CN109976345A - 一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位,包括矿道、定位节点、双光纤环网、光纤环网交换器、地面控制站和巡检机器人,矿道内布置用于无线定位的定位节点和双光纤环网,矿道内布置有指示牌,巡检机器人上安装有GPS模块、射频定位模块和无线通讯模块,巡检机器人上还安装有摄像头、矿灯、激光雷达和RFID读卡器,摄像头、矿灯、激光雷达和RFID读卡器均与巡检机器人的中央处理器连接;本发明一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位,该种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位,通过采用紫外线传感器判断巡检机器人所处环境,并融合了GPS定位技术和惯导技术,实现深部开采井上下实时灵活定位导航,适用于井下复杂环境。
Description
技术领域
本发明涉及机器人导航技术领域,特别涉及一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位。
背景技术
我国煤炭储存量大,多数煤矿都是高瓦斯,开采环境恶劣,危险性高,煤矿生产百万吨死亡率一直居高不下。为了保证人员的生命安全以及工作的正常运营,对于井下环境的监测就显得尤为重要,因此需要经常对矿井进行巡检。目前,大多数煤矿企业对于的巡检方式仍为人工巡视为主,这种方式主要依靠巡视工人的感官来对皮带机状态进行判断,巡检效率低、成本高,而且依赖于工人的主观判断,可靠性差。因此通过计算机视觉、各类传感器,搭载于控制箱,通过无线网桥传输,集成于一体的巡检机器人成为了企业的需求。
巡检机器人在井下行走过程中需要对其进行实时导航定位,但是全球卫星导航定位系统通常只能用于地面无遮挡环境下的目标导航和定位,在有遮挡的情况下,导航信号质量会迅速恶化,从而导致无法完成定位。特别是对于煤矿矿井,由于导航信号无法穿过地表,利用导航卫星信号几乎是不可能的。另外,地下煤矿矿井地形复杂、电磁信号反射、多径干扰情况严重,对定位效果带来了更多的问题。而且现有的井下定位技术完全依赖于网络电源的发射与接收,一旦井下受灾害,发生供电中止或信号中断情况,将无法完成巡检机器人的定位导航。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位,可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位,包括矿道、定位节点、双光纤环网、光纤环网交换器、地面控制站和巡检机器人,所述矿道内布置用于无线定位的定位节点和双光纤环网,所述矿道内布置有指示牌,所述双光纤环网直连井上地面控制站的光纤环网交换机,所述光纤环网与地面控制站内的上位机相连,所述巡检机器人自带运动控制系统,且所述运动控制系统与巡检机器人的中央处理器连接,所述巡检机器人上安装有GPS模块、射频定位模块和无线通讯模块,所述GPS模块、射频定位模块和无线通讯模块均与巡检机器人上的中央处理器连接,所述巡检机器人通过天线与定位节点无线连接,所述巡检机器人上还安装有摄像头、矿灯、激光雷达和RFID读卡器,所述摄像头、矿灯、激光雷达和RFID读卡器均与巡检机器人的中央处理器连接,所述中央处理器连接有矿道地图数据库。
优选的,所述中央处理器还连接有图像处理模块、文字输入模块和文字识别模块,所述图像处理模块与摄像头连接,所述文字识别模块与文字输入模块连接。
优选的,所述巡检机器人上还安装有紫外线传感器,所述紫外线传感器通过导线与巡检机器人的中央处理器连接。
优选的,所述巡检机器人顶部安装有次声波发生器,所述超声波发生器自带开关按钮,所述地面控制站上设置有用于接收次声波的次声波传感器。
优选的,所述定位节点包含CSS定位通信基站和WIFI通信基站单元。
优选的,所述巡检机器人的导航定位方法包括如下步骤:
S1、在井下每隔一段距离以及关键位置——拐点、地形点、危险易发点以及井下工人每天必经之路上布置定位节点,并在指示牌上记录下对应的精确三维坐标信息作为标识符,同时在指示牌上记录此处到出口位置的最近路线;
S2、巡检机器人自主判断所处环境,所述紫外线传感器检测到巡检机器人所处环境有紫外线时,将信号发送至中央处理器,中央处理器选择采用GPS模块进行导航定位,所述紫外线传感器检测到巡检机器人所处环境没有紫外线时,中央处理器选择采用惯导系统继续定位,即在井下环境中,通过射频定位模块获取三维坐标信息,然后继续定位导航;
S3、巡检机器人在使用惯导系统定位的过程中,激光雷达实时进行障碍物检测,并在采集到的信息中提取环境特征,同时摄像头采集周围环境的图像信息,经过图像处理后提取环境特征,并将摄像头采集的环境特征和激光雷达采集的环境特征进行信息融合,得到准确的环境特征信息,并将环境信息发送至中央处理器,中央处理器自动规划路径;
S4、当出现意外而导致无线通讯定位失效时,摄像头采集指示牌上的图像信息,并通过文字识别模块识别指示牌上的信息,然后将提取得到的文字信息通过文字输入模块输入系统中,进而中央处理器根据文字信息生成控制命令,然后规划到矿道出口的路径;
