CN107389125B - 一种地下空间自主定位多传感器智能探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种地下空间自主定位多传感器智能探测机器人。该探测机器人包括机器人载体平台、滚线轮、主控箱、设置在载体平台上的后摄像头、机械手臂、仪器仓、采样筐、电池组、前摄像头等模块。机器人载体平台与主控箱通过供电通信线缆连接，实现供电和通信功能。仪器仓探测数据通过供电通信线缆实时传输到主控箱。主滚线轮实时提供里程信息。机器人载体平台搭载的单轴光纤陀螺仪、双轴倾角仪、三轴加速度计、配合主滚线轮提供的里程信息实现机器人自主定位。该探测机器人能深入地下空间，对地下空间的位置、空间信息、生命环境等属性进行探测，能够获取地下空间的三维模型。机器人适应复杂路况，具有一定防水功能。

Description

一种地下空间自主定位多传感器智能探测机器人

技术领域

本发明涉及环境探测与智能机器人技术领域，特别地，涉及一种地下空间自主定位多传感器智能探测机器人。

背景技术

我国金属非金属地下矿山采空区总量大，分布范围广。据初步统计，到2015年底，全国金属非金属地下矿山共有采空区12.8亿立方米，分布于全国28个省(市、区)。目前，采空区事故隐患治理存在的突出问题。

采空区是诱发重特大事故的重要因素。采空区易引发透水、坍塌、冒顶片帮等多种形式的灾害，往往造成大量的人员伤亡和财产损失；

采空区事故隐患治理不及时。部分矿山企业忽视采空区治理，特别是历史遗留采空区得不到及时处理；

中小型矿山采空区管理不到位。一些中小型矿山专业技术力量薄弱，不按设计施工或无设计施工，矿柱留设不规范，造成采空区重叠、交错现象比较普遍，严重威胁矿山安全生产；采空区安全问题已经成为影响一些地方经济发展和社会和谐的重要因素。

为了对采空区等地下空间进行探测，需要研制一款地下空间自主定位多传感器智能探测机器人，对地下空间的位置、大小、形状、环境等多种属性进行探测。同时机器人要能在复杂地形的矿洞行进，具有尺寸小、负载大、结构优、易操控等特点。

发明内容

本发明目的在于提供一种地下空间自主定位多传感器智能探测机器人，以解决目前地下空间探测机器人探测属性单一、无法在复杂地形行进的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种地下空间自主定位多传感器智能探测机器人，包括机器人载体平台6、主控箱9以及设置在载体平台上、并与主控箱9连接的后摄像头1、机械手臂5、仪器仓、采样筐4、蓄电池组7、前摄像头8、履带、滚线轮模块；

所述滚线轮设置在机器人载体平台6的表面，包括主滚线轮21、辅助滚线轮22、供电通信线缆23、供电通信接口24；主滚线轮21采用布线式电缆收放结构，主滚线轮21通过9针接口与供电通信线缆23一端连接，辅助滚线轮22通过9针接口与供电通信线缆23另一端连接，辅助滚线轮22通过供电通信接口24与主控箱9的通讯供电接口92连接；供电通信接口24与通讯供电接口92通过线缆连接；

所述履带设置在机器人载体平台6的两侧，采用三节履带式设计，包括主履带64和设置在主履带64前后两端的前摆臂61、后摆臂62，均可被被主控箱9远程控制；前摆臂61、后摆臂62与主履带之间的长度比例为0.3-0.4；旋转轴位于主履带两端外侧；

所述仪器仓包括环境探测仪器仓31和三维探测仪器仓32；

所述环境探测仪器仓31包括第一可升降支座、二维激光雷达、云台、以及通过RS232串口线接入电器仓63的温湿度传感器、大气压传感器、一氧化碳传感器、二氧化氮传感器、硫化氢传感器、二氧化硫传感器；所述二维激光雷达与第一可升降支座通过云台连接；二维激光雷达通过千兆网线与电器仓63连接；

