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礦用搜救機器人
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礦用搜救機器人 版權信息
- ISBN：9787030451316
- 條形碼：9787030451316 ; 978-7-03-045131-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：
礦用搜救機器人 本書特色
適讀人群 ：從事礦山或其他特殊環境救援機器人研發的工程技術人員和高校研究生礦用搜救機器人的研發應用有利于減少煤礦用工數量，降低工人勞動強度和危險性，進一步提高煤炭生產能力。
礦用搜救機器人 內容簡介
本書主要介紹了礦用搜救機器人的研究和設計方法。在介紹礦用搜救機器人的作業環境及性能要求的基礎上，系統介紹了礦用搜救機器人的行走機構，動力及驅動系統，多參數環境感知系統，救援機構，控制系統，通信系統，環境建模、定位與導航，以及機器人防爆等方面的設計技術和方法。重點介紹了地形適應性好，越障能力強的幾種行走機構，適合井下應用的有線-無線相結合的機器人通訊方法，用于機器人通訊的光纖釋放技術，用于氣體探測的升降傳感測量技術，以及基于煤礦防爆要求的機器人局部和整體防爆設計方法。書中同時介紹了礦用搜救機器人的測試方法。
礦用搜救機器人 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 礦用搜救機器人的作用和要求 1
1.3 礦用搜救機器人發展現狀 3
1.3.1 國外礦用搜救機器人 4
1.3.2 國內礦用搜救機器人 9
1.4 礦用搜救機器人應用情況 13
1.5 礦用搜救機器人關鍵技術 15
參考文獻 17
第2章 煤礦井下環境與災變特征 20
2.1 引言 20
2.2 井下巷道結構特征 20
2.2.1 巷道系統結構 21
2.2.2 巷道斷面特征 22
2.2.3 巷道道床特征 25
2.2.4 巷道坡度特征 28
2.2.5 巷道水溝特征 29
2.2.6 巷道管纜分布特征 31
2.2.7 巷道內的雜物 31
2.3 采煤工作面結構特征 32
2.4 掘進工作面結構特征 33
2.5 井下危險氣體 34
2.5.1 有毒有害氣體 34
2.5.2 爆炸性氣體 36
2.5.3 礦井氣體濃度限值 38
2.6 井下視覺特征 40
2.7 井下通信干擾 42
2.7.1 巷道結構影響 43
2.7.2 巷道設施影響 43
2.7.3 各種電纜、水管等縱向導體影響 43
2.7.4 各種動力設備電磁干擾影響 43
2.7.5 不同頻率信號在巷道中的傳輸特性 44
2.8 煤礦常見災變 44
2.8.1 瓦斯爆炸事故 45
2.8.2 頂板垮塌事故 47
2.8.3 礦井涌水事故 48
2.8.4 礦井火災事故 49
2.9 礦井災后結構特征 50
參考文獻 52
第3章 機器人行走機構 54
3.1 引言 54
3.2 礦用搜救機器人行走能力要求 54
3.3 輪式行走機構及其運動學分析 55
3.3.1 普通輪式行走機構簡介 55
3.3.2 普通輪式行走機構運動學分析 55
3.3.3 三葉輪式行走機構簡介 58
3.3.4 三葉輪式行走機構運動學分析 59
3.4 履帶式行走機構及其運動學分析 63
3.4.1 倒梯形彈簧履帶式行走機構 64
3.4.2 履帶式行走機構運動學分析 65
3.4.3 W形履帶式行走機構簡介 70
3.4.4 W形履帶式行走機構運動學分析 70
3.5 復合式行走機構及其運動學分析 75
3.5.1 輪履復合行走機構 75
3.5.2 擺臂式行走機構 75
3.5.3 輪腿復合行走機構 78
3.6 清障機構 82
參考文獻 84
第4章 機器人動力系統 86
4.1 引言 86
4.2 機器人供能系統設計 86
4.2.1 動力電源設計 87
4.2.2 供能系統測試檢驗 92
