CN117961917A - 基于rfid检测的井下智能巡检机器人及巡检方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RFID检测的井下智能巡检机器人及巡检方法，所述基于RFID检测的井下智能巡检机器人包括：信号收发单元、分析控制单元、复合行走单元、报警显示单元、阅读器和无源电子标签，分析控制单元与信号收发单元、复合行走单元、报警显示单元连接；阅读器分别与信号收发单元、分析控制单元连接；无源电子标签设在井下巷道中和井下作业设备上，阅读器通过天线识别无源电子标签。本发明的智能巡检机器人，可以在井下巷道中按照预定路线移动，可以实现多个设备不同部位的巡检；实现设备振动、应变、温度、位移等多源信息的监测，提高巡检效率，提升井下作业的智能化水平，减少工人劳动强度，提高井下作业的安全性。

Description

基于RFID检测的井下智能巡检机器人及巡检方法

技术领域

本发明属于巡检机器人技术领域，具体涉及一种基于RFID检测的井下智能巡检机器人及巡检方法。

背景技术

近年来，随着综采技术的不断提升，采煤机、刮板输送机、液压支架、掘进机等诸多设备被广泛应用于井下开采作业中，井下作业逐渐向自动化、智能化方向发展。然而井下环境恶劣，开采机械较多且体积较大，工作环境不断变化，这使得机器操作人员的危险系数提高，故障发生的概率变大，且由于通讯距离长，信号传输受干扰，井下监控质量较差，摄像头的覆盖面积也相对较小，很多井下作业设备的运行状态得不到良好的检测。

目前我国矿井中大部分仍然以人工监测方式为主，然而人工监测，由于井下恶劣的工作环境和较差的照明，不利于巡检人员巡视并及时发现问题，同时工人劳动强度大，检测效果不稳定；而现有的自动化检测系统，由于井下巷道距离长，监控点多，造成自动化监测系统复杂，监测设备种类繁多、数量大、成本高；目前也有部分基于视觉系统的巡检机器人，但同样受到井下照明差的影响，且无法监测到机器内部构件的损伤。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的实施例提出一种基于RFID检测的井下智能巡检机器人及巡检方法。

本发明的基于RFID检测的井下智能巡检机器人，包括：信号收发单元，所述信号收发单元包括天线；分析控制单元，所述分析控制单元与信号收发单元连接，且分析控制单元位于信号收发单元下方；复合行走单元，所述复合行走单元与分析控制单元连接，且复合行走单元位于分析控制单元的下方；报警显示单元，所述报警显示单元与分析控制单元连接，报警显示单元位于复合行走单元上方；阅读器，所述阅读器分别与信号收发单元、分析控制单元连接；无源电子标签，所述无源电子标签设在井下巷道中和井下作业设备上，阅读器通过天线识别无源电子标签。

可选地，所述信号收发单元进一步包括角度调节轴和角度调节电机，角度调节电机通过角度调节轴与天线连接，角度调节轴和角度调节电机安装在第一电动推杆的一端，第一电动推杆的另一端与支撑架连接，支撑架安装在旋转平台上。

可选地，所述分析控制单元为控制器。

可选地，所述复合行走单元包括底座，底座的底部设置行走履带，底座两侧对称设有两个行走单元，每个行走单元均包括设置在底座侧面的导轨，导轨中滑动设置约束滑块，约束滑块的外侧与行走连杆连接，行走连杆的下方与可转支脚连接，可转支脚的下方与行走底板连接，行走连杆的上方与第二电动推杆连接。

可选地，所述第二电动推杆的顶端与传动连杆的顶端铰接，传动连杆的中间位置与约束支柱铰接，传动连杆的底端与转动曲柄的一端连接，转动曲柄的另一端与安装在分析控制单元内部的电机连接，分析控制单元位于底座的上方。

可选地，所述复合行走单元进一步包括固定座，所述固定座设在分析控制单元的顶部，且约束支柱与固定座侧面固定连接，约束支柱与传动连杆之间铰接，旋转平台设在固定座的顶部。