所述温湿度传感器、大气压传感器、一氧化碳传感器、二氧化氮传感器、硫化氢传感器、二氧化硫传感器安装在第一可升降支座上，云台通过一个可水平旋转360°的支撑底座与第一可升降支座中心相连，二维激光雷达安装在云台上，云台可绕其自身的一端垂直90度旋转；电器仓63位于主履带64之间，仪器仓下方，安装有主控板以及与主控板相连接的单轴光纤陀螺仪、倾角仪、加速度计，用于机器人控制与导航；

所述三维探测仪器仓32包括第二可升降支座、与第二可升降支座通过螺栓连接的网口底座、三维激光扫描仪；网口底座与三维激光扫描仪通过螺栓固定、通信接口相连。

本发明具有以下有益效果：

本发明机器人在确定初始位置和方位角后，能够实时确定当前位置坐标。机器人探测大气温湿度、大气压、二氧化氮含量、一氧化碳含量、硫化氢含量、二氧化硫含量、含氧量数据传回主控箱进行处理；能够对断面进行实时扫描，获取断面点云；能够获取视频图像；能够获取地下空间的三维点云，生成三维模型；能够钻取地下空间岩层，获取样品；能够利用机械手臂拾取样品，放入采样筐内，带出地下。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)机器人搭载多种复杂情况下作业常见的探测需要的传感器设备，能够有效的对地下空间的位置、大小、形状、大气环境、是否存在有害气体进行探测，并能够实时获取探测信息。

(2)采用自主定位算法，能够实时获取机器人位置坐标，进而获取到地下空间的位置，完成实时地图构建。

第一步：获取前一时刻记录的载体俯仰角α₁和里程信息S₁；

第二步：获取当前时刻记录的载体俯仰角α₂和里程信息S₂；

第三步：通过单轴陀螺仪，获取时间间隔内载体平面转动的角度ω；通过空间投影变换，将载体在任意斜面转动的角度ω投影在水平面上，得到角度θ；

第四步：起始点平面坐标为(x₀,y₀,h₀)，起始方位角为A₀；可获得当前点坐标(x₁,y₁,h₁)及方位角A₁为：

第五步：重复上述步骤，不断获取载体的位置坐标及方位角。

该算法充分利用精度高的光纤陀螺仪，从而可以获得相对准确的设备水平姿态变化值，同时，利用倾角仪和里程计辅助，在没有GNSS卫星信号的情况下，准确获得当前位置坐标。整个算法相对简单，相应的设备造价相对较低。

(3)搭载了长距离高精度的三维激光扫描仪，能够对地下空间进行扫描，获取地下空间点云数据，生成三维模型，获取地下空间的大小形态，进而计算体积等属性。

传统三维激光扫描仪需要人直接操作，或者用wifi在方圆几十米的距离内才能用。本发明的三维激光扫描仪定制了网口底座，通过网口连接主控板，主控板通过通信电缆(23)与主控箱连接，这样在主控箱上就能操控三维激光扫描仪进行作业，操作距离最长可达1km。

(4)安装有机械手臂、机械手爪、钻头，配合采样筐，能够将地下空间的岩石样品带出地下。

(5)采用三节履带式机体，具有爬坡越障能力，结构合理，操作简单。

(6)利用2D激光雷达实现地下空间断面实时扫描建模。2D激光雷达获取的是角度和距离。由机器人参考点坐标，2D激光雷达与机器人参考点之间的相对位置关系，2D激光雷达扫描的角度和距离，能够计算出断面在预设坐标系下的坐标。可以在主控箱上实时获取数据信息进行扫描建模。参见图8，其坐标转换算法如下：

