CN113371084A - 一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人，该机器人包括：机器人主体、履带式驱动装置、摩擦防护结构、支撑结构、瓦斯气体采集检测装置、电源模块、微处理器模块、无线发送模块、摄像头、折叠风扇装置。本发明所述的一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人，一是机器人可利用其微处理器配备的基于果蝇学习策略的气味源定位算法(CNN‑LSTM‑FOA)分析瓦斯气体采集装置收集到的浓度信息，实现对瓦斯气体的追踪，可以及时开展泄露气味源定位工作。二是机器人配备的智能折叠风扇，当机器人定位至瓦斯气体泄露场所后智能风扇将切换成工作模式，风扇可以增大井下空气流速，在一定程度上稀释瓦斯泄露空间内瓦斯气体浓度，为外界开展救援工作争取更多时间。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人。
背景技术
目前，对于瓦斯气体泄露源进行定位的方式主要分为基于固定(无线)传感器网络的方法和由专业人员或经过专门训练的动物去现场完成任务。基于固定(无线)传感器网络的方法属于被动检测方法，需要在被检测场所提前布置大量的传感器节点，成本高，不易于实现。气味检测工作所处环境往往具有很大危险，如存在高浓度有毒气体或核辐射等，由专业人员或经过专门训练的动物去现场完成任务，一旦吸入或接触到这类气体，会对人体造成一定的损伤，危险系数极大。若选择使用载有气体传感器的移动机器人实现泄露源定位将有效避免上述问题。
井下环境复杂，对于瓦斯气体泄露事故很难人为的及时开展救援工作。智能机器人既能安全及时的开展救援工作，也能为人为救援争取更多的时间。为此，我们提出一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人，该追踪稀释瓦斯气体的仿生机器人包括机器人主体、安装在机器人底端用于机器人移动的履带式驱动装置、安装在履带式驱动装置左右两端用于机器人摩擦防护的两端防护装置、安装在主体内部控制机器人运行的运动控制模块和微处理器模块、安装在履带式驱动装置上端中心处收集瓦斯气体的瓦斯气体采集装置、安装在主体正上方用于定位的摄像头，安装在主体尾部可折叠的智能风扇装置，其中，
所述用于机器人移动的履带式驱动装置由主体底盘两侧外表安装有两个车轮，与所述安装在主体内部控制机器人运行的运动控制模块和微处理器模块相连。
所述运动控制模块与安装在履带式驱动装置侧后方的电池供电结构相连接，其中，电池可拆卸可蓄电反复使用。
作为优选，所述安装于履带式驱动装置左右两端用于机器人摩擦防护的左端防护装置和右端防护装置均涂有润滑脂有用于减小摩擦力。
作为优选，所述安装于主体正上方的摄像头一侧配设清洁刷头可提升除尘效果，与主体内部的电路模块和微处理器模块相连接。
作为优选，所述瓦斯气体采集装置主要包括进气管，输气风扇，可容纳瓦斯气体的气囊，排气管，抽气泵，瓦斯传感器阵列，以及瓦斯浓度数据处理电路。
作为优选，所述输气风扇设置于进气管入口处，通过转动实现主动通风，为气囊室内部瓦斯传感器阵列创造恒定的气流。气囊室与瓦斯传感器阵列相对设计，瓦斯传感器阵列底部连接排气管，所述抽气泵与排气管连接，可实现排空气囊室内已检测气体功能。
作为优选，所述瓦斯传感器阵列为用于检测分析机器人周围瓦斯气体浓度的传感器阵列，瓦斯传感器阵列与瓦斯浓度数据处理电路相连接，瓦斯传感器阵列检测所得数据可由无线发送模块传输。
作为优选，所述安装于主体内部的瓦斯浓度数据处理电路与内部微处理器模块相连接，所述微处理器模块配备的仿生智能程序可处理浓度信息实现瓦斯气味追踪。
作为优选，所述微处理器模块配备的仿生智能程序为基于果蝇学习策略的气味源定位算法(CNN-LSTM-FOA)，可准确实现机器人对泄露瓦斯气体的追踪和定位功能。
作为优选，所述安装于主体尾部可折叠的风扇装置与安装在履带式驱动装置侧后方的电池供电结构相连接，智能风扇可实现稀释瓦斯气体的功能。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
利用机器人进入井下进行瓦斯泄露源定位，避免人工操作带来的危险，降低检测成本，提高检测数据的精确性；
机器人配备无线传输模块，外界可以实时接收机器人在井下环境监测的气体浓度信息，机器人带有摄像头可实现定位同时可将位置信息实时传输到外界；
机器人采集到的瓦斯气体浓度信息经过智能程序处理，可实现机器人追踪和定位泄露的瓦斯气味源，机器人可以将瓦斯泄漏场所的位置信息传输到外界，方便及时开展救援工作。
机器人配备的折叠风扇可加速井下的空气流速，在一定程度上稀释瓦斯气体泄漏区域内瓦斯气体浓度，为实施救援工作争取时间。
附图说明
图1为本发明一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人原理流程图
