CN113246152A - 一种矿用井下变电所智能巡检机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿用井下变电所智能巡检机器人，包括机器人本体，以及设置于机器人本体上的移动机构子系统、感知控制子系统和供电子系统；感知控制子系统包括相连的主控制器和智能终端，智能终端连有的传感器包括：避障传感器、用于采集包括停车处的停车标识在内的井下环境图像的摄像云台、设置于机器人本体底部用于采集路面上的减速标志图像和停车处的巡检信息二维码图像的二维码摄像仪；主控制器根据传感器状态感知确定行走策略，控制机器人行走至停车处。本发明通过主控制器控制移动机构，配合二维码摄像仪、摄像云台等传感器实现了机器人自动停车巡检、精准识别火情、自动导航充电等功能，极大减少了人工工作强度，提升了工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下巡检领域，特别是一种矿用井下变电所智能巡检机器人。
背景技术
巡检作为煤矿安全管理的重要手段，可以将危险提前“扼杀在摇篮里”，有效排除安全隐患，保证工人的人身安全和生产设备安全运营。目前，传统的巡检方式有以下几个问题：巡检人员每天需要下井后步行走到待检区域，而检测的项目繁琐且重复度较高，极大的浪费人力成本；室内环境较为封闭，人员巡检过程中对现场环境感知度差，对于有毒有害气体、火灾隐患无法预知，可能危害巡检人员的身体健康；对于部分模拟表计，抄表人员只是简单数值读取，难以进行统计分析，不能及时、准确地发现存在的问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题，主要提供了一种矿用井下变电所智能巡检机器人，能够实现对矿用井下变电所的自动巡检，不仅节约了人力，避免环境对巡检人员身体健康的危害，而且提高了巡检效率。
本发明公开了一种矿用井下变电所智能巡检机器人，包括机器人本体，以及设置于所述机器人本体上的移动机构子系统、感知控制子系统和用于供电的供电子系统；
所述感知控制子系统包括相连的主控制器和智能终端，所述智能终端连有的传感器包括：避障传感器、用于采集包括停车处的停车标识在内的井下环境图像的摄像云台、设置于所述机器人本体底部用于采集路面上的减速标志图像和停车处的巡检信息二维码图像的二维码摄像仪；所述主控制器用于根据所述智能终端获取的传感器状态感知确定行走策略，控制所述机器人行走至预设的所述停车处，并拍摄待检设备；
所述主控制器与所述移动机构子系统连接，用于根据所述行走策略控制所述机器人本体行走。
进一步地，所述智能终端连有的传感器还包括：温湿度传感器、多参数传感器、烟雾传感器；所述摄像云台还用于检测火焰火光；
所述主控制器还用于根据所述智能终端获取的传感器状态感知进行火焰闪烁特征提取、窄光谱信号全脉冲分析、高精度图像处理及多波段传感融合，以感知火情。
进一步地，所述矿用井下变电所智能巡检机器人还包括：与所述主控制器连接的通讯子系统，其中，所述通讯子系统包括安装于所述机器人本地底部的无线路由器，以及安装于所述机器人本体内部的无线收发组件，用于与监控中心通过WiFi无线网络来传输数据。
进一步地，所述供电子系统包括：
电池组，包括若干串联连接的电池；
无线充电接收箱，与所述电池组连接，用于为所述电池组充电；
电池管理组件，与所述电池组连接，用于保护充放电过程中的所述电池组；所述主控制器与所述电池管理组件连接，用于获取电池组的电量信息，并根据电量信息确定行走策略，使得所述电池组在电量不足时，控制所述机器人本体行走至充电站；
多路低压电源组件，与电池组连接，用于为感知控制子系统提供不同电压值的直流电源。
进一步地，所述移动机构子系统包括：电机控制器、直流伺服电机、减速机、驱动轴、驱动轮和扫拖机构，其中，所述电机控制器与所述主控制器连接，用于发送控制指令给所述直流伺服电机，以通过所述减速机、所述驱动轴控制驱动轮和扫拖机构的转动和方向。
