CN114537554B - 一种煤矿安全探寻工具车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矿安全探寻工具车，包括车身底座，所述车身底座相对的两侧均通过连接组件安装有真空轮和副轮，每组所述连接组件通过伺服电机驱动，两个所述伺服电机的一端连接有电机驱动，所述真空轮与车身底座之间还安装有悬挂结构；本发明主要通过车身底座、铁丝网罩和前方罩体的配合，将中控箱、摄像头和探照灯等保护在防护腔体的内部，可防止在矿洞出现落石塌陷等不确定情况时对所有模块的保护；通过减震组件和悬挂结构的配合，实现工具车行驶途中，保持足够的稳定性，在减震部分使用独立悬挂的结构独立悬挂的优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力。

Description

一种煤矿安全探寻工具车

技术领域

本发明属于工业电子商务技术领域，具体涉及一种煤矿安全探寻工具车。

背景技术

煤矿安全检测技术的出现主要是针对国内外各大煤矿的安全生产问题产生的，它结合了计算机技术、通信技术、控制技术和电子技术于一身。煤矿安全监控系统应用于煤矿的生产过程中，大大的改善了煤矿安全生产状况，在一定程度上保证了矿下的安全生产，但随着各种煤矿安全监测系统的出现，也暴露出了许多问题，如传输的模拟量信号变化缓慢，传输速度也不快，导致了系统的实时性较差；由于底层数据不全，导致了信息的集成能力有限；对于大范围的分布式煤矿安全监测系统，大量的I/O电缆的铺设不但增加成本，而且降低了系统的可靠性；不同厂家的产品之间缺少互操作性和互换性,导致系统可集成性差,不利于系统功能的扩展。然而，在国内，煤矿安全监测方面的问题更为严重，因为我们国内一些大的煤矿所使用的煤矿安全监测系统一般都是购自于国外，国外对这方面的技术实施保密性质，所以一旦系统出现问题，国内的技术人员无法维修,这不仅增加了产品的维护费用，而且在一定程度上制约了国内的煤矿安全监测技术的发展。煤矿安全探寻工具车进入井下时应该对气体进行检测，且产品需要外壳，通过外壳对零器件保护，远离火花，且通过外壳的增加使车身在行驶中易出现倾斜和震动，造成外壳内的部零器件损伤率增加，从而增加了煤矿安全探寻工具车的维护成本，为此我们需要提出一种煤矿安全探寻工具车来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿安全探寻工具车，主要通过车身底座、铁丝网罩和前方罩体的配合，将中控箱、摄像头和探照灯等保护在防护腔体的内部，可防止在矿洞出现落石塌陷等不确定情况时对所有模块的保护；通过减震组件和悬挂结构的配合，实现工具车行驶途中，保持足够的稳定性，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种煤矿安全探寻工具车，包括车身底座，所述车身底座相对的两侧均通过连接组件安装有真空轮和副轮，每组所述连接组件通过伺服电机驱动，两个所述伺服电机的一端连接有电机驱动，所述真空轮与车身底座之间还安装有悬挂结构，所述车身底座的上表面分别固定有铁丝网罩和前方罩体，所述前方罩体和铁丝网罩形成防护腔体，所述车身底座的内部安装有减震组件，所述减震组件上安装有底板，所述底板上安装中控箱，所述中控箱的内部分别安装有锂电池、中控体、陀螺仪、GPS定位系统、瓦斯检测模块和5G模块，所述中控体设置为STM32G4控制器，所述中控箱的上端设置有5G天线和两个探照灯，所述探照灯的一侧安装有应急灯，所述底板上安装有两个摄像头，两个所述摄像头位于中控箱的外部，两个所述摄像头之间还设置有超声波测距模块。

优选的，所述连接组件包括转轴和第一联杆，所述转轴转动连接在车身底座的一侧，所述转轴的一端与伺服电机的输出轴连接，所述转轴的另一端与真空轮插接固定，且所述转轴的另一端贯穿真空轮与第一联杆的一端连接，所述副轮安装在第一联杆的另一端。

优选的，所述中控箱的两个拐角呈内凹式的弧形设置，两个所述摄像头位于中控箱的弧形拐角处，所述超声波测距模块安装在底板的上表面，且所述中控箱与两个弧形拐角相连的一侧开设有供超声波测距模块安装的缺口。