图2为本发明一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人行走状态示意图
图3为本发明一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人工作状态示意图
图4为本发明一种基于果蝇学习策略的气味源定位算法示意图
图5为本发明一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人气囊结构示意图
图6为本发明一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人传感器阵列示意图
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。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。
在本发明实施方式描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
参照图2-6所示，一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人，该追踪稀释瓦斯气体的仿生机器人包括有机器人主体，位于机器人底部用于移动的履带式驱动装置1，安装在履带式驱动装置1左右两侧的摩擦防护装置2，安装在履带式驱动装置1上端中心处收集瓦斯气体的瓦斯气体采集装置，安装在机器人主体正上方用于定位的摄像头5，以及安装在机器人主体尾部的折叠风扇6。
安装在履带式驱动装置1左右两侧的摩擦防护装置2，对应四个车轮的位置分别安装于履带上方的外侧。
瓦斯气体采集装置主要有收集气体的进气管3，输气风扇4，可容纳瓦斯气体的气囊装置7，气囊室8，瓦斯传感器阵列9，排气管10，抽气泵11和瓦斯浓度数据处理电路。输气风扇4设置在进气管3入口处，该输气风扇4通过转动可以实现主动通风，为气囊室8内部瓦斯传感器阵列9创造恒定的气流，输入的气流送入气囊室8内，可以充分与瓦斯传感器阵列9相接触感应。排气管10与瓦斯传感器阵列9底部相连接，检测后的空气气体将由抽气泵11从排气管10中吸出释放。
位于机器人主体正上方摄像头4连接有清洁刷头，保证摄像头的防尘效果。
参照图1，瓦斯传感器阵列9与瓦斯浓度数据处理电路相连接，瓦斯浓度数据处理电路将瓦斯传感器阵列9检测到的信息转换成数字信号后传输给微处理器模块，微处理器模块配备的基于果蝇学习策略的气味源定位算法将控制运动控制模块，调节机器人的运动路线。
参照图2，左端摩擦防护装置2安装在机器主体的左侧，右端摩擦防护装置2安装在机器主体的右侧。
参照图2，左端防护装置2和右端防护装置2均涂有润滑脂有用于减小机器人在井下运动时所受摩擦力，保护安装在机器人主体两侧的履带。
参照图2，履带式驱动装置1两侧外表均安装有两个车轮，且主体包含有作用于机器人运行的运动控制模块和微处理器模块，所述运动控制模块与安装在履带式驱动装置1侧后方的电池供电结构相连接，所述电池可拆卸可蓄电反复使用。
参照图2，机器人主体正上方摄像头4连接有刷头，当机器人在视觉定位过程中遇到灰尘现象，刷头可实现除尘作用。
参照图2，机器人主体的尾部安装有可折叠风扇装置，由安装在履带式驱动装置侧后方的电池结构供电，风扇运行后可提升井下气体的运移速度。
参照图4，基于果蝇学习策略的气味源定位算法(CNN-LSTM-FOA)技术方案如以下所示：
(1)初始化果蝇算法参数，随机进行位置分配。
(2)依据瓦斯传感器阵列9检测到的浓度信息对果蝇位置进行更新，位置更新公式如下所示：
Xid(t+1)＝Xaxisd(t)+w·U(m,n)
其中，t为当前迭代的代数，Xid(t+1)为果蝇i在t+1代的位置；U(m，n)为m到n的均匀随机数；Xaxis(t)为上一次迭代过程中浓度最佳果蝇的位置；w为自适应步长调节系数。
(3)将瓦斯传感器阵列9当前检测到浓度数据作为输入，利用CNN-LSTM网络层对检测到信息进行特征提取，CNN层由一个卷积层、一个双曲正切激活函数和两组全连接层和校正线性单元(ReLU)激活函数组成，风向风速矢量信息由LSTM层进行处理，输出层包括10个数值等级，最终输出信息作为果蝇自适应步长调节系数。
φ(rt)＝p(Wrt+b)
其中，其中p是激活函数，W是权矩阵，b是偏差，CNN层将每个输入转换为一个特征变换函数来提取空间特征。
(4)基于CNN-LSTM学习得到的果蝇自适应步长调节系数w将用于果蝇种群位置更新公式，这与传统果蝇优化算法在更新机制的本质上有区别，不断循环(2)-(3)的计算过程，在迭代过程中保留果蝇个体浓度和全局最优浓度果蝇群体集体更新向最优位置，直至最终成功定位目标位置。
参照图5，履带式驱动装置1上端中心处安装了用于检测井下瓦斯浓度的瓦斯气体采集装置，其中，瓦斯气体采集装置包括收集气体的气囊装置，排气装置，瓦斯传感器阵列9瓦斯浓度数据处理电路。
