CN109819531A - 一种基于无线中继飞行器及其井下网络重组方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿井下无线通信技术领域，一种基于无线中继飞行器，包括主控制器，以及分别与主控制器电性连接的生命探测模块，其用于对井下生命迹象进行检测；信号强度检测模块，其用于对飞行器当前位置进行信号强度检测；气体检测模块，其用于对飞行器当前位置进行气体浓度检测；无线中继模块，其用于在井下获取残余节点的网络请求信号组成新的网络，并在着陆后作为无线中继传输节点；飞行驱动模块，其用于驱动飞行器飞行；飞行移动模块，其用于控制飞行器的飞行姿态；中继投放模块，其内置有若干个无线中继器并可投放无线中继器，所述无线中继器逐一信号连接并实现所述无线中继模块和所述井上控制中心信号中继。本飞行器可摆脱地形限制进行井下救援无线网络重组。

Description

一种基于无线中继飞行器及其井下网络重组方法

技术领域

本发明涉及煤矿井下无线通信技术领域，尤其是涉及一种基于无线中继飞行器及其井下网络重组方法。

背景技术

煤矿井下救援无线网络的重组恢复，是进行井下及时救援的关键因素，直接影响井下救援人员或者救援机器人与救援指挥中心之间的通信，而网络恢复时间的快慢对实施救援具有决定性的作用，目前，面对煤矿瓦斯爆炸等事故导致的井下无线网络通信系统中断问题，较为先进的方案是利用以履带式为主要行走机构的地面移动机器人携带无线通信中继器在灾害现场进行布放，对井下残余网络进行搜索并重新自主编队组网，这样的方式虽然改善了传统救援机器人员铺设有线通信方式建立应急通信系统救援效率低等问题。

例如中国专利(公开号CN108337038A)，其公开了一种基于mesh网络的井下多飞行器协同救援方法及系统，其采用多个飞行器协同工作，由众多飞行器协同工作，形成一个新的网络，其网络组建技术复杂，使用众多飞行器实现成本高昂。

例如中国专利(公开号CN101265813B)，该专利提出一种基于无线传感器网络的矿井搜索探测多机器人系统，该系统通过履带式机器人携带小型侦查机器人，同时搭建操作者和机器人之间的通讯链路。此种方法由于受到地形的限制，在遇到如积水，杂物阻挡的调节下，机器人无法继续前进。另外，履带式机器人前进速度慢，且由于井下发生事故后形成的环境非常恶劣复杂，地面存在的积水和碎石阻碍了机器人的前进，增加了履带式移动机器人的避障难度，最终浪费了整个救援通信网络恢复的宝贵时间。

类似的还有中国专利(公开号103046961A)，公开了一种井下应急救援通信网络自主搭建机器人及方法，此机器人及方法同样存在履带式机器人前进速度慢，且由于井下发生事故后形成的环境非常恶劣复杂，地面存在的积水和碎石阻碍了机器人前进等诸多的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于无线中继飞行器，解决了上述提到的利用履带式为主要行走机构的地面移动机器人因恶劣地形限制无法有效移动并进行井下无线网络重组的问题，同时本技术实现成本低廉。同时本发明还提出一种基于无线中继飞行器的井下网络重组方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

在第一个技术方案中，

一种基于无线中继飞行器，其特征在于：包括

主控制器，以及分别与主控制器电性连接的

生命探测模块，其用于对井下生命迹象进行检测；

信号强度检测模块，其用于对飞行器当前位置进行信号强度检测；

气体检测模块，其用于对飞行器当前位置进行气体浓度检测；

无线中继模块，其用于在井下获取残余节点的网络请求信号组成新的网络，并在着陆后作为无线中继传输节点；

飞行驱动模块，其用于驱动飞行器飞行；

飞行移动模块，其用于控制飞行器的飞行姿态；

中继投放模块，其内置有若干个无线中继器并可投放无线中继器，所述无线中继器逐一信号连接并实现所述无线中继模块和所述外接信号接收主控制器信号中继。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述中继投放模块包括存储仓和投放装置，该存储仓用于存储无线中继器，所述投放装置可投放无线中继器。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述主控制器与无线中继模块进行双向通信，所述飞行移动模块、动力驱动模块、中继投放模块通过外接信号接收主控制器控制飞行器的动作。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述无线中继器有4个。