4.3 機器人驅動系統設計 101
4.3.1 直流無刷電機研制 101
4.3.2 防爆輪轂電機研制 102
4.4 機器人動力系統匹配與優化 109
4.4.1 動力系統匹配問題 109
4.4.2 動力系統多目標粒子群優化 111
參考文獻 114
第5章 機器人運動控制系統 115
5.1 引言 115
5.2 機器人運動控制硬件系統 115
5.3 機器人運動控制驅動器 118
5.3.1 運動控制板結構分析 118
5.3.2 驅動器控制信號選取 120
5.3.3 PWM信號輸出電路設計 121
5.3.4 轉速頻率采集電路 122
5.3.5 模擬信號采集電路 123
5.3.6 運動控制板的EMC設計 124
5.4 機器人運動控制軟件系統 125
5.4.1 運動控制軟件系統結構 125
5.4.2 運動控制程序流程 127
5.4.3 電機轉速的PID閉環控制 127
5.5 機器人多驅動自適應控制方法 132
5.5.1 基于電流的驅動模式自主切換理論 133
5.5.2 自主切換理論仿真與臺架試驗 136
5.6 運動控制系統性能測試 140
5.6.1 電機抗負載變化性能試驗 140
5.6.2 機器人直線行走穩定性試驗 141
5.6.3 自適應控制技術的野外試驗 143
參考文獻 145
第6章 機器人井下通信 147
6.1 引言 147
6.2 礦用搜救機器人現有通信方式 148
6.2.1 井下通信特點與通信系統性能需求 148
6.2.2 井下機器人有線通信 149
6.2.3 井下機器人無線通信 151
6.3 基于有線與無線相結合的礦用搜救機器人通信系統 154
6.3.1 礦用搜救機器人有線-無線結合通信原理 155
6.3.2 通信系統相關機構設計 156
6.4 基于無線Mesh自組網的礦用搜救機器人通信系統 161
6.4.1 煤礦井下無線Mesh通信系統硬件設計 162
6.4.2 煤礦井下無線Mesh通信系統軟件設計 164
6.4.3 無線Mesh網絡通信模擬巷道試驗 168
參考文獻 169
第7章 井下圖像處理與視頻分析 171
7.1 引言 171
7.2 井下暗光場景圖像增強技術 171
7.2.1 空域處理方法 172
7.2.2 頻域處理方法 177
7.3 井下水霧場景圖像去霧技術 179
7.3.1 判別導向濾波去霧方法 180
7.3.2 基于組合代價函數去霧方法 183
7.4 井下運動場景圖像去模糊技術 189
7.4.1 紅外灰度圖像去模糊方法 190
7.4.2 彩色圖像去模糊方法 192
7.5 機器人運動視頻圖像分析 196
7.5.1 光流場法分析 196
7.5.2 差分法分析 202
參考文獻 206
第8章 機器人定位與礦圖構建 209
8.1 引言 209
8.2 基于LiDAR/IMU緊耦合的同步定位與地圖構建方法 210
8.2.1 系統架構與因子圖模型構建 211
8.2.2 約束因子構建 213
8.3 基于LiDAR/IMU/UWB融合的同步定位與地圖構建方法 224
8.3.1 系統架構與全局因子圖模型構建 224
8.3.2 約束因子構建 228
8.4 井下多傳感器融合的機器人定位建圖試驗 232
8.4.1 局部區域連續定位試驗 234
8.4.2 大范圍巷道地圖構建與定位試驗 237
參考文獻 242
第9章 機器人路徑規劃與自主避障 245
9.1 引言 245
9.2 機器人路徑規劃策略 245
9.2.1 基于圖搜索的策略 246
9.2.2 基于采樣的策略 253
9.2.3 基于生物啟發的策略 254
9.3 機器人軌跡規劃策略 259
9.3.1 *小振蕩軌跡 260
9.3.2 模型預測控制 266
9.4 機器人自主避障方案 269
9.4.1 移動機器人避障常用傳感器 269
9.4.2 移動機器人避障控制方法 273
9.5 路徑規劃與自主避障試驗驗證 274
9.5.1 試驗環境 275
9.5.2 測試步驟及方案 278
9.5.3 現場試驗結果與分析 279