本发明还公开了一种井下变电所巡检系统，包括上述的矿用井下变电所智能巡检机器人，还包括：
设置于井下变电所的充电站，用于为所述矿用井下变电所智能巡检机器人充电；
设置于所述井下变电所的用于提示所述矿用井下变电所智能巡检机器人减速和停车的：减速标志和停车标识；
设置于井上的监控中心，用于与所述矿用井下变电所智能巡检机器人建立通讯。
本发明还公开了一种所述矿用井下变电所智能巡检机器人的巡检方法，包括：
采集路面图像，并判断有无出现减速标志；
若有，则控制机器人本体减速，并视觉测距确定停车标识坐标；
基于所述停车标识坐标控制所述机器人本体运行到停车标识处后停车；
采集并识别包含有巡检信息的二维码，拍摄待检设备的图像，完成巡检。
进一步地，所述采集路面图像，并判断有无出现减速标志之后，还包括：
若无，则基于预设的行走策略，实时调整所述机器人本体的位姿。
进一步地，该方法还包括：
获取烟雾传感器、温湿度传感器、摄像云台、多参数传感器的感知状态；
基于所述感知状态通过火焰闪烁特征提取、窄光谱信号全脉冲分析、高精度图像处理及多波段传感融合，确定火情信息；
反馈火情信息至监控中心。
进一步地，该方法还包括：
实时获取所述机器人本体的电池组的电量，并判断是否低于电量设定值；
若是，则基于相应的行走策略控制所述机器人本体行走至充电位置；
在到达充电位置的情况下，发送充电指令，并对所述电池组进行恒流充电；判断所述电池组的电压是否达到电压设定值，若是，则进行恒压充电，直至充电完成。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明通过感知控制子系统中的主控制器控制移动机构子系统实现了机器人的移动，并配合二维码摄像仪、摄像云台等传感器实现了机器人自动停车巡检、精准识别火情、自动导航充电等功能，极大减少了人工工作强度，提升了工作效率。同时机器人能够与监控中心远程通信，让运维人员足不出户全景掌握设备的运行状态，挖掘室内状态数据中的价值，提高运维管理水平。
本发明的其他有益效果将在具体实施方式部分详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明优选实施例公开的矿用井下变电所智能巡检机器人的系统原理框图。
图2是本发明优选实施例公开的矿用井下变电所智能巡检机器人的机器人本体结构示意图。
图3是本发明优选实施例公开的矿用井下变电所智能巡检机器人的多传感器融合分析流程示意图。
图4是本发明优选实施例公开的矿用井下变电所智能巡检机器人的充电流程图。
图5是本发明优选实施例公开的矿用井下变电所智能巡检机器人的巡检导航流程示意图。
其中，20-移动机构子系统，21-直流伺服电机，22-减速机，23-驱动轴，24-电机控制器，4-驱动轮，5-防爆电池箱，6-扫拖机构，30-通讯子系统，31-无线路由器，32-无线收发组件，40-感知控制子系统，41-主控制器，42-智能终端，43-语音播放器，44-多参数传感器，45-温湿度传感器，46-烟雾传感器，47-摄像云台/升降摄像云台，48-二维码摄像仪，49-避障传感器，50-供电子系统，51-无线充电接收机箱，52-电池组，53-电池管理组件，54-多路低压电源组件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1和图2所示，本发明公开了一种矿用井下变电所智能巡检机器人，包括机器人本体，以及设置于所述机器人本体上的移动机构子系统20、感知控制子系统40和供电子系统50，供电子系统50能够为移动机构子系统20、感知控制子系统40供电。