在第二个技术方案中，一种基于无线中继飞行器的井下网络重组方法，使用如第一个技术方案中提出的基于无线中继飞行器，包括以下步骤：

步骤1、井下生命信号数据、无线网络通信强度以及气体浓度信息获取及上传：控制基于无线中继飞行器进入井下，同时开启生命探测模块检测生命信号数据集A、信号强度检测模块检测无线信号强度数据集B、气体检测模块检测气体浓度数据集C，并将数据集A、数据集B、数据集C传输给主控制器；

步骤2、通过对井下数据分析处理选择最佳位置投放无线中继器进行网络重组：当无线中继飞行器获取到附近残余无线网络节点发送的网络连接请求信号后，调用生命信号数据集A、无线信号强度数据集B和气体浓度数据集C分别与预先设定的标准生命信号频数据集a、标准无线信号强度数据集b、标准气体浓度数据集X进行对比分析，当(A-a)(B-b)(X-C)＞0时，则判定飞行器当前位置为无线中继器的合理投放位置，飞行器投放中继器，并控制无线中继器与附近残余无线网络节点组成无线网络支路；当(A-a)(B-b)(X-C)＜0时，则当前位置并不满足投放条件，无线中继飞行器继续飞行并继续搜寻残余无线网络节点；

步骤3、通过被投放的无线中继器与附近请求连接的残余网络节点通信获取数据：被投放无线中继器与附近残余网络节点组成网络后获取残余网络节点的节点数据进行多数据信息融合，形成融合数据集D，并通过该无线中继器形成的无线网络支路上传至救援中心后台服务器。

在第二个技术方案中，作为优选的，在步骤3后进行

步骤4、无线中继飞行器停止动力输出并着陆：当无线中继器全部投放后，调用生命信号数据集A、无线信号强度数据集B和气体浓度数据集C分别与预先设定的标准生命信号频数据集a、标准无线信号强度数据集b、标准气体浓度数据集X进行对比分析，当(A-a)(B-b)(X-C)＞0时，主控制器向动力驱动模块输出着陆指令，无线中继飞行器着陆静止后与之前四个无线中继器组成的无线网络支路形成新的完整的无线网络；当(A-a)(B-b)(X-C)＜0时，则当前位置不适合将中继飞行器作为独立中继器落地，无线中继飞行器继续飞行并继续搜寻合适位置着陆，着陆后与之前四个无线中继器组成的无线网络支路形成新的完整的无线网络。

使用本发明的有益效果是：

面对煤矿瓦斯爆炸等事故导致的井下无线网络通信系统中断问题，采用无线中继飞行器代替以履带式为主要行走机构的机器人携带无线通信中继器在灾害现场进行投放，对井下残余网络进行搜索并进行重新组网，改善了履带式等行走机器人由于巷道地面环境复杂避障困难而导致的建立应急通信系统救援效率低等问题，无线中继飞行器及其井下网络重组方法，通过向井下派出具有无线中继及中继器投放功能的飞行器，获取当前生命探测数据、信号强度数据、气体数据，并进行数据分析，搜索井下未受损坏的网络节点，选择最佳位置投放无线中继器，建立井下临时无线网络。本发明实现了机器人在救援人员进入矿井前先行进行探测和网络恢复，保障了救援人员的生命安全，也对救援临时通信网络提供了有力保障。

另外，本方法可在合理位置投放中继器，通过投放后的中继器以井下残余网络为基础进行网络重建，技术实现简单；采用单飞行器作为载体，实现成本低廉。

附图说明

图1为本发明基于无线中继飞行器的系统连接图。

图2为发明基于无线中继飞行器的井下网络重组方法的方法逻辑图。

附图标记包括：

1-主控制器，2-生命探测模块，3-信号强度检测模块，4-气体检测模块，

5-无线中继模块，6-飞行移动模块，7-动力驱动模块，8-中继投放模块，

9-存储仓，10-无线中继器，11-投放装置。

具体实施方式

为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。

如图1、图2所示，本实施例提出一种基于无线中继飞行器，包括主控制器1，以及分别与主控制器1电性连接的生命探测模块2，其用于对井下生命迹象进行检测；信号强度检测模块3，其用于对飞行器当前位置进行信号强度检测；气体检测模块4，其用于对飞行器当前位置进行气体浓度检测；无线中继模块5，其用于在井下获取残余节点的网络请求信号组成新的网络，并在着陆后作为无线中继传输节点；飞行驱动模块，其用于驱动飞行器飞行；飞行移动模块6，其用于控制飞行器的飞行姿态；中继投放模块，其内置有若干个无线中继器10并可投放无线中继器10，无线中继器10逐一信号连接并实现无线中继模块5和井上控制中心信号中继。中继投放模块8包括存储仓9和投放装置11，该存储仓9用于存储无线中继器10，投放装置11可投放无线中继器10。

