CN106313086B - 一种煤矿救援机器人远程控制系统和控制方法 - Google Patents
一种煤矿救援机器人远程控制系统和控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种煤矿救援机器人远程控制系统和控制方法，该系统包括远程虚拟仿真平台、远程控制与通信子系统、检测定位子系统和动态建模子系统。根据矿井建设或巷道设计图纸建立煤矿井下初始地图并对煤矿救援机器人进行初始定位，煤矿救援机器人上安装的各种传感器不断感知机器人自身和外界环境信息，通过虚拟仿真平台真实再现煤矿救援机器人的位姿变化、工作状态和周围场景变化。通过在虚拟仿真平台构建巷道环境模型，操作者根据煤矿救援机器人虚拟样机在巷道环境下的状态确定控制策略，人工辅助干预煤矿救援机器人运动控制，实现对煤矿救援机器人的远程控制。本发明设计合理，实用性强，推广应用价值高。
Description
技术领域
本发明涉及远程控制技术，尤其是涉及一种煤矿救援机器人远程控制系统及方法。
背景技术
煤炭井下开采作业环境恶劣，突发性的瓦斯、水等灾害引起的煤矿事故频发。尽管近年来采取“以风定产”、“先抽后采”等措施有效降低的煤矿事故率，但是由于煤矿灾害事故具有突发性、继发性和灾难性等特点，世界各国都非常重视矿难后的救援体系建设。传统的人员现场救援，时间周期长，加之困难地点环境情况不明，容易发生次生事故，造成更大的人员伤亡。事故后派遣机器人下井探测环境信息，为救援提供决策依据，是主流的矿难救援方法，国内众多研究机构和学者对煤矿救援机器人关键使能技术进行了长期探索，但是依靠多传感器信息融合对非结构复杂环境下的机器人进行自主导航效率较低，目前难以满足矿难救援的实效要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种煤矿救援机器人远程控制系统及方法，建立煤矿救援机器人虚拟仿真与远程控制平台，接收矿难后下井探测救援机器人上安装的超声传感器、激光测距仪等传感器数据，动态建立机器人所在位置的环境三维模型， 地面操作者按照虚拟环境下的机器人和环境位置关系，决策并控制救援机器人运行，该方法能够有效融合人、机、环境之间的关系，弥补当前的煤矿救援机器人控制技术方面的不足。
本发明的技术方案是：一种煤矿救援机器人远程控制系统，包括虚拟仿真平台、检测定位子系统、远程控制与通讯子系统和动态建模子系统；其中虚拟仿真平台用来仿真井下巷道环境模型及煤矿救援机器人井下位置姿态；检测定位子系统用来检测煤矿救援机器人在井下的位置姿态，并通过地图数据库的匹配，对煤矿救援机器人进行定位；远程控制与通讯子系统用来完成远程控制指令的发送，以及井下工况信息的上传显示；动态建模子系统用来对传感器采集到的信息进行数据融合分析后在虚拟仿真平台进行动态建模，实时更新煤矿救援机器人井下作业场景。
所述的虚拟仿真平台完成煤矿救援机器人和井下巷道环境模型的建立、煤矿救援机器人虚拟样机的牛顿力学和ODE动力学仿真，实现煤矿救援机器人的虚拟仿真。
所述的检测定位子系统建立井下初始地图，在煤矿救援机器人前后端安装激光传感器检测机器人行进方向有无障碍物，两侧安装超声传感器测量机器人周围的障碍物，机身上安装捷联惯导装置、多圈机械式编码器检测机器人在井下的位置姿态，机身上安装多个摄像头辅助观测周围环境，各传感器数据对应虚拟仿真平台中煤矿救援机器人虚拟样机和巷道环境的各项参数，以地图匹配的方式对煤矿救援机器人进行局部定位。
一种煤矿救援机器人远程控制方法，借助矿井建设或巷道设计图纸建立煤矿井下初始地图数据库并对煤矿救援机器人进行初始定位，采用虚拟仿真平台使煤矿救援机器人工作状态及周围场景真实再现，煤矿救援机器人上安装的各种传感器不断感知机器人自身和外界环境信息，当数据传回虚拟仿真平台时进行数据融合与解析，在虚拟仿真平台实时构建巷道环境模型，根据煤矿救援机器人虚拟样机在新的场景下的实时状态制定新的控制策略，人工干预辅助煤矿救援机器人自主决策，完成对煤矿救援机器人的远程控制。