优选的，所述减震组件包括固定板，所述固定板上安装有多组减震件，多组所述减震件呈矩形阵列设置，每组所述减震件包括两个支撑板，两个所述支撑板之间安装有支撑杆，所述支撑杆的外侧等角度安装有四个第一弹簧，一个所述支撑板与固定板的上表面连接，另一个所述支撑板与底板的下表面连接。

优选的，所述悬挂结构包括固定支架，所述固定支架的一侧上下两端安装有支撑悬臂，下端所述支撑悬臂与固定支架之间倾斜安装有第二联杆，所述第二联杆的外壁套接有第二弹簧。

优选的，所述伺服电机设置为无刷电机，所述电机驱动设置为无刷电机控制器，所述电机驱动与中控体电性连接。

优选的，所述中控体包括Arm Cortex-M4 32位RISC核心的高性能芯片和Flash存储器，所述高性能芯片分别与陀螺仪、瓦斯检测模块、超声波测距模块和摄像头电性连接。

优选的，所述超声波测距模块通过发送和收超声波，利用时间差和声音传播速度，计算出模块到前方障碍物的距离，所述5G模块包括ESP8266模组，所述ESP8266模组支持STA、AP和STA+AP三种工作模式内置TCP/IP协议栈。

优选的，所述摄像头设置为防爆摄像头，所述前方罩体设置为防弹挡风玻璃。

优选的，所述瓦斯检测模块设置为电测式甲烷检测报警仪，所述电测式甲烷检测报警仪进行数字、声光、振动和光条的任意一种形式报警指示。

本发明提出的一种煤矿安全探寻工具车，与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明主要通过车身底座、铁丝网罩和前方罩体的配合，将中控箱、摄像头和探照灯等保护在防护腔体的内部，可防止在矿洞出现落石塌陷等不确定情况时对所有模块的保护；通过减震组件和悬挂结构的配合，实现工具车行驶途中，保持足够的稳定性，在减震部分使用独立悬挂的结构独立悬挂的优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；通过减震组件可以使发动机位置降低，工具车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动，降低零器件的损伤，从而降低工具车的维护成本。

2、本发明通过真空轮与副轮的配合，保持车身在工作过程中更加平稳；且伺服电机采用无刷电机可防止电机启动过程中产生火花造成事故。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的中控箱外部结构示意图；

图3为本发明的连接组件和中控箱内部结构示意图；

图4为本发明的减震组件和悬挂结构结构示意图；

图5为本发明提供的程序流程图；

图6为本发明提供的APP流程图；

图7为本发明的中控体的电路图；

图8为本发明的超声波测距模块电路图；

图中：1、铁丝网罩；2、车身底座；3、前方罩体；4、真空轮；5、副轮；6、连接组件；601、第一联杆；602、转轴；7、减震组件；701、支撑板；702、第一弹簧；703、支撑杆；704、固定板；8、探照灯；9、底板；10、中控箱；11、5G天线；12、应急灯；13、摄像头；14、超声波测距模块；15、中控体；16、锂电池；17、伺服电机；18、悬挂结构；1801、固定支架；1802、支撑悬臂；1803、第二联杆；1804、第二弹簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1-8所示的一种煤矿安全探寻工具车，包括车身底座2，车身底座2相对的两侧均通过连接组件6安装有真空轮4和副轮5，每组连接组件6通过伺服电机17驱动，两个伺服电机17的一端连接有电机驱动，真空轮4与车身底座2之间还安装有悬挂结构18，车身底座2的上表面分别固定有铁丝网罩1和前方罩体3，前方罩体3和铁丝网罩1形成防护腔体，车身底座2的内部安装有减震组件7，减震组件7上安装有底板9，底板9上安装中控箱10，中控箱10的内部分别安装有锂电池16、中控体15、陀螺仪、GPS定位系统、瓦斯检测模块和5G模块，中控体15设置为STM32G4控制器，中控箱10的上端设置有5G天线11和两个探照灯8，探照灯的一侧安装有应急灯12，底板9上安装有两个摄像头13，两个摄像头13位于中控箱10的外部，两个摄像头13之间还设置有超声波测距模块14；