S1：坐标系定义

世界坐标参考系：{o}

云台底座轴心水平转动坐标系{o_r}

云台支架绕云台底座轴心垂直面俯仰转动坐标系{o_p}

激光雷达扫描圆心处激光雷达坐标系：{o_s}

S2：获取已知信息

云台基座中心点世界坐标系瞬时坐标：{x_r,y_r,z_r}，该坐标同时也为整个装置的参考点，自主定位模块解算的空间坐标为该点Or的坐标

机器人运动过程航向角:θ

机器人运动过程俯仰角:

机器人运动过程横滚角:φ

水平云台转动角度：

俯仰转动轴角度：ω

水平转动云台底座轴心Or与俯仰转动云台轴心Op距：h

俯仰转动云台轴心Op与激光雷达扫描中心Os距：d

激光扫描仪极坐标测量值：{ρ_i,j,λ_i,j}，ρ表示距离，λ表示极角，其中i，表示以主程序运行周期为度量的时刻，j表示一个数据包中测量点的编号。

S3：坐标转换

S31：测量值极坐标转换为基于机器人平台空间直角坐标

u|o_s＝[ρ_i,jcosλ_i,j,ρ_i,jsinλ_i,j,0,1]^T

其中

S32：基于机器人的空间直角坐标转换为世界坐标系坐标

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的机器人正视图；

图2是本发明优选实施例的机器人俯视图；

图3是本发明优选实施例的机器人侧视图；

图4是本发明优选实施例的辅助滚线盘结构示意图；

图5是本发明优选实施例的流程示意图；

图6是本发明优选实施例的主控箱结构示意图；

图7是本发明优选实施例的机器人初始坐标确定方式示意图；

图8是本发明优选实施例的2D激光雷达扫描坐标转换示意图；

图9是二维激光雷达实际测量某点示意图

其中，1、后摄像头，21、主滚线轮，22、辅助滚线轮，23、供电通信线缆，24、供电通信接口，31、环境探测仪器仓，32、三维探测仪器仓，

4、采样筐，5、机械手臂，51、机械手臂摄像头，52、机械手爪，53、钻头，54、机械手底座，55、两轴机械手臂；

6、载体平台，61、前摆臂，62、后摆臂，63、电机舱，64、主履带，7、蓄电池组，8、前摄像头，9、主控箱，91、三针220V外接电源接口，92、通讯供电接口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1、图2和图3，一种地下空间自主定位多传感器智能探测机器人，包括机器人载体平台6、主控箱9以及设置在载体平台上、并与主控箱9连接的后摄像头1、机械手臂5、仪器仓、采样筐4、蓄电池组7、前摄像头8、履带、滚线轮模块。后摄像头1和前摄像头8可以水平360°，垂直360°旋转；摄像头支座分为上下两个部分，上部分可以通过电机驱动绕中心轴360°旋转，支座上部分一侧为摄像头，一侧LED灯源，摄像头和LED灯源均可以绕支座上部分水平中心轴同步垂直360°旋转。

参见图4，所述滚线轮设置在机器人载体平台6的表面，包括主滚线轮21、辅助滚线轮22、供电通信线缆23、供电通信接口24；主滚线轮21采用布线式电缆收放结构，主滚线轮21通过9针接口与供电通信线缆23一端连接，辅助滚线轮22通过9针接口与供电通信线缆23另一端连接，辅助滚线轮22通过供电通信接口24与主控箱9的通讯供电接口92连接；供电通信接口24与通讯供电接口92通过线缆连接。参见图6，主控箱9包括三针220V外接电源接口91和通讯供电接口92，其中，三针220V外接电源接口91与发电机或者常规电源插座相连。

所述履带设置在机器人载体平台6的两侧，采用三节履带式设计，包括主履带64和设置在主履带64前后两端的前摆臂61、后摆臂62，均可被被主控箱9远程控制；前摆臂61、后摆臂62与主履带之间的长度比例为0.3-0.4；例如主履带64长度约为1.1m，前摆臂61、后摆臂62长度均约为0.35m，旋转轴位于主履带两端外侧。