主控制器1与无线中继模块5进行双向通信，飞行移动模块6、动力驱动模块7、中继投放模块8通过外接信号接收主控制器1控制飞行器的动作。

一种基于无线中继飞行器的井下网络重组方法，使用如上中提出的基于无线中继飞行器，包括以下步骤：

步骤1、井下生命信号数据、无线网络通信强度以及气体浓度信息获取及上传：控制基于无线中继飞行器进入井下，同时开启生命探测模块2检测生命信号数据集A、信号强度检测模块3检测无线信号强度数据集B、气体检测模块4检测气体浓度数据集C，并将数据集A、数据集B、数据集C传输给主控制器1；

步骤2、通过对井下数据分析处理选择最佳位置投放无线中继器进行网络重组：当无线中继飞行器获取到附近残余无线网络节点发送的网络连接请求信号后，调用生命信号数据集A、无线信号强度数据集B和气体浓度数据集C分别与预先设定的标准生命信号频数据集a、标准无线信号强度数据集b、标准气体浓度数据集X进行计算分析，当(A-a)(B-b)(X-C)＞0时，则判定飞行器当前位置为无线中继器10的合理投放位置，飞行器投放无线中继器10，无线中继器10与附近残余无线网络节点组成无线网络支路；当(A-a)(B-b)(X-C)＜0时，则当前位置并不满足投放条件，无线中继飞行器继续飞行并继续搜寻残余无线网络节点；

步骤3、通过被投放的无线中继器10与附近请求连接的残余网络节点通信获取数据：被投放无线中继器10与附近残余网络节点组成网络后获取残余网络节点的节点数据进行多数据信息融合，形成融合数据集D，并通过该无线中继器10形成的无线网络支路上传至救援中心后台服务器。

在步骤3后进行步骤4、无线中继飞行器停止动力输出并着陆：当无线中继器10全部投放后，调用生命信号数据集A、无线信号强度数据集B和气体浓度数据集C分别与预先设定的标准生命信号频数据集a、标准无线信号强度数据集b、标准气体浓度数据集X进行对比分析，当(A-a)(B-b)(X-C)＞0时，主控制器1向动力驱动模块7输出着陆指令，无线中继飞行器着陆静止后与之前四个无线中继器10组成的无线网络支路形成新的完整的无线网络；当(A-a)(B-b)(X-C)＜0时，则当前位置不适合将中继飞行器作为独立中继器落地，无线中继飞行器继续飞行并继续搜寻合适位置着陆。

面对煤矿瓦斯爆炸等事故导致的井下无线网络通信系统中断问题，采用无线中继飞行器代替以履带式为主要行走机构的机器人携带无线通信中继器在灾害现场进行投放，对井下残余网络进行搜索并进行重新组网，改善了履带式等行走机器人由于巷道地面环境复杂避障困难而导致的建立应急通信系统救援效率低等问题，无线中继飞行器及其井下网络重组方法，通过向井下派出具有无线中继及中继器投放功能的飞行器，获取当前生命探测数据、信号强度数据、气体数据，并进行数据分析，搜索井下未受损坏的网络节点，选择最佳位置投放无线中继器10，建立井下临时无线网络。本发明实现了机器人在救援人员进入矿井前先行进行探测和网络恢复，保障了救援人员的生命安全，也对救援临时通信网络提供了有力保障。

具体的，本实施例中，飞行器包括包括具有无线信号中继功能的飞行器本体和中继投放模块8，飞行器本体包括对井下生命迹象进行检测的生命探测模块2、对飞行器当前位置进行信号强度检测的信号强度检测模块3、对飞行器当前位置进行气体浓度检测的气体检测模块4、与各类模块进行数据通信并进行数据分析的主控制器1、具有无线传输和中继功能的无线中继模块5、控制飞行器飞行方向的飞行移动模块6、驱动飞行器在井下飞行的动力驱动模块7；中继投放模块8包括存放无线中继器10的存储仓9、用于空投无线中继器10的投放装置11以及用于投放的无线中继器10。

无线中继飞行器中，生命探测模块2对无线中继飞行器所处当前位置进行生命迹象的探测，获取生命信号数据集A，并传输给主控制器1；信号强度检测模块3对无线中继飞行器所处当前位置进行无线信号强度的检测，获取信号强度数据集B，并传输给主控制器1；气体检测模块4对无线中继飞行器所处当前位置进行气体浓度的检测，获取当前气体浓度数据集C，并传输给主控制器1；主控制器1从生命探测模块2、信号强度检测模块3、气体检测模块4获取数据，与无线中继模块5进行双向通信，向飞行移动模块6、动力驱动模块7、中继投放模块8传输控制指令；