具体控制过程如下：
第一步：借助矿井建设或巷道设计图纸构建煤矿井下初始地图数据库，建立煤矿救援机器人虚拟样机和巷道场景模型，构建煤矿救援机器人虚拟仿真平台，显示煤矿救援机器人工作状态及周围场景；
第二步：救援地所在巷道的初始地图作为煤矿救援机器人井下运动的全局地图，结合煤矿救援机器人上安装的捷联惯导装置进行地图匹配，完成救援机器人的初始定位；
第三步：煤矿救援机器人按照全局地图进行路径规划，机器人控制器按照规划轨迹自主控制机器人前往救援目的地执行救援任务；
第四步：解析传感器数据，对激光传感器、超声传感器、捷联惯导装置和机械式编码器的数据进行融合处理，构建局部地图，确定煤矿救援机器人在巷道中的位置和姿态；
第五步：虚拟仿真平台中的虚拟煤矿救援机器人同时接收机器人控制器指令，在构建的巷道模型中运动，并接收井下救援机器人的状 态变化数据，对机器人行进路径上的障碍进行判断；
第六步：远程操作人员根据虚拟煤矿救援机器人在虚拟场景中的路径障碍，将机器人的自主控制切换为人工干预控制，结合摄像头传回的机器人周围环境图像，处理复杂矿难环境下机器人的运动控制，实现煤矿救援机器人的远程控制。
第七步：对虚拟仿真平台中的井下场景按照传感器数据进行实时动态建模，同时修正虚拟煤矿救援机器人的显示位置姿态；
最后，循环执行第三步至第七步，完成煤矿事故后井下复杂环境下救援机器人远程控制和环境探测任务。
本发明的有益效果是：本发明定位于复杂工况下有效的人工远程干预，借助VR技术沉浸性、交互性特点，能有效融合人、机和环境信息，弥补当前的煤矿救援机器人控制技术方面的不足。
附图说明
图1是本发明的系统工作流程图。
图2使本发明的运动坐标系图。
图3是本发明的煤矿救援机器人定位示意图。
图4是本发明的动态控制策略图。
具体实施方式
如图1所示，一种煤矿救援机器人远程控制方法，其特征在于：借助矿井建设或巷道设计图纸建立煤矿井下初始地图数据库，在初始的全局地图上对煤矿救援机器人进行初始定位，远程控制煤矿救援机器人在井下完成相应动作，并利用虚拟仿真平台使煤矿救援机器人工 作状态真实再现；煤矿救援机器人上安装的各种传感器不断感知外界环境信息，当发生矿难时，井下巷道会因塌方等原因使原始巷道数据发生变化，煤矿救援机器人将传感器测得的数据传回虚拟仿真平台进行数据融合和解析运算，采用动态建模技术实时构建巷道环境模型，并以此为新的判据对全局地图进行修正并反馈到虚拟仿真平台，根据煤矿救援机器人虚拟样机的状态实时制定新的控制策略，不断对煤矿救援机器人控制器自主规划的路径进行修正，在复杂工况下依照虚拟仿真平台进行人工干预辅助决策，完成对机器人虚拟样机和真实煤矿救援机器人的同步控制，循环往复，实时监控，直至完成煤矿井下救援任务。
如图2所示，以巷道走向为基础建立静态局部环境坐标系，通过煤矿救援机器人携带的传感器所采集到的数据确定机器人在巷道里的相对位置，在煤矿救援机器人前后端安装激光传感器检测机器人行进方向上的位移，两侧安装超声传感器测量机器人周围的障碍物距离，表示出煤矿救援机器人所处的相对位置，同时，在煤矿救援机器人机体上以机器人的重心建立坐标系，可进一步控制机器人的运动。
如图3所示，机器人定位方法：以初始地图数据库定位机器人的初始位置，通过多圈机械式编码器和捷联惯导装置测得的数据对机器人进行主动定位，通过对超声传感器和激光测距仪测得的数据解析对机器人进行被动定位，将多种数据结合起来，在虚拟仿真平台中，以坐标的形式反应在机器人虚拟样机上，显示煤矿救援机器人的位置坐标的同时显示其旋转角度，以实现煤矿救援机器人井下的准确定位， 对煤矿救援机器人测得的数据进行实时处理则可不断更新其位置坐标，在复杂工况下，也可以人工远程干预定位辅助决策，增强定位可靠度。