所述仪器仓包括环境探测仪器仓31和三维探测仪器仓32；环境探测仪器仓31和三维探测仪器仓32均达到IP67防水防尘等级，仪器仓盖通过主控箱9远程打开，第一可升降支座和第二可升降支座通过主控箱9远程控制升降，达到升降极限后自动停止。

所述环境探测仪器仓31包括第一可升降支座、二维激光雷达、云台、以及通过RS232串口线接入电器仓63的温湿度传感器、大气压传感器、一氧化碳传感器、二氧化氮传感器、硫化氢传感器、二氧化硫传感器；所述二维激光雷达与第一可升降支座通过云台连接；二维激光雷达通过千兆网线与电器仓63连接；

所述温湿度传感器、大气压传感器、一氧化碳传感器、二氧化氮传感器、硫化氢传感器、二氧化硫传感器安装在第一可升降支座上。云台通过一个可水平旋转360°的支撑底座与第一可升降支座中心相连，二维激光雷达安装在云台上，云台可绕其自身的一端垂直90度旋转；电器仓63位于主履带64之间，仪器仓下方，安装有主控板以及与主控板相连接的单轴光纤陀螺仪、倾角仪、加速度计，用于机器人控制与导航；

所述三维探测仪器仓32包括第二可升降支座、与第二可升降支座通过螺栓连接的网口底座、三维激光扫描仪；网口底座与三维激光扫描仪通过螺栓固定、通信接口相连。

所述机械手臂5包括机械手臂摄像头51，机械手爪52，钻头53，机械手底座54，两轴机械手臂55；机械手臂摄像头51安装在两轴机械手臂55前臂端，通过螺栓固定；机械手爪52位于两轴机械手臂55顶端，钻头53位于两轴机械手臂55下方，采用驱动电机可以伸缩，钻头53与驱动电机之间采用软连接；机械手底座54与电器仓63顶板通过内六角螺栓固定。

采样筐4顶盖通过主控箱9远程控制打开关闭，采样筐内分为多格，分别存储采样样品。

所述电器仓63包含单轴光纤陀螺仪、倾角仪、加速度计、主控板，主控板收集单轴光纤陀螺仪、倾角仪、加速度计的数据，并传输到主控箱9。

机器人所有的通信数据汇集到主控板，通过供电通信电缆23传输到主控箱9；机器人通信数据包括机器人操控通信数据，传感器采集数据；其中机器人操控通信数据包括机器人行走、支座升降、云台旋转、前后摆臂操控、摄像头、电机转速数据；其中传感器采集数据包括温湿度传感器、大气压传感器、一氧化碳传感器、二氧化氮传感器、硫化氢传感器、二氧化硫传感器，单轴光纤陀螺仪、倾角仪、加速度计、二维激光雷达获取的数据。

参见图7，本申请机器人在行进之前确定机器人的初始方位角和位置；沿着机器人中轴线，在机器人前后测量任意两个点的WGS84大地坐标；进行高斯投影，将GPS大地坐标转换为高斯平面坐标，计算出机器人前进的初始方位角；方位角为相对于高斯投影的正北方向；

WGS84空间大地坐标B、L、H通过高斯投影可以得到高斯平面坐标x，y，H；通过两个点的高斯平面坐标(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，由公式

得到相对于高斯投影中央经度线的方位角；

参见图5，基于高斯投影的平面坐标，以单轴光纤陀螺仪提供的角速率，两轴倾角仪提供的俯仰角、横滚角及对应坐标轴上的角速度率，加速度计提供的三轴上加速度值，主滚线轮21提供的里程信息，计算机器人行进时当前的位置坐标计算出的平面坐标，将该平面坐标通过高斯反算得到WGS84的大地坐标，写入数据库；