參考文獻 283
第10章 井下環境與生命探測 285
10.1 引言 285
10.2 井下巷道環境探測 285
10.2.1 災后環境及探測任務 285
10.2.2 環境探測系統功能設計 287
10.2.3 環境數據采集卡設計 288
10.2.4 小型甲烷傳感器設計 296
10.2.5 數據采集性能測試 299
10.3 礦工人員生命探測 303
10.3.1 基于視覺的搜救設備 303
10.3.2 基于聽覺的搜救設備 307
10.3.3 DKL搜救設備 309
10.3.4 基于雷達的搜救設備 310
10.3.5 基于嗅覺的搜救設備 312
參考文獻 313
第11章 機器人防爆設計 315
11.1 引言 315
11.2 防爆理論及其應用 315
11.2.1 防爆原理與防爆類型 315
11.2.2 常用防爆型式 317
11.2.3 復合型防爆理論 318
11.2.4 機器人防爆類型選擇分析 319
11.3 機器人部件隔爆設計 320
11.3.1 隔爆接合面 320
11.3.2 主箱體隔爆設計 321
11.3.3 電機隔爆設計 325
11.3.4 其他隔爆設計單元 332
11.4 機器人部件本安設計 333
11.4.1 本安型機械手 334
11.4.2 小型本安型甲烷探測器 337
11.4.3 本安型攝像儀 338
11.4.4 本安型便攜式終端操控設備 339
11.5 主箱體防爆與結構輕量化優化設計 340
11.5.1 隔爆箱體輕量化設計方案分析 340
11.5.2 隔爆箱體輕量化優化建模 341
11.5.3 隔爆箱體自加強結構設計方法 350
參考文獻 352
展開全部
礦用搜救機器人 節選
第1章 緒論 1.1 引言 我國經濟持續高速發展，2021年 GDP 已達到114.4萬億元，自2010年開始就長期穩居世界第二位。然而，與經濟高速發展形成鮮明對比的是，我國的生產安全形勢仍極為嚴峻。全國各類重大生產安全事故時有發生。經濟的發展不能以犧牲安全作為代價，因此，國家越來越重視生產安全和生產事故發生后的救援工作。研發用于代替人員進行生產作業和事故救援的特種機器人的行動計劃已經開始。2018年中共中央印發的《深化黨和國家機構改革方案》中明確要求組建應急管理部，這充分體現了國家對于應急救援工作的重視。在各類安全生產事故中，以煤礦生產事故*為嚴峻，為此，國家煤礦安全監察局于2019年1月2日發布了第1號公告，要求大力研發應用煤礦機器人，并公告了《煤礦機器人重點研發目錄》，目錄中列出了掘進類、采煤類、運輸類、安控類和救援類五大類共38種煤礦機器人，其中就包括第五類中的礦用搜救機器人。 礦用搜救機器人在煤礦事故救援中將會起到極大的作用，為此，國外特別是美國等發達國家自20世紀80年代就開始研發用于煤礦搜救的機器人裝備，并有應用的案例。我國相對起步較晚，中國礦業大學于2006年成功研制了我國**臺CUMT-I型煤礦搜救機器人樣機，并持續研究至今。國內其他相關研究機構也開展了礦用搜救機器人的研究，但大部分研究還處于樣機和試驗階段，尚未得到實際應用。究其原因，主要是煤礦環境特殊，要想研發出滿足應用要求的礦用搜救機器人還有許多關鍵技術需要解決。本章通過闡述礦用搜救機器人的作用和要求，結合國內外礦用搜救機器人的發展現狀，提出礦用搜救機器人需要解決的關鍵技術問題。 1.2 礦用搜救機器人的作用和要求 我國是煤炭生產大國，也是煤炭消費大國，已連續十多年成為全球**大產煤國。同時，我國也是煤礦災害事故*嚴重的國家，百萬噸死亡率居世界之首。其主要原因是：我國煤炭儲藏條件差，地質條件復雜，90％以上的煤炭資源僅適合井工開采，平均開采深度為地下700 m，開采條件極其復雜，而且全國50％以上的煤炭儲量處于高瓦斯地區[1]。因此，在煤礦開采中極易發生災害性事故。另外，小煤礦多，生產技術水平低，企業安全管理不到位，超能力、超強度、超定員和非法違法生產等原因，造成煤礦事故多發。