可选地，所述报警显示单元包括显示器、两个尾灯和四个报警灯，显示器安装于分析控制单元的后面，四个报警灯安装于底座的顶面四角处，两个尾灯安装于底座的后面两侧，底座的后面还安装有阅读器，阅读器位于两个尾灯之间。

可选地，所述无源电子标签包括无源地标标签和无源传感标签，无源地标标签粘贴在井下巷道中，无源传感标签粘贴在井下作业设备上，无源传感标签包括无源振动传感标签、无源应变传感标签、无源温度传感标签、无源位移传感标签。

本发明的井下智能巡检机器人的巡检方法，所述井下智能巡检机器人为本发明的基于RFID检测的井下智能巡检机器人，包括以下步骤：

S1、启动智能巡检机器人电源，在显示器中设定本次的巡检路线，智能巡检机器人按照设定路线巡航；

S2、通过天线识别无源地标标签，访问无源地标标签中的地标信息和移动指令，确定行走路线无误；

S3、分析控制模块对无源地标标签进行盘存，提高采样频率，获取此无源地标标签的RSSI和相位信息，判断前方路况，选择停止移动或继续巡航；

S4、分析控制模块根据无源地标标签中的移动指令，选择履带行走模式或双足行走模式；

S5、阅读器通过天线识别井下作业设备上的无源传感标签，信号收发单元旋转使所需读取的无源传感标签的采样频率达到最大；

S5、分析控制模块分析采集到的数据，判断井下作业设备的运行状态，若此处各个井下作业设备运行正常，则智能巡检机器人继续按照预定路线巡航，检测下一处井下作业设备重要部位的运行状态，若出现异常，则智能巡检机器人立即停止移动，并通过报警灯发出警报，同时在显示器中显示，指出是哪个设备的何处部位出现了什么异常。

本发明的有益效果是：

1.本发明的智能巡检机器人的信号收发单元，可以通过标签的采样频率，控制天线的朝向、角度和距标签的距离，可以实现对周围标签的全面读取，并且实现对标签采样效果的自适应调节。

2.本发明的智能巡检机器人采用多种无源传感标签，可以实现对机械振动、机械应变、设备位移和设备重要部位以及巷道内的温湿度等多种数据的检测，并且相较于视觉检测，可以实现实现被遮挡地方的传感检测。

3.本发明的智能巡检机器人本身的巡航运动不同于传统的定位方法，而是在井下巷道中贴上地标标签，标签内记录此标签在矿井中所处的位置，还在特殊路况处设置机器人运动辅助指令，机器人通过读取标签RSSI和相位信息，判断自己与此坐标标签的距离，进行循迹移动。

4.本发明的智能巡检机器人在巡航时，还会根据RSSI和相位的异常信息判断前方路线是否有大型障碍物或工作人员，实现急停，并判断其是否移除，再继续进行巡航。

5.本发明的智能巡检机器人的复合行走单元，可以同时实现在井下巷道和综采工作面内的移动，借此来实现采煤工作面内机械的状态监测。

6.本发明的智能巡检机器人可根据预设的各传感数据阈值，实现异常状态的报警，并显示定位到哪个机械何处部位的损伤。

附图说明

图1是本发明的基于RFID检测的井下智能巡检机器人的结构示意图。

图2是本发明的基于RFID检测的井下智能巡检机器人的后视图。

图3是本发明的信号收发单元的结构示意图。

图4是本发明的复合行走单元的结构示意图。

图5是本发明的井下巡航方法流程图。

图6是本发明的井下设备多源信息检测方法流程图。

图7是本发明的井下巡检示意图。

附图标记：

1、信号收发单元；101、天线；102、角度调节轴；103、角度调节电机；104、第一电动推杆；105、支撑架；106、旋转平台；

2、分析控制单元；

3、报警显示单元；301、报警灯；302、显示器；303、尾灯；

4、阅读器；

5、复合行走单元；501、约束支柱；502、传动连杆；503、转动曲柄；504、固定座；505、第二电动推杆；506、约束滑块；507、导轨；508、行走连杆；509、可转支脚；510、行走底板；511、弹簧块；512、底座；513、行走履带；