计算过程如下：

第一步：获取前一时刻记录的载体俯仰角α₁和里程信息S₁；

第二步：获取当前时刻记录的载体俯仰角α₂和里程信息S₂；

第三步：通过单轴陀螺仪，获取时间间隔内载体平面转动的角度ω；通过空间投影变换，将载体在任意斜面转动的角度ω投影在水平面上，得到角度θ；

第四步：起始点平面坐标为(x₀,y₀,h₀)，起始方位角为A₀；可获得当前点坐标(x₁,y₁,h₁)及方位角A₁为：

第五步：重复上述步骤，可不断获取载体的位置坐标及方位角。

参见图8，为了方便说明，假定O_r点在世界坐标系下坐标为{0,0,0}，在实际运行中，O_r点为机器人载体本身的参考点，是权利要求7中确定的机器人初始位置，在机器人运行中计算出的轨迹点坐标也是该O_r点的坐标。机器人运动航向角θ、俯仰角

横滚角φ均为0°，云台水平转动角度

和俯仰转动角度ω均为0，h为1m，d为0.1m。机器人的航向沿着x轴，二维激光雷达的对称轴也为x轴。

二维激光雷达以扇面从左至右扫描，扫描角度分辨率为0.125°，扇面圆心角为190°，则共有1521个点(0°，0.125°，……，190°)。每一个点测量的是到障碍物的直线距离。取中间的第761个点K，则该点方向为x轴指向，极角为0°，结合上述假设，则K点在xz平面上。二维激光雷达测得的距离为15m。参见图9，则根据几何结构得到K点在世界坐标系下坐标为{15,0,1.1}。

将上述数值带入步骤S31中计算出K点转换为基于机器人平台空间直角坐标，带入到步骤S32中公式，计算出世界坐标系中坐标，为{15,0,1,1}，与通过几何关系计算出的坐标相同。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种地下空间自主定位多传感器智能探测机器人，其特征在于，包括机器人载体平台(6)、主控箱(9)以及设置在载体平台上、并与主控箱(9)连接的后摄像头(1)、机械手臂(5)、仪器仓、采样筐(4)、蓄电池组(7)、前摄像头(8)、履带、滚线轮模块；

所述滚线轮设置在机器人载体平台(6)的表面，包括主滚线轮(21)、辅助滚线轮(22)、供电通信线缆(23)、供电通信接口(24)；主滚线轮(21)采用布线式电缆收放结构，主滚线轮(21)通过9针接口与供电通信线缆(23)一端连接，辅助滚线轮(22)通过9针接口与供电通信线缆(23)另一端连接，辅助滚线轮(22)通过供电通信接口(24)与主控箱(9)的通讯供电接口(92)连接；供电通信接口(24)与通讯供电接口(92)通过线缆连接；

所述履带设置在机器人载体平台(6)的两侧，采用三节履带式设计，包括主履带(64)和设置在主履带(64)前后两端的前摆臂(61)、后摆臂(62)，均可被主控箱(9)远程控制；前摆臂(61)、后摆臂(62)与主履带之间的长度比例为0.3-0.4；旋转轴位于主履带两端外侧；

所述仪器仓(3)包括环境探测仪器仓(31)和三维探测仪器仓(32)；

所述环境探测仪器仓(31)包括第一可升降支座、二维激光雷达、云台、以及通过RS232串口线接入电器仓(63)的温湿度传感器、大气压传感器、一氧化碳传感器、二氧化氮传感器、硫化氢传感器、二氧化硫传感器；所述二维激光雷达与第一可升降支座通过云台连接；二维激光雷达(318)通过千兆网线与电器仓(63)连接；

所述温湿度传感器、大气压传感器、一氧化碳传感器、二氧化氮传感器、硫化氢传感器、二氧化硫传感器安装在第一可升降支座上，云台通过一个可水平旋转360°的支撑底座与第一可升降支座中心相连，二维激光雷达安装在云台上，云台可绕其自身的一端垂直90度旋转；电器仓(63)位于主履带(64)之间，仪器仓下方，安装有主控板以及与主控板相连接的单轴光纤陀螺仪、倾角仪、加速度计，用于机器人控制与导航；