本发明使用真空轮4作为行走工具，伺服电机17作为真空轮4的驱动，电机驱动作为伺服电机17的驱动；在真空轮4同轴出安装一个辅助小轮提高工具车稳定性。减震部分采用独立悬挂的方式，底板9作为所有硬件机械装置的载具放在减震部分上方。STM32G4系列作为所述本发明的主控,ESP8266作为所述本发明控制终端与手机端服务器无线连接的介质，5G模块作为控制终端与外界连接的精确工具，陀螺仪用来保持车体平衡和检测路况倾斜角度，超声波测距模块14作为基本的测距避障，GPS定位系统作为所述发明的定位信息采集工具，摄像头13用于收集矿洞内部信息，探照灯作为提供矿洞内部视野，辅助摄像头13采集信息照明作用，中控体15电性连接有智能供电电路，用于给所述本发明提供稳定安全的电压，锂电池16作为所述本发明的电源供给以及备用电源供给，瓦斯检测模块用于检测环境气体中的瓦斯浓度，预防爆炸，通过车身底座2、铁丝网罩1和前方罩体3的配合，将中控箱10、摄像头13和探照灯等保护在防护腔体的内部，可防止在矿洞出现落石塌陷等不确定情况时对所有模块的保护；通过减震组件7和悬挂结构18的配合，实现工具车行驶途中，保持足够的稳定性，在减震部分使用独立悬挂的结构独立悬挂的优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；通过减震组件7可以使发动机位置降低，工具车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动，降低零器件的损伤，从而降低工具车的维护成本。

连接组件6包括转轴602和第一联杆601，转轴602转动连接在车身底座2的一侧，转轴602的一端与伺服电机17的输出轴连接，转轴602的另一端与真空轮4插接固定，且转轴602的另一端贯穿真空轮4与第一联杆601的一端连接，副轮5安装在第一联杆601的另一端；真空轮4无内胎轮胎有较高的弹性和耐磨性，并有良好的附着力和散热性能。特别是子午线轮胎，由于胎冠角为零，在车辆高速前进时变化量小，并能保持较好的行驶稳定性和较小的摩擦，有利于震动冲击的吸收和车速的提高。无内胎轮胎比一般内胎式轮胎厚得多，且表面又有一层优质橡胶，充气后外表张力增大，在内表面形成一定的压力，提高了对破口的自封能力，一旦扎破，不像普通车胎那样气体在瞬间全部泄完，会持续一定的时间，保障了高速行车时的安全。其原理为：在崎岖路面行驶时，当出现两边不登高时或者爬坡时，副轮5起到一个支撑作用，在保持稳定的同时，也节约了自身的站位。

中控箱10的两个拐角呈内凹式的弧形设置，两个摄像头13位于中控箱10的弧形拐角处，超声波测距模块14安装在底板9的上表面，且中控箱10与两个弧形拐角相连的一侧开设有供超声波测距模块14安装的缺口。

减震组件7包括固定板704，固定板704上安装有多组减震件，多组减震件呈矩形阵列设置，每组减震件包括两个支撑板701，两个支撑板701之间安装有支撑杆703，支撑杆703的外侧等角度安装有四个第一弹簧702，一个支撑板701与固定板704的上表面连接，另一个支撑板701与底板9的下表面连接。

悬挂结构18包括固定支架1801，固定支架1801的一侧上下两端安装有支撑悬臂1802，下端支撑悬臂1802与固定支架1801之间倾斜安装有第二联杆1803，第二联杆1803的外壁套接有第二弹簧1804，在减震部分使用独立悬挂的结构独立悬挂的优点是:质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；用刚度小的较软弹簧；可以使发动机位置降低，工具车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。

伺服电机17设置为无刷电机，电机驱动设置为无刷电机控制器，电机驱动与中控体15电性连接，无刷电机去除了电刷，最直接的变化就是没有了有刷电机运转时产生的电火花，这样就极大减少了电火花对遥控无线电设备的干扰，考虑到矿洞会出现瓦斯等易燃易爆气体，采用无刷电机避免火花的产生，造成不必要的事故；刷电机没有了电刷，运转时摩擦力大大减小，运行顺畅，噪音会低许多，这个优点对于模型运行稳定性是一个巨大的支持；少了电刷，无刷电机的磨损主要是在轴承上了，从机械角度看，无刷电机几乎是一种免维护的电动机了，必要的时候，只需做一些除尘维护即可，这样就可以在矿洞下面长时间工作，也能适应矿洞内部大灰尘的环境；电机驱动选用一种无刷电机控制器，可提供一个完整的闭环系统所需的所有主动功能。该器件可由宽输入共模范围的片上运放和窗比较器、具有方向存储器的驱动和制动逻辑、1.0A功率、高频率开关驱动、独立可编程的过流监测和关机延迟、过压监测等组成。