6、智能巡检机器人；7、井下巷道；8、无源地标标签；9、井下作业设备；10、无源传感标签。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-图7所示，本发明的基于RFID检测的井下智能巡检机器人，包括：信号收发单元1、分析控制单元2、复合行走单元5、报警显示单元3、阅读器4和无源电子标签。信号收发单元1包括天线101，信号收发单元1用于向周边发射电磁波并接收无源电子标签信号；并可以通过无源电子标签的采样频率，自适应的调节天线101的朝向、角度以及与无源电子标签的距离，达到最优的采样效果。分析控制单元2与信号收发单元1连接，且分析控制单元2位于信号收发单元1下方，用以实现对无源电子标签信号的处理和分析，判断井下作业设备9是否出现异常和智能巡检机器人6本身的位置，进而实现其巡航和报警等动作的精确控制。复合行走单元5与分析控制单元2连接，且复合行走单元5位于分析控制单元2的下方；复合行走单元5用于智能巡检机器人6在井下的移动，可以选择履带行走或双足行走。报警显示单元3与分析控制单元2连接，报警显示单元3位于复合行走单元5上方；报警显示单元3用于显示井下作业设备9的运作状态和智能巡检机器人6本身运行状态。阅读器4分别与信号收发单元1、分析控制单元2连接；无源电子标签设在井下巷道7中和井下作业设备9上，阅读器4通过天线101识别无源电子标签。

信号收发单元1包括天线101、角度调节轴102、角度调节电机103、第一电动推杆104、支撑架105和旋转平台106。天线101有三个，在水平面上均匀分布，每个天线101的背面与角度调节轴102螺栓连接，角度调节轴102依靠角度调节电机103旋转，从而实现天线101的角度调节。第一电动推杆104的一端安装天线101，另一端与支撑架105连接，可以使天线101沿第一电动推杆104的长度方向移动。支撑架105固定安装在旋转平台106上，可随着旋转平台106的转动而转动，可以实现天线101沿垂直于地面的周向旋转，从而实现向智能巡检机器人6周边全向发射电磁波并接收无源电子标签的信号。

分析控制单元2为控制器或单片机，为现有技术，此处不再详细论述，分析控制单元2用于：1.对读取到的传感标签中传感信号的分析处理，包括对振动信号进行FFT变换，并分析振动频率是否异常等；对应变、位移、温度等信号的处理，并判断这些参数是否超出设定阈值。2.对根据机器人在井下巷道中所处的位置进行分析，并基于分析结果控制机器人巡航。

复合行走单元5包括底座512和固定座504，分析控制单元2设在底座512和固定座504之间，且分析控制单元2设在底座512的顶部中间位置，固定座504设在分析控制单元2的顶部，旋转平台106设在固定座504的顶部。

底座512的底部设置行走履带513，底座512两侧对称设有两个行走单元，每个行走单元均包括约束支柱501、传动连杆502、转动曲柄503、第二电动推杆505、约束滑块506、导轨507、行走连杆508、可转支脚509、行走底板510、弹簧块511、履带底盘512和行走履带513。

两个导轨507对称设置在底座512侧面，导轨507中滑动设置约束滑块506，约束滑块506与导轨507滑动连接；约束滑块506的外侧与行走连杆508连接，行走连杆508的下方与可转支脚509连接，可转支脚509的下方与行走底板510连接，行走底板510的下方安装有弹簧块511。