所述感知控制子系统40在功能上主要分为两个部分，感知部分通过传感器检测井下环境的信息并进行相应的处理分析，控制部分能够根据预设的方法、处理分析结果等对其他各子系统进行控制。感知控制子系统40其具体包括相连的主控制器41和智能终端42，所述智能终端42连有的传感器包括：避障传感器49、用于采集包括停车处的停车标识在内的井下环境图像的摄像云台47、设置于所述机器人本体底部用于采集路面上的减速标志图像和停车处的巡检信息二维码图像的二维码摄像仪48。优选的，所述摄像云台47为升降摄像云台47，机器人本体上设有防爆控制箱，主控制器41和智能终端42设置于防爆控制箱内。所述主控制器41用于根据所述智能终端42获取的传感器状态感知确定行走策略，本发明涉及到的行走策略具体多种，可以预先设置好并保存在感知控制子系统40中，且能够被主控制器41调用，主控制器41针对实际巡检过程中遇到的不同情况、不同需求选择符合相应条件的行走策略，所述主控制器41与所述移动机构子系统20连接，用于根据所选定的行走策略控制所述机器人本体行走，此处行走策略可以归纳为巡检行走策略，使得主控制器41控制所述机器人行走至预设的所述停车处，并拍摄待检设备。
对于机器人的自动巡检作业，具体流程如图5所示，在巡检过程中，安装在智能巡检机器人底部的二维码摄像仪48采集路面图像，提取图像边界信息，经过图像预处理，判断有无减速标志出现在智能巡检机器人视野中。如没有减速标志，则执行边界检测运动控制方法，实时调整机器人的位姿。如有减速标志，则智能巡检机器人减速并视觉测距确定停车标识坐标，控制智能巡检机器人精确运行到停车标识处，然后识别二维码并获取其中的巡检信息，拍摄待检设备图像，实现自主导航。本发明采用二维码定位和视觉导航相结合的方式，解决视觉导航易受光强影响大、二维码受遮挡信号易丢失问题。
通过上述结构，本发明公开的机器人能够实现自动导航至巡检位置，通过扫码获取巡检信息并对设备进行拍照，自动完成巡检作业，本发明基于上述结构的应用，成功取代了传统的人工巡检作业，对于拍摄的机械仪表图像，感知控制子系统40还能够对其进行图像分析得到仪表参数。
在本发明的一些实施例中，本发明的感知控制子系统40面向煤矿井下高瓦斯、高粉尘、低操作空间复杂受限环境，通过多种传感器采集到的数据，所述智能终端42连有的传感器还包括：温湿度传感器45、多参数传感器44、烟雾传感器46，采用烟雾传感器46用于判断火焰烟雾，温湿度传感器45能够识别高温着火点，摄像云台47能够识别火焰火光，通过这些传感器能够实现对火源火情的精准感知。如图3所示，所述主控制器41还用于根据所述智能终端42获取的上述传感器状态感知进行火焰闪烁特征提取、窄光谱信号全脉冲分析、高精度图像处理及多波段传感融合，以感知火情。其中，可选用型号GD4(B)在内多种型号的多参数传感器44，其为矿用隔爆兼本质安全型仪器，是一种可以灵活配置为单种环境参数或多种环境参数检测的传感器，可用于连续监测煤矿井下及其他工作场所的温度、甲烷浓度、一氧化碳浓度、风速等。能与国内各种监控系统瓦斯闭锁装置、断电仪配套使用，可长期用于煤矿井下含有瓦斯、粉尘等爆炸性气体的危险场所。
在本发明的一些实施例中，本发明公开的矿用井下变电所智能巡检机器人还包括与所述主控制器41连接的通讯子系统30，其中，所述通讯子系统30包括安装于所述机器人本地底部的无线路由器31，以及安装于所述机器人本体内部的无线收发组件32，用于与监控中心通过WiFi无线网络来传输数据，例如可以将巡检信息、火情信息等实时上报给监控中心，克服了传统巡检存在缺少人员实时值守，只能“事后响应”的问题。
在本发明的一些实施例中，所述供电子系统50包括：
电池组52，包括若干串联连接的电池。优选的，电池使用磷酸铁锂电池，单体容量60Ah、电压3.2V、15节采用串联连接，为直流伺服电机21和多路低压电源组件54提供48V直流电，电池组52容量满足(充电一次)正常运行4h，同时保留手动充电功能，在出现紧急情况下，可利用手动充电器对其进行紧急充电，满足临时性任务需求。
无线充电接收箱，安装在智能巡检机器人本体的侧后方，并且与所述电池组52连接，用于为所述电池组52充电。