所述三维探测仪器仓(32)包括第二可升降支座、与第二可升降支座通过螺栓连接的网口底座、三维激光扫描仪；网口底座与三维激光扫描仪通过螺栓固定、通信接口相连；

机器人行进之前确定机器人的初始方位角和位置；沿着机器人中轴线，在机器人前后测量任意两个点的WGS84大地坐标；进行高斯投影，将GPS大地坐标转换为高斯平面坐标，计算出机器人前进的初始方位角；方位角为相对于高斯投影的正北方向；

WGS84空间大地坐标B、L、H通过高斯投影可以得到高斯平面坐标x，y，H；通过两个点的高斯平面坐标(x1,y1)、(x2,y2)，由公式

得到相对于高斯投影中央经度线的方位角；

基于高斯投影的平面坐标，以单轴光纤陀螺仪提供的角速率，两轴倾角仪提供的俯仰角、横滚角及对应坐标轴上的角速度率，加速度计提供的三轴上加速度值，主滚线轮(21)提供的里程信息，计算机器人行进时当前的位置坐标计算出的平面坐标，将该平面坐标通过高斯反算得到WGS84的大地坐标，写入数据库；

计算过程如下：

第一步：获取前一时刻记录的载体俯仰角α₁和里程信息S₁；

第二步：获取当前时刻记录的载体俯仰角α₂和里程信息S₂；

S₁、S₂分别为前一时刻和当前时刻的里程信息，即前一时刻和当前时刻的线缆长度；

第三步：通过单轴陀螺仪，获取时间间隔内载体平面转动的角度ω；通过空间投影变换，将载体在任意斜面转动的角度ω投影在水平面上，得到角度θ；

第四步：起始点平面坐标为(x₀,y₀,h₀)，起始方位角为A₀；可获得当前点坐标(x₁,y₁,h₁)及方位角A₁为：

第五步：重复上述步骤，不断获取载体的位置坐标及方位角。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述机械手臂(5)包括机械手臂摄像头(51)，机械手爪(52)，钻头(53)，机械手底座(54)，两轴机械手臂(55)；

机械手臂摄像头(51)安装在两轴机械手臂(55)前臂端，通过螺栓固定；机械手爪(52)位于两轴机械手臂(55)顶端，钻头(53)位于两轴机械手臂(55)下方，采用驱动电机可以伸缩，钻头(53)与驱动电机之间采用软连接；机械手底座(54)与电器仓(63)顶板通过内六角螺栓固定。

3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，环境探测仪器仓(31)和三维探测仪器仓(32)均达到IP67防水防尘等级，仪器仓盖通过主控箱(9)远程打开，第一可升降支座和第二可升降支座通过主控箱(9)远程控制升降，达到升降极限后自动停止。

4.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，后摄像头(1)和前摄像头(8)可以水平360°，垂直360°旋转；摄像头支座分为上下两个部分，上部分可以通过电机驱动绕中心轴360°旋转，支座上部分一侧为摄像头，一侧LED灯源，摄像头和LED灯源均可以绕支座上部分水平中心轴同步垂直360°旋转。

5.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，采样筐(4)顶盖通过主控箱(9)远程控制打开关闭，采样筐内分为多格，分别存储采样样品。

6.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述电器仓(63)包含单轴光纤陀螺仪、倾角仪、加速度计、主控板；

机器人所有的通信数据汇集到主控板，通过供电通信电缆(23)传输到主控箱(9)；机器人通信数据包括机器人操控通信数据，传感器采集数据；其中机器人操控通信数据包括机器人行走、支座升降、云台旋转、前后摆臂操控、摄像头、电机转速数据；其中传感器采集数据包括温湿度传感器、大气压传感器、一氧化碳传感器、二氧化氮传感器、硫化氢传感器、二氧化硫传感器，单轴光纤陀螺仪、倾角仪、加速度计、二维激光雷达获取的数据。

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