如图4所示，动态控制策略：当井下发生矿难后，其地质条件变得更为复杂，环境不断发生变化，煤矿救援机器人进入井下着手救援工作时，根据其携带的超声传感器、激光测距仪测得的数据，将多种数据融合进行解析运算，依照解析后的数据可以画出机器人行走过程中所遇到遮挡物的轨迹，根据轨迹路径在Quest3D中进行实时建模，可以实现对井下环境在再现，完成救援场地的实时动态建模。
Claims (5)
1.一种煤矿救援机器人远程控制系统，其特征在于：所述系统包括虚拟仿真平台、检测定位子系统、远程控制与通讯子系统、动态建模子系统，其中虚拟仿真平台用来仿真井下巷道环境模型及煤矿救援机器人井下位置姿态；检测定位子系统用来检测煤矿救援机器人在井下的位置姿态，并通过地图数据库的匹配，对煤矿救援机器人进行定位；远程控制与通讯子系统用来完成远程控制指令的发送，以及井下工况信息的上传显示；动态建模子系统用来对传感器采集到的信息进行数据融合分析后在虚拟仿真平台进行动态建模，实时更新煤矿救援机器人井下作业场景。
2.如权利要求1所述的一种煤矿救援机器人远程控制系统，其特征在于：所述的虚拟仿真平台完成煤矿救援机器人和井下巷道环境模型的建立、煤矿救援机器人虚拟样机的牛顿力学和ODE动力学仿真，实现煤矿救援机器人的虚拟仿真。
3.如权利要求1所述的一种煤矿救援机器人远程控制系统，其特征在于：所述的检测定位子系统建立井下初始地图，在煤矿救援机器人前后端安装激光传感器检测机器人行进方向有无障碍物，两侧安装超声传感器测量机器人周围的障碍物，机身上安装捷联惯导装置、多圈机械式编码器检测机器人在井下的位置姿态，机身上安装多个摄像头辅助观测周围环境，各传感器数据对应虚拟仿真平台中煤矿救援机器人虚拟样机和巷道环境的各项参数，以地图匹配的方式对煤矿救援机器人进行局部定位。
4.一种煤矿救援机器人远程控制方法，其特征在于：借助矿井建设或巷道设计图纸建立煤矿井下初始地图数据库并对煤矿救援机器人进行初始定位，采用虚拟仿真平台使煤矿救援机器人工作状态及周围场景真实再现，煤矿救援机器人上安装的多种传感器感知机器人自身和外界环境信息，当数据传回虚拟仿真平台时进行数据融合与解析，在虚拟仿真平台实时构建巷道环境模型，根据煤矿救援机器人虚拟样机在新的场景下的实时状态制定新的控制策略，人工干预辅助煤矿救援机器人自主决策，完成对煤矿救援机器人的远程控制。
5.如权利要求4所述的一种煤矿救援机器人远程控制方法，其特征在于：
第一步：借助矿井建设或巷道设计图纸构建煤矿井下初始地图数据库，建立煤矿救援机器人虚拟样机和巷道场景模型，构建煤矿救援机器人虚拟仿真平台，显示煤矿救援机器人工作状态及周围场景；
第二步：救援地所在巷道的初始地图作为煤矿救援机器人井下运动的全局地图，结合煤矿救援机器人上安装的捷联惯导装置进行地图匹配，完成救援机器人的初始定位；
第三步：煤矿救援机器人按照全局地图进行路径规划，机器人控制器按照规划轨迹自主控制机器人前往救援目的地执行救援任务；
第四步：解析传感器数据，对激光传感器、超声传感器、捷联惯导装置和机械式编码器的数据进行融合处理，构建局部地图，确定煤矿救援机器人在巷道中的位置和姿态；
第五步：虚拟仿真平台中的虚拟煤矿救援机器人同时接收机器人控制器指令，在构建的巷道模型中运动，并接收井下救援机器人的状态变化数据，对机器人行进路径上的障碍进行判断；
第六步：远程操作人员根据虚拟煤矿救援机器人在虚拟场景中的路径障碍，将机器人的自主控制切换为人工干预控制，结合摄像头传回的机器人周围环境图像，处理复杂矿难环境下机器人的运动控制，实现煤矿救援机器人的远程控制；
第七步：对虚拟仿真平台中的井下场景按照传感器数据进行实时动态建模，同时修正虚拟煤矿救援机器人的显示位置姿态；
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