电池管理组件53，与所述电池组52连接，实现对电池组52充放电过程中的过压、过流以及单体电池的均衡保护。所述主控制器41与所述电池管理组件53连接，用于获取电池组52的电量信息，并根据电量信息确定行走策略，使得所述电池组52在电量不足时，控制所述机器人本体行走至充电站；
多路低压电源组件54，与电池组52连接，用于为感知控制子系统40提供不同电压值的直流电源。优选的，为感知控制子系统40提供5V、12V以及18V直流电源。
优选的，电池组52与电池管理组件53、无线充电接收机箱51放置在经过防爆设计的电池箱5内。
供电子系统50具有电池电量自动检测功能，实时获取所述机器人本体的电池组52的电量，并判断是否低于电量设定值，若是，则自动停止当前巡检任务，并基于相应的行走策略控制所述机器人本体行走至充电位置，同时与所述智能终端42连接的语音播放器43在电池组52电量不足的情况下发出警报，之后主控制器41基于预设的行走策略自主运行到充电站。优选的，对于充电的行走策略可以同样可以采用减速标志配合停车标识的导航方式，此处不再赘述。
作为一种优选的机器人充电方案，如图4所示，首先判断机器人是否到达充电位置，如果不是则继续等待充电，如果到达充电位置机器人发送充电指令，先进行恒流充电。恒流充电过程中，判断电压是否达到设定值，如果不是返回继续恒流充电，如果是则开始恒压充电，恒压充电结束后，上传满电量标志，充电结束。
在本发明的一些实施例中，所述移动机构子系统20包括：电机控制器24、直流伺服电机21、减速机22、驱动轴23、驱动轮4和扫拖机构6，其中，所述电机控制器24与所述主控制器41连接，用于发送控制指令给所述直流伺服电机21，以通过所述减速机22、所述驱动轴23控制驱动轮4和扫拖机构6的转动和方向。
在本发明还公开了一种井下变电所巡检系统，包括：如上文各实施例所述的矿用井下变电所智能巡检机器人，以及：
设置于井下变电所的充电站，用于为所述矿用井下变电所智能巡检机器人充电。
设置于所述井下变电所的用于提示所述矿用井下变电所智能巡检机器人减速和停车的：减速标志和停车标识。
设置于井上的监控中心，用于与所述矿用井下变电所智能巡检机器人建立通讯。优选的，监控中心还提供定制功能，对于没有监控过的设备，可以通过厂家提供的接口协议，开发相应的动态库，集成到监控系统中；通过图形化界面提供与用户交互的监测信息，查看到设备的运行状态。
本发明公开的矿井下变电所智能巡检机器人的巡检方法，可详见上文关于矿井下变电所智能巡检机器人的各实施例的详细说明。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种矿用井下变电所智能巡检机器人，其特征在于，包括机器人本体，以及设置于所述机器人本体上的移动机构子系统、感知控制子系统和用于供电的供电子系统；
所述感知控制子系统包括相连的主控制器和智能终端，所述智能终端连有的传感器包括：避障传感器、用于采集包括停车处的停车标识在内的井下环境图像的摄像云台、设置于所述机器人本体底部用于采集路面上的减速标志图像和停车处的巡检信息二维码图像的二维码摄像仪；所述主控制器用于根据所述智能终端获取的传感器状态感知确定行走策略，控制所述机器人行走至预设的所述停车处，并拍摄待检设备；
所述主控制器与所述移动机构子系统连接，用于根据所述行走策略控制所述机器人本体行走。
2.根据权利要求1所述的矿井下变电所智能巡检机器人，其特征在于，所述智能终端连有的传感器还包括：温湿度传感器、多参数传感器、烟雾传感器；所述摄像云台还用于检测火焰火光；
所述主控制器还用于根据所述智能终端获取的传感器状态感知进行火焰闪烁特征提取、窄光谱信号全脉冲分析、高精度图像处理及多波段传感融合，以感知火情。