S5、当发生紧急情况,矿工无法通过无线通讯或其他方式与地面控制站取得联系时,可以启动巡检机器人上的次声波发生器,地面控制站接收到次声波的波源时,根据次声波波源位置信息展开救援。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1)、该种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位,通过采用紫外线传感器判断巡检机器人所处环境,结构简单,检测准确,有利于巡检机器人根据紫外线状况判断所处环境,进而确定是否采用GPS模块进行导航定位,融合了GPS定位技术和惯导技术,实现深部开采井上下实时灵活定位导航,适用于井下复杂环境;
2)、通过指示牌的设置,并结合图片文字识别技术,在无线通讯意外中断情况下,可以采集文字,并输入文字控制系统规划离开矿道的路线,从而有利于减少意外造成的损失;
3)、当发生紧急情况,无法通过无线通讯或其他方式与地面控制站取得联系时,矿工可以在巡检机器人附近并开启次声波发生器,利用次声波穿透力极强的特性,使得地面可以检测到波源的位置,并对波源位置展开救援。
附图说明
图1为本发明所述一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位状态示意图;
图2为本发明所述一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位总体结构框图;
图3为本发明所述一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位方法流程图。
图中:1、矿道;2、定位节点;3、指示牌;4、双光纤环网;5、光纤环网交换机;6、地面控制站;7、巡检机器人;8、次声波发生器;9、摄像头;10、无线通讯模块;11、激光雷达;12、矿灯;13、RFID读卡器;14、紫外线传感器;15、次声波传感器。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。
实施例1
如图1-2所示,一种巡检机器人7在井下复杂环境的自主导航定位,包括矿道1、定位节点2、双光纤环网4、光纤环网交换器、地面控制站6和巡检机器人7,矿道1内布置用于无线定位的定位节点2和双光纤环网4,矿道1内布置有指示牌3,双光纤环网4直连井上地面控制站6的光纤环网交换机5,光纤环网与地面控制站6内的上位机相连,巡检机器人7自带运动控制系统,且运动控制系统与巡检机器人7的中央处理器连接,中央处理器为ARM11主控芯片,巡检机器人7上安装有GPS模块、射频定位模块和无线通讯模块10,GPS模块采用但不限于型号为OBT2217BD/GPS的双模卫星定位接收模块,无线通信模块采用SX1278型芯片,GPS模块、射频定位模块和无线通讯模块10均与巡检机器人7上的中央处理器连接,巡检机器人7通过天线与定位节点2无线连接,巡检机器人7上还安装有摄像头9、矿灯12、激光雷达11和RFID读卡器13,激光雷达11采用但不限于RPLIDAR-A1型雷达,摄像头9、矿灯12、激光雷达11和RFID读卡器13均与巡检机器人7的中央处理器连接,中央处理器连接有矿道1地图数据库。
通过采用上述技术方案,通过采用紫外线传感器14判断巡检机器人7所处环境,结构简单,检测准确,有利于巡检机器人7根据紫外线状况判断所处环境,进而确定是否采用GPS模块进行导航定位,融合了GPS定位技术和惯导技术,实现深部开采井上下实时灵活定位导航,适用于井下复杂环境。
实施例2
如图1-2所示,中央处理器还连接有图像处理模块、文字输入模块和文字识别模块,图像处理模块采用但不限于MDIN241型的图像处理芯片,图像处理模块与摄像头9连接,文字识别模块与文字输入模块连接。
巡检机器人7上还安装有紫外线传感器14,紫外线传感器14采用但不限于UV-200型,紫外线传感器14通过导线与巡检机器人7的中央处理器连接。
巡检机器人7顶部安装有次声波发生器8,超声波发生器自带开关按钮,地面控制站6上设置有用于接收次声波的次声波传感器15,次声波传感器15采用但不限于CC-1T型或CDC-2B型(中)或InSAS2008型。
定位节点2包含CSS定位通信基站和WIFI通信基站单元。
通过采用上述技术方案,通过指示牌3的设置,并结合图片文字识别技术,在无线通讯意外中断情况下,可以采集文字,并输入文字控制系统规划离开矿道1的路线,从而有利于减少意外造成的损失。当发生紧急情况,无法通过无线通讯或其他方式与地面控制站6取得联系时,矿工可以在巡检机器人7附近并开启次声波发生器8,利用次声波穿透力极强的特性,使得地面可以检测到波源的位置,并对波源位置展开救援。
实施例3
如图3所示,巡检机器人7的导航定位方法包括如下步骤:
S1、在井下每隔一段距离以及关键位置--拐点、地形点、危险易发点以及井下工人每天必经之路上布置定位节点2,并在指示牌3上记录下对应的精确三维坐标信息作为标识符,同时在指示牌3上记录此处到出口位置的最近路线;