中控体15包括Arm Cortex-M4 32位RISC核心的高性能芯片和Flash存储器，高性能芯片分别与陀螺仪、瓦斯检测模块、超声波测距模块14和摄像头13电性连接,中控体设置为STM32G4系列，STM32G431x6/x8/xB是基于Arm Cortex-M4 32位RISC核心的高性能芯片。它们的工作频率高达170兆赫兹。Cortex-M4核心具有单精度浮点单元(FPU)，支持Arm所有单精度数据处理指令和所有数据类型。它还实现了一套完整的DSP(数字信号处理)指令和内存保护单元(MPU)，提高了应用程序的安全性。这些设备嵌入高速内存(高达128Kbytes的闪存，32Kbytes的SRAM)，广泛的增强I/O和外设连接到两个APB总线，两个AHB总线和一个32位多AHB总线矩阵。该设备还嵌入了几种嵌入式Flash存储器和SRAM的保护机制:读出保护、写入保护、安全存储区和专有代码读出保护。该设备嵌入的外设允许数学/算术函数加速(CORDIC用于三角函数，FMAC用于滤波函数)。他们提供两个快12位adc,四个比较器,三个运算放大器,四个DAC通道(2外部和内部)、一个内部基准电压缓冲区,一个低功耗RTC,一个通用的32位定时器,两个16位PWM计时器专用电机控制,七个万能的16位定时器,一个16位低功耗计时器。其中PA6和PC0端口分别与超声波测距模块14的输入输出端口进行连接，PA7和PC1端口分别与超声波测距模块14输入输出端口进行连接；PA2和PA3端口与ESP8266的TX和RX端口对应连接，中控体15通过PA2向ESP8266发送指令，ESP8266接收指令并执行，然后通过PA3接收ESP8266发送回来的信号；STM32主控板的PB0端口输出PWM波，连接无刷电机驱动的SIGN 2端口，PB1输出高低电平控制电机正反转，连接无刷电机的PULSE 2端口。PC4和PC5端口分别连接陀螺仪模块的SDL和SDA端口。PC6连接瓦斯检测模块。防爆摄像头通过专门的接口相连。超声波测距模块14与主控PA4相连。

超声波测距模块14通过发送和收超声波，利用时间差和声音传播速度，计算出模块到前方障碍物的距离，其基本工作原理为：采用I/O触发测距,给至少10us的高电平信号；模块会自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回；有信号返回则通过Io输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间.测试距离＝(高电平时间*声速(340M/S))/2。在本发明中的应用为：一个控制口(PA6、PA7)发一个10us以上的高电平,就可以在接收口(PC0、PC1)等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间，方可算出距离。如此不断的周期测，就可以达到移动测量的值了。

5G模块包括ESP8266模组，ESP8266模组支持STA、AP和STA+AP三种工作模式内置TCP/IP协议栈，ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到WiFi无线网络上，进行互联网或局域网通行。实现联网功能。支持多路TCP Client连接支持UART/GPIO数据通信接口支持Smart Link智能联网功能内置32位MCU(微控制单元)，可兼作应用处理器3.3V单电源供电支持丰富的Socket AT指令

锂电池16是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。

摄像头13设置为防爆摄像头，在实时探测矿洞内部的动态过程中保证安全的前提下避免一些碰撞，或者有时候遇到爆炸事故损伤摄像头造成不必要的损失，前方罩体3设置为防弹挡风玻璃，在保护摄像头的同时给摄像头提供视野，让模块更加安全。

瓦斯检测模块设置为电测式甲烷检测报警仪，电测式甲烷检测报警仪进行数字、声光、振动和光条的任意一种形式报警指示，报警点可通过按键随意调节；可以选择配置组合型充电架并且内置先进单片微型计算机；可选金属挎或皮套使用保护；传感器更换方便容易；电池电压显示功能；自动调零和校准功能，只用工具车携带即可。

主控程序大致流程为：首先对所有模块进行初始化，之后在进入定时器，定时器中断服务函数里面执行陀螺仪相关函数，采集当前的路面角度的同时，把数据用作工具车平衡的参照，从而给到电机驱动，电机驱动再带动电机转动，使小车前进转弯倒退；与此同时，瓦斯检测和超声波都在工作，进行探测。对于数据传送，每隔10uS进行一次传输。

本发明的APP端功能如下：APP端分为：探测环境，数据处理，任务管理：探测环境主要进行地图的简易绘制；数据处理主要为矿洞内部的气体含量，路况环境等进行一个处理汇总；任务管理为：项目的分配以及分组，上传任务，并且能够查看下达任务的进程以及状态，并且对下达的任务进行监控。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (10)