3.根据权利要求1所述的矿井下变电所智能巡检机器人，其特征在于，所述矿用井下变电所智能巡检机器人还包括：与所述主控制器连接的通讯子系统，其中，所述通讯子系统包括安装于所述机器人本地底部的无线路由器，以及安装于所述机器人本体内部的无线收发组件，用于与监控中心通过WiFi无线网络来传输数据。
4.根据权利要求1所述的矿井下变电所智能巡检机器人，其特征在于，所述供电子系统包括：
电池组，包括若干串联连接的电池；
无线充电接收箱，与所述电池组连接，用于为所述电池组充电；
电池管理组件，与所述电池组连接，用于保护充放电过程中的所述电池组；所述主控制器与所述电池管理组件连接，用于获取电池组的电量信息，并根据电量信息确定行走策略，使得所述电池组在电量不足时，控制所述机器人本体行走至充电站；
多路低压电源组件，与电池组连接，用于为感知控制子系统提供不同电压值的直流电源。
5.根据权利要求1所述的矿井下变电所智能巡检机器人，其特征在于，所述移动机构子系统包括：电机控制器、直流伺服电机、减速机、驱动轴、驱动轮和扫拖机构，其中，所述电机控制器与所述主控制器连接，用于发送控制指令给所述直流伺服电机，以通过所述减速机、所述驱动轴控制驱动轮和扫拖机构的转动和方向。
6.一种井下变电所巡检系统，包括如权利要求1～5中任一项所述的矿用井下变电所智能巡检机器人；还包括：
设置于井下变电所的充电站，用于为所述矿用井下变电所智能巡检机器人充电；
设置于所述井下变电所的用于提示所述矿用井下变电所智能巡检机器人减速和停车的：减速标志和停车标识；
设置于井上的监控中心，用于与所述矿用井下变电所智能巡检机器人建立通讯。
7.一种所述矿用井下变电所智能巡检机器人的巡检方法，其特征在于，包括：
采集路面图像，并判断有无出现减速标志；
若有，则控制机器人本体减速，并视觉测距确定停车标识坐标；
基于所述停车标识坐标控制所述机器人本体运行到停车标识处后停车；
采集并识别包含有巡检信息的二维码，拍摄待检设备的图像，完成巡检。
8.根据权利要求7所述的矿井下变电所智能巡检机器人的巡检方法，其特征在于，所述采集路面图像，并判断有无出现减速标志之后，还包括：
若无，则执行边界检测运动控制方法，实时调整所述机器人本体的位姿。
9.根据权利要求7所述的矿井下变电所智能巡检机器人的巡检方法，其特征在于，该方法还包括：
获取烟雾传感器、温湿度传感器、摄像云台、多参数传感器的感知状态；
基于所述感知状态通过火焰闪烁特征提取、窄光谱信号全脉冲分析、高精度图像处理及多波段传感融合，确定火情信息；
反馈火情信息至监控中心。
10.根据权利要求7所述的矿井下变电所智能巡检机器人的巡检方法，其特征在于，该方法还包括：
实时获取所述机器人本体的电池组的电量，并判断是否低于电量设定值；
若是，则基于相应的行走策略控制所述机器人本体行走至充电位置；
在到达充电位置的情况下，发送充电指令，并对所述电池组进行恒流充电；
判断所述电池组的电压是否达到电压设定值，若是，则进行恒压充电，直至充电完成。
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Lei Inventor after: Zhao Hongju Inventor after: Xu Guofeng Inventor after: Qiu Jiaowei Inventor after: Wang Zanyuan Inventor after: Chen Yuhao Inventor after: Wang Xinming Inventor before: Wang Lei Inventor before: Zhao Hongju Inventor before: Xu Guofeng Inventor before: Qiu Jiaowei Inventor before: Wang Zanyuan Inventor before: Chen Yuhao Inventor before: Wang Xinming |