行走连杆508的上方与第二电动推杆505连接，可以实现行走连杆508的伸缩。第二电动推杆505的顶端与传动连杆502的顶端铰接，传动连杆502的中间位置与约束支柱501铰接，约束支柱501与固定座5054侧面固定连接，传动连杆502的底端与转动曲柄503的一端连接，转动曲柄503的另一端与安装在分析控制单元2内部的电机连接。两个转动曲柄同时连接于电机的两侧，并相隔180°，分析控制模块2通过控制电机的转速，实现对转动曲柄503的控制，进行实现对双足行走速度的控制。

智能巡检机器人6在井下巷道7的平缓路面运动时，第二电动推杆505带动行走连杆508缩回，同时可转支脚509转动到机器人两侧面，采用履带行走的方式进行移动；当在综采工作面等复杂路况运动时，第二电动推杆505向下推动行走连杆508伸出，同时可转支脚509向到底座512方向转动，将智能巡检机器人6撑离地面，采用双足行走方式进行移动，并且其行走底板510结合弹簧块511的设计，可以适应路面的小突起和石块等不平整地面。

报警显示单元3包括显示器302、两个尾灯303和四个报警灯301，显示器3032安装于分析控制单元2的后面中间位置，位于阅读器4的上方，用于显示井下作业设备9的运行状态和智能巡检机器人本6身运行状态参数等；四个报警灯301安装于底座512的顶面四角处，当判断井下作业设备9出现故障时报警；两个尾灯303安装于底座512的后面两侧，用于向后方存在的人员示意智能巡检机器人6的位置。

底座512的后面还安装有阅读器4，阅读器4位于两个尾灯303之间。

如图7所示，无源电子标签包括无源地标标签8和无源传感标签10，无源地标标签8粘贴在井下巷道7中，每隔一段距离粘贴一个，无源地标标签8中含有此无源地标标签8在井下的位置信息，如1号巷道中间位置等，无源地标标签8中还含有智能巡检机器人6巡航到此处，下一步的移动指令，如行走到此无源地标标签8处应左转等。智能巡检机器人6通过天线101识别前方的无源地标标签8，访问无源地标标签8中的地标信息和移动指令，将地标信息与智能巡检机器人6内部地图数据库进行对比，确定此时的行走路线无误。

当智能巡检机器人6访问过当前无源地标标签8的地标信息和移动指令后，改变识别模式，仅对无源地标标签8进行盘存，提高采样频率，不断获取此无源地标标签8的RSSI和相位信息。

RSSI信息每秒能采样至少50次，正常情况下，通过RSSI信息和基于RSSI的定位算法，初步判断智能巡检机器人6本身距此地标标签8的距离；当RSSI信息由稳定突然跳变到很低的值时，则说明此时智能巡检机器人6前方出现较大障碍物或有工作人员，同时相位信息也会由稳定状态出现大幅跳变；此时机器人判断前方路况异常，立即停止移动；当RSSI和相位信息回复到异常值之前的状态时，说明前方障碍物已被清除或工作人员以及离开，此时智能巡检机器人6判断前方路况恢复正常，继续进行巡航。

分析控制模块2根据无源地标标签8中的移动指令和上述基于RSSI的定位算法控制智能巡检机器人6向前正确移动，这里的移动指令为：当前方道路为陡坡，无源地标标签8中会标识出来，并写有指导智能巡检机器人6变速的指令；当无源地标标签8信息中显示前方为综采工作面时，提示智能巡检机器人6换用双足行走模式等。

当通过RSSI信息判断智能巡检机器人6距离此无源地标标签8较近时，换用相位信息进行智能巡检机器人6与此无源地标标签8之间距离的精准计算，以便对智能巡检机器人6的移动进行精确控制。