参照图5，收集气体的气囊装置包括有进气管3、输气风扇4、容纳气体的气囊室8和检测瓦斯气体的瓦斯传感器阵列9，控制气体流出排气管10和控制气流流出的抽气泵11，所述瓦斯传感器阵列9是用于检测分析机器人周围瓦斯气体浓度。
参照图5，瓦斯传感器阵列9采集到的信号将通过瓦斯浓度数据处理电路后转换成数字信息传递给微处理器，微处理器与无线发送模块相连，可实现将机器人内传感器阵列检测到的数据传输给外界操作人员。
参照图5，当井下环境内瓦斯气体浓度过高时，瓦斯浓度数据处理电路将数据传输给微处理器后，机器人将切换成瓦斯气体追踪模式。微处理器所配备的基于果蝇学习策略的气味源定位算法将根据传感器阵列得到的数据，追踪定位到瓦斯泄露场所。机器人配备的摄像头将实现场景记录和定位功能，当机器人追踪到瓦斯气体的泄露源位置时，瓦斯泄露源位置的地理信息也通过微处理器利用无线发送模块传输给外界操作人员。
参照图5，当机器人追踪到瓦斯气体的泄露源位置时，机器人配备的风扇开始工作，增大井下通风达到稀释瓦斯的效果，为外界实施救援争取时间。
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 (9)
1.一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人，包括其机器人主体、电源模块、运动控制模块、微处理器模块、无线发送模块、履带式驱动装置(1)、装在履带式驱动装置(1)左右两侧用于机器人摩擦防护的左端防护装置(2)和右端防护装置(2)、摄像头(5)、瓦斯气体采集装置和折叠风扇装置(6)。
2.根据权利要求1所述的一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人，其特征在于：所述履带式驱动装置(1)两侧外表均安装有两个车轮，且与主体运动控制模块端相连接，运动控制模块与安装在履带式驱动装置(1)侧后方的电池供电结构相连接，所述电池可拆卸可蓄电重复使用。
3.根据权利要求1所述的一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人，其特征在于：所述安装于履带式驱动装置(1)左右两侧上方的摩擦防护装置(2)，用于防护履带驱动装置(1)长时间在井下狭窄环境下运动，受到强烈摩擦而产生故障。
4.根据权利要求1所述的一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人，其特征在于：所述摄像头(5)安装在主体正上方位置，带有自动清洁刷头，所述摄像头(5)与主体内部的电路模块和微处理器模块相连接。
5.根据权利要求1所述的一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人，其特征在于：所述瓦斯气体采集装置处于履带式移动装置(1)的上端中心处，其中，所述瓦斯气体采集装置包括安装在履带式驱动装置(1)正前方的进气管(3)，进气管(3)内设有输气风扇(4)，与进气管(3)相连接的是安装在履带式驱动装置(1)的上端中心处的可容纳瓦斯气体的气囊装置(7)，与气囊装置(7)相连接的是排出检测气体的抽气泵(11)，以及瓦斯浓度数据处理电路，所述可容纳瓦斯气体的气囊装置(7)内部包含气囊室(8)与瓦斯传感器阵列(9)，所述瓦斯传感器阵列(9)为用于检测分析机器人周围瓦斯气体浓度的传感器阵列，所述排气管(10)和抽气泵(11)相连接。
6.根据权利要求5所述的一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人，其特征在于，所述输气风扇(4)通过转动实现主动通风，为气囊室(8)内部瓦斯传感器阵列(9)创造恒定的气流，所述抽气泵(11)可实现排空气囊室内已检测气体功能。
7.根据权利要求5所述的一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人，其特征在于，所述瓦斯传感器阵列(9)由四个瓦斯传感器组合成阵列，与瓦斯浓度数据处理电路线路相连，所述瓦斯传感器阵列(9)检测所得数据可由无线发送模块传输。
8.根据权利要求5所述的一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人，其特征在于，所述瓦斯浓度数据处理电路与微处理器模块相连接，微处理器模块配备有基于果蝇学习策略的气味源定位算法(CNN-LSTM-FOA)，用于实现机器人对泄露瓦斯气体的追踪和定位功能。
9.根据权利要求1所述的一种追踪稀释井下瓦斯气体的仿生机器人，其特征在于：所述折叠风扇(6)安装于机器人主体尾部，与安装在履带式驱动装置(1)侧后方的电池供电结构相连接。
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