飞行移动模块6，从主控制器1获取飞行移动指令，控制无线中继飞行器的空间位置；

动力驱动模块7，从主控制器1获取动力输出指令，完成加速、减速、停止输出并着陆指令；

无线中继飞行器，还包括中继投放模块8，包括存储仓9、投放装置11以及无线中继器10，存储仓9存放无线中继器10，投放装置11从主控制器1获取无线中继器10投放指令，进行无线中继器10的投放。

可以理解的，本实施例中的飞行移动模块6和动力驱动模块7作为飞行器的动力模块和机身姿态控制模块。存储仓9内放置4个无线中继器10，在判断合适位置后，无线中继器10进入到投放装置11中，投放装置11将无线中继器10推出，完成无线中继器10的投放。在其他实施例中，存储仓9内放置多个无线中继器10。

生命探测模块2，对无线中继飞行器所处当前位置进行生命迹象的探测，获取生命信号数据集A，并传输给主控制器1。

信号强度检测模块3，对无线中继飞行器所处当前位置进行无线信号强度的检测，获取信号强度数据集B，并传输给主控制器1。

气体检测模块4，对无线中继飞行器所处当前位置进行气体浓度的检测，获取当前气体浓度数据集C，并传输给主控制器1。

主控制器1从生命探测模块2、信号强度检测模块3、气体检测模块4获取数据，与无线中继模块5进行双向通信，向飞行移动模块6、动力驱动模块7、中继投放模块8传输控制指令。

飞行移动模块6，从主控制器1获取飞行移动指令，控制中继飞行器的空间位置。

动力驱动模块7，从主控制器1获取动力输出指令，完成加速、减速、停止输出并着陆指令。

中继投放模块8，包括存储仓9、投放装置11以及无线中继器10，存储仓9存放无线中继器10，投放装置11从主控制器1获取无线中继器10的投放指令，进行无线中继器10的投放。

结合图2，基于无线中继飞行器的井下网络重组方法具有以下步骤：

首先、井下生命信号数据、无线网络通信强度以及气体浓度信息获取及上传：无线中继飞行器上电飞行后，启动生命探测模块2、信号强度检测模块3、气体检测模块4，获取生命信号数据集A、无线信号强度数据集B、气体浓度数据集C，并将数据集A、B、C传输给主控制器1；

其次、通过对井下数据分析处理选择最佳位置投放无线中继器10进行网络重组：当无线中继飞行器获取到附近残余无线网络节点发送的网络连接请求信号后，主控制器1调用数据集A、B、C，与预先设定的标准生命信号数据集a、标准无线信号强度数据集b、标准气体浓度数据集X进行数据处理运算分析，当(A-a)(B-b)(X-C)＞0时，则当前位置为无线中继器10的合理投放位置，主控制器11启动中继投放模块8，开启存储仓9，将存储仓9内的无线中继器10推入投放装置1111并投放，与附近残余无线网络节点组成无线网络支路，当(A-a)(B-b)(X-C)＜0时，则当前位置并不满足投放条件，无线中继飞行器继续飞行并继续搜寻残余无线网络节点；

再次、通过被投放的无线中继器10与附近请求连接的残余网络节点通信获取数据：被投放无线中继器10与附近残余网络节点组成网络后获取他们的节点数据进行多数据信息融合，形成融合数据集D，并通过该无线中继器10形成的无线网络支路上传至救援中心后台服务器，井上救援人员可以根据融合数据集D中的数据，对井下情况进行评估并制定救援计划；

最后、无线中继飞行器停止动力输出并着陆：每个中继飞行器的中继投放模块8里的存储仓9共存有四个无线中继器10，当中继投放模块8投放一个无线中继器10后，存储仓9中的无线中继器10数量Y将会递减，当Y＝0时，说明存储仓9内已无无线中继器10，主控制器1再次调用数据集A、B、C，与预先设定的标准生命信号数据集a、标准无线信号强度数据集b、标准气体浓度数据集X进行数据处理运算分析，当(A-a)(B-b)(X-C)＞0时，则当前位置适合将无线中继飞行器作为独立中继器落地，主控制器1向无线中继模块发出指令，无线中继模块5进入中继模式，主控制器1向动力驱动模块7输出着陆指令，无线中继飞行器着陆静止后与之前四个无线中继器10组成的无线网络支路形成新的完整的无线网络。当(A-a)(B-b)(X-C)＜0时，则当前位置不适合将中继飞行器作为独立中继器落地，无线中继飞行器继续飞行并继续搜寻合适位置着陆。