当通过RSSI和相位信息判断智能巡检机器人6越过此无源地标标签8时，智能巡检机器人6识别下一处无源地标标签8，并重复从上述步骤。

无源传感标签10粘贴在井下作业设备9上，无源传感标签10包括无源振动传感标签、无源应变传感标签、无源温度传感标签、无源位移传感标签等。

当智能巡检机器人6沿着无源地标标签8巡航时，阅读器4还会通过天线101识别周围井下作业设备9上的无源传感标签10。无源传感标签10从天线101中的电磁波获取能量，并向天线101反向散射传感信息。并且智能巡检机器人6会根据无源传感标签10的采样频率，判断此时天线101对无源传感标签10的朝向是否最优：由于采样频率会随着天线101朝向的偏离降低，信号收发单元1会通过旋转平台106、角度调节电机103和第一电动推杆104，调节天线101的朝向、高度和与无源传感标签10的距离，使得所需读取的无源传感标签10采样频率达到最大。

传感信息经天线101传到阅读器4，再传到智能巡检机器人6的分析控制模块2中，分析控制模块2分析传感数据，通过井下作业设备9对应部位的振动频率、应变阈值、温度阈值、位移阈值等参数，结合故障诊断算法，判断井下作业设备的运行状态。

若此处各个井下作业设备运行正常，则智能巡检机器人6继续按照预定路线巡航，检测下一处井下作业设备9重要部位的运行状态；若出现异常，则智能巡检机器人6立即停止移动，并通过报警灯301发出警报，同时在显示器302中显示，指出是哪个设备的何处部位出现了什么异常。

由于每个无源传感标签10具有特定的编码，所以可以准确的对应到是哪个设备的何处部位出现了问题：1、无源传感标签10可对采煤机的截割臂进行应变检测，当截割臂应变超过设定阈值时发出警报并显示；2、无源传感标签10可对采煤机的电控箱进行温度检测，当温度过高时发出警报并显示；3、无源传感标签10可对采煤机的位置进行定位检测，当采煤机逾越预定轨迹时发出警报并显示；4、无源传感标签10可对液压支架的支撑高度、支撑位置进行定位检测，当出现异常时发出警报并显示；5、无源传感标签10可对液压支架重要部位的应变进行检测，当应变超过设定阈值时发出警报并显示；6、无源传感标签10可对带式输送机的电机温度进行检测，当温度超过阈值时发出警报并显示；7、无源传感标签10还可以对井下巷道7的温度、湿度进行检测，对设备的振动频率进行检测，并通过自身的故障诊断算法分析此设备的健康状态，如轴承、支撑、转子等部位是否磨损，当出现异常时发出警报并显示。

本发明的基于RFID检测的井下智能巡检机器人的巡检方法，包括以下步骤：

S1、启动智能巡检机器人6电源，在显示器302中设定本次的巡检路线，智能巡检机器人6按照设定路线自动巡航；

S2、通过天线101识别前方的无源地标标签8，访问无源地标标签8中的地标信息和移动指令，并将获取的地标信息与智能巡检机器人6内部地图数据库进行对比，确定此时的行走路线无误；

S3、分析控制模块2对无源地标标签8进行盘存，提高采样频率，获取此无源地标标签8的RSSI和相位信息，判断前方路况，选择停止移动或继续巡航；

S4、分析控制模块2根据无源地标标签8中的移动指令和上述基于RSSI的定位算法控制智能巡检机器人6向前正确移动，选择履带行走模式或双足行走模式；

S5、当智能巡检机器人6沿着无源地标标签8巡航时，阅读器4通过天线101识别井下作业设备9上的无源传感标签10，信号收发单元1旋转使所需读取的无源传感标签10的采样频率达到最大；

S5、分析控制模块2分析采集到的数据，判断井下作业设备9的运行状态，若此处各个井下作业设备9运行正常，则智能巡检机器人6继续按照预定路线巡航，检测下一处井下作业设备9重要部位的运行状态，若出现异常，则智能巡检机器人6立即停止移动，并通过报警灯301发出警报，同时在显示器302中显示，指出是哪个设备的何处部位出现了什么异常。

在本发明的描述中，需要理解的是，此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，也可以是电连接或彼此可通讯；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，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于RFID检测的井下智能巡检机器人，其特征在于，包括：

