储水箱3用于储存加湿水，储水箱3通过输水管道4与加湿器5相连接，加湿水通过加湿器5释放到工作通道1中，以此来增加工作通道1内的空气湿度，通过空气湿度检测传感器9检测工作通道1内的空气湿度。

所述除尘除湿系统包括进气扇27、排气扇15、排气管道16和空气净化水箱17，进气扇27设置在工作通道1的前端，排气扇15设置在工作通道1的后端；当工作通道1内的粉尘浓度或空气湿度过高时，同时开启进气扇27和排气扇15，通过排气扇15将工作通道1内的空气经由排气管道16释放到空气净化水箱17中，同时进气扇27将外部的空气补充到工作通道1内，以此保持工作通道1内的气压平衡，同时降低工作通道1内的粉尘浓度或空气湿度。

所述封闭箱体结构的后端设置有透光观测窗13，透光观测窗13位置设置有隔离层14，移动隔离层14后可通过透光观测窗13观测工作通道1内的情况。

所述机器人26上设置视觉系统，视觉系统包括机器人视觉装置30(比如红外夜视摄像机)、路由器28、通讯线缆25和中继放大器24，机器人视觉装置30采集到的图像信息经路由器28，通过通讯线缆25传递给中继放大器24，中继放大器24将图像信息传递给计算机23进行处理、识别和分析。

所述粉尘浓度检测传感器7、空气湿度检测传感器9、照度检测传感器8分别可以检测粉尘浓度、空气湿度和环境照度，上述传感器所检测到的数据将由数据采集卡22传输给计算机。机器人视觉装置30与障碍物18之间的距离将由压力检测传感器19和距离检测传感器29共同确定。机器人视觉装置30和距离检测传感器29均设置在机器人26上。当机器人视觉装置30与障碍物18之间的距离在距离检测传感器29的量程范围内时，利用距离检测传感器29来检测获取距离。当机器人视觉装置30与障碍物18之间的距离超过距离检测传感器29的量程范围时，利用压力检测传感器19来检测获取距离。本案设计了多行压板20，每个压板20下面均设置有压力检测传感器19。为了确保机器人26运动时能够压在压板20上，使相邻两行压板20间的距离小于机器人26的长度。机器人26前进或者后退，将会压过设置在地面上的压板20，从而触发压力检测传感器19。不同的压力检测传感器19代表不同的距离，若某一个或者若干个压力检测传感器19传回信号，将会得到此时机器人视觉装置30与障碍物18之间的距离。距离检测传感器29和压力检测传感器19所检测到的数据同样由数据采集卡22传输给计算机23。

本案的基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，在实验过程中，可以通过粉尘发生系统、照明系统、空气加湿系统以及移动机器人来分别改变粉尘浓度、环境照度、空气湿度和机器人视觉装置30与障碍物18之间的距离，以便验证单一因素对于障碍图像识别的影响。同时，还可以将这四种因素进行排列组合，验证多种复杂环境因素对于机器人障碍图像识别的影响。利用本发明的机器人视觉实验环境，可以找到煤矿井下复杂环境对于机器人障碍图像识别的影响，并且针对各种环境因素，找出相应的解决策略，以便实现煤矿救援机器人的自主导航。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，其特征在于：包括由钢结构框架(2)和壁面构成的封闭箱体结构，该封闭箱体结构沿长度方向的通道作为机器人(26)的工作通道(1)；沿工作通道(1)的长度方向，在工作通道(1)的底面间隔设置有压板(20)，在压板(20)的下方设置有压力检测传感器(19)，障碍物(8)根据实验需求放置在工作通道(1)的底面上；在封闭箱体结构上布置粉尘发生系统、照明系统、空气加湿系统和除尘除湿系统，通过粉尘发生系统、照明系统、空气加湿系统和除尘除湿系统改变工作通道(1)内的粉尘浓度、环境照度和空气湿度，通过机器人(26)的移动改变机器人视觉装置(30)与障碍物(8)之间的距离，通过压力检测传感器(19)检测机器人(26)在工作通道(1)内的位置。

2.根据权利要求1所述的基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，其特征在于：所述粉尘发生系统包括粉尘浓度检测传感器(7)、鼓风机(10)和煤粉箱(12)，煤粉箱(12)用于储存煤粉，煤粉箱(12)通过煤粉输送管道(11)与鼓风机(10)相连，煤粉通过鼓风机(10)释放到工作通道(1)中，以此来增加工作通道(1)内的粉尘浓度，通过粉尘浓度检测传感器(7)检测工作通道(1)内的粉尘浓度。

3.根据权利要求1所述的基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，其特征在于：所述照明系统包括照度检测传感器(8)和照明灯具(6)，通过改变照明灯具(6)的亮度来改变工作通道(1)内的环境照度，通过照度检测传感器(8)检测工作通道(1)内的环境照度。

4.根据权利要求1所述的基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，其特征在于：所述空气加湿系统包括空气湿度检测传感器(9)、储水箱(3)和加湿器(5)，储水箱(3)用于储存加湿水，储水箱(3)通过输水管道(4)与加湿器(5)相连接，加湿水通过加湿器(5)释放到工作通道(1)中，以此来增加工作通道(1)内的空气湿度，通过空气湿度检测传感器(9)检测工作通道(1)内的空气湿度。

5.根据权利要求1所述的基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，其特征在于：所述除尘除湿系统包括进气扇(27)、排气扇(15)、排气管道(16)和空气净化水箱(17)，进气扇(27)设置在工作通道(1)的前端，排气扇(15)设置在工作通道(1)的后端；当工作通道(1)内的粉尘浓度或空气湿度过高时，同时开启进气扇(27)和排气扇(15)，通过排气扇(15)将工作通道(1)内的空气经由排气管道(16)释放到空气净化水箱(17)中，同时进气扇(27)将外部的空气补充到工作通道(1)内，以此保持工作通道(1)内的气压平衡，同时降低工作通道(1)内的粉尘浓度或空气湿度。

6.根据权利要求1所述的基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，其特征在于：所述封闭箱体结构的后端设置有透光观测窗(13)，透光观测窗(13)位置设置有隔离层(14)，移动隔离层(14)后可通过透光观测窗(13)观测工作通道(1)内的情况。

7.根据权利要求1所述的基于煤矿巷道的机器人视觉实验环境系统，其特征在于：相邻两块压板(20)之间的间距小于机器人(26)的长度。