S2、巡检机器人7自主判断所处环境,紫外线传感器14检测到巡检机器人7所处环境有紫外线时,将信号发送至中央处理器,中央处理器选择采用GPS模块进行导航定位,紫外线传感器14检测到巡检机器人7所处环境没有紫外线时,中央处理器选择采用惯导系统继续定位,即在井下环境中,通过射频定位模块获取三维坐标信息,然后继续定位导航;
S3、巡检机器人7在使用惯导系统定位的过程中,激光雷达11实时进行障碍物检测,并在采集到的信息中提取环境特征,同时摄像头9采集周围环境的图像信息,经过图像处理后提取环境特征,并将摄像头9采集的环境特征和激光雷达11采集的环境特征进行信息融合,得到准确的环境特征信息,并将环境信息发送至中央处理器,中央处理器自动规划路径;
S4、当出现意外而导致无线通讯定位失效时,摄像头9采集指示牌3上的图像信息,并通过文字识别模块识别指示牌3上的信息,然后将提取得到的文字信息通过文字输入模块输入系统中,进而中央处理器根据文字信息生成控制命令,然后规划到矿道1出口的路径;
S5、当发生紧急情况,矿工无法通过无线通讯或其他方式与地面控制站6取得联系时,可以启动巡检机器人7上的次声波发生器8,地面控制站6接收到次声波的波源时,根据次声波波源位置信息展开救援。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位,包括矿道(1)、定位节点(2)、双光纤环网(4)、光纤环网交换器、地面控制站(6)和巡检机器人(7),所述矿道(1)内布置用于无线定位的定位节点(2)和双光纤环网(4),所述矿道(1)内布置有指示牌(3),所述双光纤环网(4)直连井上地面控制站(6)的光纤环网交换机(5),所述光纤环网与地面控制站(6)内的上位机相连,所述巡检机器人(7)自带运动控制系统,且所述运动控制系统与巡检机器人(7)的中央处理器连接,其特征在于,所述巡检机器人(7)上安装有GPS模块、射频定位模块和无线通讯模块(10),所述GPS模块、射频定位模块和无线通讯模块(10)均与巡检机器人(7)上的中央处理器连接,所述巡检机器人(7)通过天线与定位节点(2)无线连接,所述巡检机器人(7)上还安装有摄像头(9)、矿灯(12)、激光雷达(11)和RFID读卡器(13),所述摄像头(9)、矿灯(12)、激光雷达(11)和RFID读卡器(13)均与巡检机器人(7)的中央处理器连接,所述中央处理器连接有矿道(1)地图数据库。
2.根据权利要求1所述的一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位,其特征在于,所述中央处理器还连接有图像处理模块、文字输入模块和文字识别模块,所述图像处理模块与摄像头(9)连接,所述文字识别模块与文字输入模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位,其特征在于,所述巡检机器人(7)上还安装有紫外线传感器(14),所述紫外线传感器(14)通过导线与巡检机器人(7)的中央处理器连接。
4.根据权利要求1所述的一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位,其特征在于,所述巡检机器人(7)顶部安装有次声波发生器(8),所述超声波发生器自带开关按钮,所述地面控制站(6)上设置有用于接收次声波的次声波传感器(15)。
5.根据权利要求1所述的一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位,其特征在于,所述定位节点(2)包含CSS定位通信基站和WIFI通信基站单元。
6.根据权利要求1所述的一种巡检机器人在井下复杂环境的自主导航定位,其特征在于,所述巡检机器人(7)的导航定位方法包括如下步骤:
S1、在井下每隔一段距离以及关键位置--拐点、地形点、危险易发点以及井下工人每天必经之路上布置定位节点(2),并在指示牌(3)上记录下对应的精确三维坐标信息作为标识符,同时在指示牌(3)上记录此处到出口位置的最近路线;
S2、巡检机器人(7)自主判断所处环境,所述紫外线传感器(14)检测到巡检机器人(7)所处环境有紫外线时,将信号发送至中央处理器,中央处理器选择采用GPS模块进行导航定位,所述紫外线传感器(14)检测到巡检机器人(7)所处环境没有紫外线时,中央处理器选择采用惯导系统继续定位,即在井下环境中,通过射频定位模块获取三维坐标信息,然后继续定位导航;
S3、巡检机器人(7)在使用惯导系统定位的过程中,激光雷达(11)实时进行障碍物检测,并在采集到的信息中提取环境特征,同时摄像头(9)采集周围环境的图像信息,经过图像处理后提取环境特征,并将摄像头(9)采集的环境特征和激光雷达(11)采集的环境特征进行信息融合,得到准确的环境特征信息,并将环境信息发送至中央处理器,中央处理器自动规划路径;
S4、当出现意外而导致无线通讯定位失效时,摄像头(9)采集指示牌(3)上的图像信息,并通过文字识别模块识别指示牌(3)上的信息,然后将提取得到的文字信息通过文字输入模块输入系统中,进而中央处理器根据文字信息生成控制命令,然后规划到矿道(1)出口的路径;
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190705 |