煤炭開采中主要存在瓦斯爆炸、煤塵爆炸、頂板垮塌、著火和透水五大災害，其中瓦斯爆炸事故危害*大，占煤礦災害事故的一半以上[2]。 災害事故發生后，作業礦工常常被困于井下，需要實施應急救援。目前的應急救援方法是派礦山救護隊員下井直接搜救，救援時間緊迫，救援隊員越早進入事故現場，被困礦工的生還希望就越大。但是，如礦井瓦斯(煤塵)爆炸發生后，災區氣溫升高，粉塵濃度增大，爆炸性氣體以及高濃度的 CO 等有害氣體充滿了巷道，礦井環境不穩定，隨時有發生二次爆炸或多次爆炸的可能；爆炸將會造成部分頂板不穩定，隨時可能發生冒落或垮塌；加之爆炸沖擊波波及的礦井巷道內設備錯亂、冒落的頂板堆積、電纜縱橫，錯綜復雜，且爆炸后粉塵彌漫，能見度低，給搜救工作帶來很大的困難和危險，以至于救護隊員往往不能或無法進入某些危險區域開展搜救工作，從而延誤了*佳救援時機，增加了礦工傷亡和事故損失。因此，在災害發生后，及時、快速、準確地進行井下環境偵測和受傷失蹤礦工的搜尋救援工作是極其重要的。 目前是依靠礦山救護隊員佩戴氧氣呼吸器進入災區偵查，獲取災區的**手資料和對遇難礦工實施救助。但以救援人員為探測救援主體的救援機制在效率以及人員安全等方面存在諸多問題。 (1)難以獲取災變環境現場的實時信息，從而導致制定的救援方案不科學或者盲目施救。 (2)礦井事故現場環境惡劣，如有毒有害氣體、高溫、噪聲、黑暗，使救護隊員生理和心理高度緊張，高強度的救援工作和惡劣的環境會造成救護隊員受傷甚至死亡。 (3)救援技術裝備落后，除了正壓氧氣呼吸器的使用提高了礦山救護人員的安全外，其他方面并無很大的變化，從而顯著影響了救援效率和阻礙了目前井下災后救援工作的順利開展。 礦用搜救機器人是一種在礦井發生災害事故時，承載多種傳感探測和救援設備，替代救護隊員進入危險區域進行環境探測和對礦工實施救援的多功能智能救援裝備。在災區情況不明時，使用機器人進入探查，既可以防止救援人員發生傷亡，又能夠將災區的信息實時傳輸到地面救援指揮中心，為救援決策提供科學依據，以便快速、準確地制定救援方案。 礦用搜救機器人的作用主要有以下七個方面： (1)深入礦井災區采集和測量災區現場環境參數，如瓦斯濃度、溫度、水位高度、風速、風向等，并繪制井下地圖； (2)進行生命搜索，發現被困或傷亡礦工，并估計災害性質和等級； (3)為被困人員和地面之間提供通信平臺； (4)為被困人員提供給養、醫療用品和簡易急救工具，幫助礦工維持生命和自救； (5)營救、轉移傷員脫離危險，將其轉至安全區域； (6)完成一些簡單的清障、滅火等作業，降低環境的危險等級，以便后續搜救工作的開展或救護人員的進入； (7)將采集到的災區環境信息回傳至地面應急救援指揮中心，用于制定救援決策方案。 礦用搜救機器人按作業任務可以分為探測機器人和救援機器人兩種。探測機器人能夠在煤礦井下發生瓦斯爆炸、煤塵爆炸、煤與瓦斯突出、礦井火災、冒頂透水等災害事故后，進入災區，探測并回傳井巷中的 CH4、CO、O2、溫度、濕度、水位、風速、風向、災害場景、呼救聲訊以及人員傷亡情況等信息；救援機器人除了具有探測機器人的主要功能外，一般還具有滅火、清障、給養運送、將受傷礦工轉移到安全地方等作業功能。根據煤礦災害事故的類型，也可以分為瓦斯(或煤塵)爆炸救援機器人、透水救援機器人、火災救援機器人等。 為了能夠在煤礦災變環境中有效作業，礦用搜救機器人需要滿足以下技術要求。 (1)高強的非結構環境適應能力和行走能力。移動平臺地形適應性好，越障能力強，可靠性高。 (2)較強的續航能力和作業能力。能源補充次數少，行走距離遠，工作時間長，作業效率高。 (3)一定的自主能力。移動系統對傳感、控制系統依賴性小，可以實現自主或局部自主。 (4)災變環境下的通信能力。在井下現有通信設施遭到破壞的情況下，機器人需要自身解決通信問題，確保井上井下通信暢通。 (5)安全性好。為了能在爆炸性環境下工作，并且不引發次生災害，礦用搜救機器人應具有防爆、阻燃、抗靜電等安全性能。 (6)一定的自我防護能力。具有良好的防水、防塵、耐高溫、抗沖擊等自我防護性能。 (7)質量輕、體積小、便于搬運和維護。 