信号收发单元，所述信号收发单元包括天线；

分析控制单元，所述分析控制单元位于信号收发单元下方；

复合行走单元，所述复合行走单元位于分析控制单元的下方；

报警显示单元，所述报警显示单元位于复合行走单元和分析控制单元上；

阅读器，所述阅读器位于复合行走单元上；

无源电子标签，所述无源电子标签设在井下巷道中和井下作业设备上，阅读器通过天线识别无源电子标签。

2.根据权利要求1所述的基于RFID检测的井下智能巡检机器人，其特征在于，所述信号收发单元进一步包括角度调节轴和角度调节电机，角度调节电机通过角度调节轴与天线连接，角度调节轴和角度调节电机安装在第一电动推杆的一端，第一电动推杆的另一端与支撑架连接，支撑架安装在旋转平台上。

3.根据权利要求1所述的基于RFID检测的井下智能巡检机器人，其特征在于，所述分析控制单元包括控制器。

4.根据权利要求2所述的基于RFID检测的井下智能巡检机器人，其特征在于，所述复合行走单元包括底座，底座的底部设置行走履带，底座两侧对称设有两个行走单元，每个行走单元均包括设置在底座侧面的导轨，导轨中滑动设置约束滑块，约束滑块的外侧与行走连杆连接，行走连杆的下方与可转支脚连接，可转支脚的下方与行走底板连接，行走连杆的上方与第二电动推杆连接。

5.根据权利要求4所述的基于RFID检测的井下智能巡检机器人，其特征在于，所述第二电动推杆的顶端与传动连杆的顶端铰接，传动连杆的中间位置与约束支柱铰接，传动连杆的底端与转动曲柄的一端铰接，转动曲柄的另一端与安装在分析控制单元内部的电机连接，分析控制单元位于底座的上方。

6.根据权利要求5所述的基于RFID检测的井下智能巡检机器人，其特征在于，所述复合行走单元进一步包括固定座，所述固定座设在分析控制单元的顶部，且约束支柱与固定座侧面固定连接，约束支柱与传动连杆之间铰接，旋转平台设在固定座的顶部。

7.根据权利要求6所述的基于RFID检测的井下智能巡检机器人，其特征在于，所述报警显示单元包括显示器、两个尾灯和四个报警灯，显示器安装于分析控制单元的后面，四个报警灯安装于底座的顶面四角处，两个尾灯安装于底座的后面两侧，底座的后面还安装有阅读器，阅读器位于两个尾灯之间。

8.根据权利要求7所述的基于RFID检测的井下智能巡检机器人，其特征在于，所述无源电子标签包括无源地标标签和无源传感标签，无源地标标签粘贴在井下巷道中，无源传感标签粘贴在井下作业设备上，无源传感标签包括无源振动传感标签、无源应变传感标签、无源温度传感标签、无源位移传感标签。

9.一种井下智能巡检机器人的巡检方法，所述井下智能巡检机器人为权利要求1-8任一项所述的基于RFID检测的井下智能巡检机器人，其特征在于，包括以下步骤：

S1、启动机器人电源，在显示器中设定本次的巡检路线，机器人按照设定路线巡航；

S2、通过天线识别前方的无源地标标签，访问无源地标标签中的地标信息和移动指令，确定行走路线无误；

S3、分析控制模块对无源地标标签进行盘存，提高采样频率，获取此无源地标标签的RSSI和相位信息，判断前方路况，选择停止移动或继续巡航；

S4、分析控制模块根据无源地标标签中的移动指令，选择履带行走模式或双足行走模式；

S5、阅读器通过天线识别井下作业设备上的无源传感标签，信号收发单元旋转使所需读取的无源传感标签的采样频率达到最大；

S5、分析控制模块分析阅读器采集到的数据，判断井下作业设备的运行状态，若此处各个井下作业设备运行正常，则机器人继续按照预定路线巡航，检测下一处井下作业设备重要部位的运行状态，若出现异常，则机器人立即停止移动，并通过报警灯发出警报，同时在显示器中显示，指出是哪个设备的何处部位出现了什么异常。