本实施例中，当无线中继飞行器进入灾害现场以后，无线中继飞行器的无线中继模块先是工作在无线传输功能模式，并通过这个无线传输功能去获得附近残余无线网络节点发送的网络连接请求信号，然后判断符合投放条件后再投放无线中继器10，当无线中继器10全部投放结束后，无线中继飞行器继续飞行，在判断当前位置环境可以将飞行器作为独立中继器落地后，无线中继飞行器的无线中继模块5进入中继模式，无线中继飞行器着陆，并作为中继器进行工作。

另外，本飞行器仅需要单架下井，不需要多飞行器组队飞行，技术实现成本低廉。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于无线中继飞行器，其特征在于：包括

主控制器，以及分别与主控制器电性连接的

生命探测模块，其用于对井下生命迹象进行检测；

信号强度检测模块，其用于对飞行器当前位置进行信号强度检测；

气体检测模块，其用于对飞行器当前位置进行气体浓度检测；

无线中继模块，其用于在井下获取残余节点的网络请求信号组成新的网络，并在着陆后作为无线中继传输节点；

飞行驱动模块，其用于驱动飞行器飞行；

飞行移动模块，其用于控制飞行器的飞行姿态；

中继投放模块，其内置有若干个无线中继器并可投放无线中继器，所述无线中继器逐一信号连接并实现所述无线中继模块和所述井上控制中心信号中继。

2.根据权利要求1所述的基于无线中继飞行器，其特征在于：所述中继投放模块包括存储仓和投放装置，该存储仓用于存储无线中继器，所述投放装置可投放无线中继器。

3.根据权利要求1所述的基于无线中继飞行器，其特征在于：所述主控制器与无线中继模块进行双向通信，所述飞行移动模块、动力驱动模块、中继投放模块通过外接信号接收主控制器控制飞行器的动作。

4.根据权利要求1所述的基于无线中继飞行器，其特征在于：所述无线中继器有4个。

5.一种基于无线中继飞行器的井下网络重组方法，使用如权利要求1-4任一项所述的基于无线中继飞行器，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、井下生命信号数据、无线网络通信强度以及气体浓度信息获取及上传：控制基于无线中继飞行器进入井下，同时开启生命探测模块检测生命信号数据集A、信号强度检测模块检测无线信号强度数据集B、气体检测模块检测气体浓度数据集C，并将数据集A、数据集B、数据集C传输给主控制器；

步骤2、通过对井下数据分析处理选择最佳位置投放无线中继器进行网络重组：当无线中继飞行器获取到附近残余无线网络节点发送的网络连接请求信号后，调用生命信号数据集A、无线信号强度数据集B和气体浓度数据集C分别与预先设定的标准生命信号频数据集a、标准无线信号强度数据集b、标准气体浓度数据集X进行计算分析，当(A-a)(B-b)(X-C)＞0时，则判定飞行器当前位置为无线中继器的合理投放位置，飞行器投放中继器，无线中继器与附近残余无线网络节点组成无线网络支路；当(A-a)(B-b)(X-C)＜0时，则当前位置并不满足投放条件，无线中继飞行器继续飞行并继续搜寻残余无线网络节点；

步骤3、通过被投放的无线中继器与附近请求连接的残余网络节点通信获取数据：被投放无线中继器与附近残余网络节点组成网络后获取残余网络节点的节点数据进行多数据信息融合，形成融合数据集D，并通过该无线中继器形成的无线网络支路上传至救援中心后台服务器。

6.根据权利要求5所述的基于无线中继飞行器的井下网络重组方法，其特征在于：在步骤3后进行

步骤4、无线中继飞行器停止动力输出并着陆：当无线中继器全部投放后，调用生命信号数据集A、无线信号强度数据集B和气体浓度数据集C分别与预先设定的标准生命信号频数据集a、标准无线信号强度数据集b、标准气体浓度数据集X进行对比分析，当(A-a)(B-b)(X-C)＞0时，主控制器向动力驱动模块输出着陆指令，无线中继飞行器着陆静止后与之前四个无线中继器组成的无线网络支路形成新的完整的无线网络；当(A-a)(B-b)(X-C)＜0时，则当前位置不适合将中继飞行器作为独立中继器落地，无线中继飞行器继续飞行并继续搜寻合适位置着陆，着陆后与之前四个无线中继器组成的无线网络支路形成新的完整的无线网络。