1.3 礦用搜救機器人發展現狀 對于地面搜救機器人的研究工作，許多國家從20世紀80年代就已經開始，且發展迅速，技術不斷進步，并已邁入實用階段，日本、美國、澳大利亞、英國等國都開始使用[3]。而關于礦用搜救機器人的研究，美國起步較早并且研究較多，已有多家高校或研究機構研發了針對不同用途的礦用搜救機器人。相對來說，國內針對礦用搜救機器人的研發起步較晚，但也已取得了很大的進展。 1.3.1 國外礦用搜救機器人 世界上**臺礦用搜救機器人是由美國勞工部礦山安全和衛生管理局與Sandia 的智能系統和機器人中心協作研發的 Ratler 礦井探索機器人[4]，如圖1-1所示。這個能快速反應的機器人主要用于調查事故后的現場安全情況。礦難發生后，該機器人可以快速進入現場，人們可以通過機器人尋找幸存者，檢查危險氣體并評估礦井危險級別。Willow Creek煤礦于1998年11月24日遭受嚴重火災后，Ratler 機器人到現場進行了初步的適用性試驗。該機器人安裝了前視紅外攝像機、陀螺儀和危險氣體傳感器，通過射頻進行控制和信息傳輸，遙控距離大約為250英尺(76.2 m)。但總體來說，Ratler 還遠無法滿足礦用搜救機器人對機動性和可視性的要求。 圖1-1 Ratler礦井探索機器人 美國南佛羅里達大學研制了礦井搜索機器人Simbot[5]，如圖1-2所示。這個機器人小巧靈活，攜帶數字低照度攝像機和基本氣體監視組件，可通過一個小洞鉆進礦井，越過碎石和煤泥，通過其攜帶的傳感器發現受害礦工，并探測氧氣和甲烷氣體含量，生成礦井地圖。但是，由于該機器人體積較小，其續航能力、越障能力以及通信能力等無法真正滿足煤礦災后的救援要求。 美國卡內基–梅隆大學機器人研究中心開發了全自主礦井探測機器人Groundhog[6]，如圖1-3(a)所示。該機器人主要用途是探測井下環境，精確繪制井下立體地圖。它采用液壓方式驅動，差動轉向機械結構，可實現零半徑轉彎，*高速度可達10 km/h，并裝備了激光測距傳感器、夜視攝像機、氣體探測傳感器和陀螺儀，能夠對礦井下的環境進行綜合性的測量，建立立體的礦井模型。2003年，Thrun等對賓夕法尼亞州的廢舊煤礦馬蒂斯礦的主巷道進行了探測和三維構圖，效果如圖1-3(b)所示。但此機器人只是從功能上進行了設計，并沒有過多地考慮防爆問題，只能在廢棄的礦井中應用。 圖1-2 Simbot礦井搜索機器人 圖1-3 礦井探測機器人Groundhog及其構建的三維地圖 美國卡內基–梅隆大學機器人研究中心還設計了一款礦用搜救機器人平臺 Cave Crawler[7]，如圖1-4所示。其內部采用類似于“勇氣號”火星車的齒輪差動機構，左右的輪子采用搖桿式移動系統，并且通過差動機構連接左右兩搖桿與機器人主車體，將機器人左右搖桿的擺角進行線性平均，并轉化為機器人主車體的擺角輸出，這樣可以保持機器人主車體的相對平衡。當某一輪抬起時，整個車體的擺動角度是輪子抬起角度的一半，這樣能夠有效地減小地形變化對主車體的影響；同時，這種設計可以使機器人較為均勻地向各個車輪分配車體重量，并且各車輪能隨著地面的起伏被動地自由調整位置，提高了機器人的運行平穩性、抗顛覆能力和越障能力。該機器人相比Groundhog具有更小、更快的特點。 圖1-4 Cave Crawler 礦用搜救機器人平臺 Remotec公司在軍用機器人Andros Wolverine基礎上，針對煤礦環境進行改造，研制了V2機器人[8]，如圖1-5所示。其高約5英尺(1.52m)，重量超過1200磅(544 kg)，可以穿過不允許礦工通過的地下復雜礦井環境。這種機器人依靠防爆電機驅動履帶行走。它配備了先進的導航系統、監視攝像機、照明設備、危險氣體探測器、夜視攝像頭、雙向語音通信系統以及機械臂。這款經特別的防爆設計的機器人造價是26.5萬美元。V2可以從一個安全的位置進行遠程操作，并能向前探索5000英尺(大約1.5km)，能通過礦用光纖傳送重要的現場信息。遠 圖1-5 V2機器人
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