1.一种煤矿安全探寻工具车，包括车身底座(2)，其特征在于：所述车身底座(2)相对的两侧均通过连接组件(6)安装有真空轮(4)和副轮(5)，每组所述连接组件(6)通过伺服电机(17)驱动，两个所述伺服电机(17)的一端连接有电机驱动，所述真空轮(4)与车身底座(2)之间还安装有悬挂结构(18)，所述车身底座(2)的上表面分别固定有铁丝网罩(1)和前方罩体(3)，所述前方罩体(3)和铁丝网罩(1)形成防护腔体，所述车身底座(2)的内部安装有减震组件(7)，所述减震组件(7)上安装有底板(9)，所述底板(9)上安装中控箱(10)，所述中控箱(10)的内部分别安装有锂电池(16)、中控体(15)、陀螺仪、GPS定位系统、瓦斯检测模块和5G模块，所述中控体(15)设置为STM32G4控制器，所述中控箱(10)的上端设置有5G天线(11)和两个探照灯(8)，所述探照灯的一侧安装有应急灯(12)，所述底板(9)上安装有两个摄像头(13)，两个所述摄像头(13)位于中控箱(10)的外部，两个所述摄像头(13)之间还设置有超声波测距模块(14)。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿安全探寻工具车，其特征在于：所述连接组件(6)包括转轴(602)和第一联杆(601)，所述转轴(602)转动连接在车身底座(2)的一侧，所述转轴(602)的一端与伺服电机(17)的输出轴连接，所述转轴(602)的另一端与真空轮(4)插接固定，且所述转轴(602)的另一端贯穿真空轮(4)与第一联杆(601)的一端连接，所述副轮(5)安装在第一联杆(601)的另一端。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿安全探寻工具车，其特征在于：所述中控箱(10)的两个拐角呈内凹式的弧形设置，两个所述摄像头(13)位于中控箱(10)的弧形拐角处，所述超声波测距模块(14)安装在底板(9)的上表面，且所述中控箱(10)与两个弧形拐角相连的一侧开设有供超声波测距模块(14)安装的缺口。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿安全探寻工具车，其特征在于：所述减震组件(7)包括固定板(704)，所述固定板(704)上安装有多组减震件，多组所述减震件呈矩形阵列设置，每组所述减震件包括两个支撑板(701)，两个所述支撑板(701)之间安装有支撑杆(703)，所述支撑杆(703)的外侧等角度安装有四个第一弹簧(702)，一个所述支撑板(701)与固定板(704)的上表面连接，另一个所述支撑板(701)与底板(9)的下表面连接。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿安全探寻工具车，其特征在于：所述悬挂结构(18)包括固定支架(1801)，所述固定支架(1801)的一侧上下两端安装有支撑悬臂(1802)，下端所述支撑悬臂(1802)与固定支架(1801)之间倾斜安装有第二联杆(1803)，所述第二联杆(1803)的外壁套接有第二弹簧(1804)。

6.根据权利要求1所述的一种煤矿安全探寻工具车，其特征在于：所述伺服电机(17)设置为无刷电机，所述电机驱动设置为无刷电机控制器，所述电机驱动与中控体(15)电性连接。

7.根据权利要求1所述的一种煤矿安全探寻工具车，其特征在于：所述中控体(15)包括Arm Cortex-M4 32位RISC核心的高性能芯片和Flash存储器，所述高性能芯片分别与陀螺仪、瓦斯检测模块、超声波测距模块(14)和摄像头(13)电性连接。

8.根据权利要求1所述的一种煤矿安全探寻工具车，其特征在于：所述超声波测距模块(14)通过发送和收超声波，利用时间差和声音传播速度，计算出模块到前方障碍物的距离，所述5G模块包括ESP8266模组，所述ESP8266模组支持STA、AP和STA+AP三种工作模式内置TCP/IP协议栈。

9.根据权利要求1所述的一种煤矿安全探寻工具车，其特征在于：所述摄像头(13)设置为防爆摄像头，所述前方罩体(3)设置为防弹挡风玻璃。

10.根据权利要求1所述的一种煤矿安全探寻工具车，其特征在于：所述瓦斯检测模块设置为电测式甲烷检测报警仪，所述电测式甲烷检测报警仪进行数字、声光、振动和光条的任意一种形式报警指示。

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