一种用于矿区废弃地土壤检测的巡检机器人及工作方法技术

本发明专利技术公开了一种用于矿区废弃地土壤检测的巡检机器人及工作方法，显示器安装在动力系统上部，样品保存区通过支撑柱固定在显示器上方，GPS信号接收机和工控机安装在移动平台上，旋转平台安装在工控机上部，两个支架上均设有视觉摄像机，且视觉摄像机朝向前方，电动机械臂的一端与旋转平台上的电机连接，电动机械臂的另一端与铲斗铰接传动，电动机械臂与铲斗的铰接处设有扭矩传感器，铲斗的挖掘端设有温湿度传感器，移动平台的侧部设有超声波传感器，工控机的前端装有激光雷达，且激光雷达的扫描方向为水平方向。本发明专利技术能在矿区废弃地自主导航进行巡检，同时能对矿区废弃地的多区域进行土壤温湿度检测及取样，保证土壤检测的准确度和实时性。

A Patrol Robot and Its Working Method for Soil Detection of Waste Land in Mining Area

The invention discloses a patrol robot and a working method for soil detection in abandoned mining areas. The display is installed on the upper part of the power system, the sample storage area is fixed on the upper part of the display through the support pillar, the GPS signal receiver and the industrial control computer are installed on the mobile platform, and the rotary platform is installed on the upper part of the industrial control computer. Both supports are equipped with visual cameras, and the visual cameras are facing. To the front, one end of the electro-mechanical arm is connected with the motor on the rotating platform, the other end of the electro-mechanical arm is articulated with the bucket, the joint of the electro-mechanical arm and the bucket is equipped with a torque sensor, the excavating end of the bucket is equipped with a temperature and humidity sensor, the side of the mobile platform is equipped with an ultrasonic sensor, the front end of the industrial computer is equipped with a laser radar, and the scanning direction of the laser radar is as follows: Horizontal direction. The invention can conduct patrol inspection by autonomous navigation of abandoned land in mining area, at the same time can detect and sample soil temperature and humidity in multiple areas of abandoned land in mining area, so as to ensure the accuracy and real-time of soil detection.

【技术实现步骤摘要】
一种用于矿区废弃地土壤检测的巡检机器人及工作方法
本专利技术涉及一种土壤检测巡检机器人及工作方法，具体是一种用于矿区废弃地土壤检测的巡检机器人及工作方法。
技术介绍
土地资源是人类生存和发展的载体，是进行农业生产和工业建设的基础物质条件。但我国城市化、工业化速度较快，建设用地在长时间内仍保持着较高的需求，能够用于农业用地的土地资源相对稀缺，我国人均耕地面积仅为0.101公顷，不足世界人均水平的一半。工业化以来，煤炭一直是我国的主要能源，矿山开采已成为我国生产活动与经济增长的重要手段，在国民经济中占有重要比重。由于我国“高投入，高产出”的粗放型经济发展模式，煤炭开采对农业用地造成了不同程度的破坏，采煤挖损、塌陷和压占产生了大量的废弃土地，近年来的研究和实践表明：矿区废弃地土地复垦是缓解农业用地、改善矿区生态环境的重要途经，复垦地的土壤是否符合农业生产是能否对矿区废弃地进行土地复垦的关键，因此土壤检测是土地复垦的关键环节。故以提高土壤检测的准确度和实时性为目标，研究矿区废弃地土壤检测机器人有重要意义。贫穷的地表结构与土壤养分和矿山的过度开采导致矿山表面坍塌，产生了大量的采空区与塌陷区，导致矿区环境复杂而恶劣，这种复杂地理条件对土壤检测机器人移动平台、环境感知能力、自主导航能力以及机械臂探测和取样能力要求较高，目前用于土壤检测的机器人只能被使用在结构化环境中。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种用于矿区废弃地土壤检测的巡检机器人及工作方法，能在矿区废弃地自主导航进行巡检，同时能对矿区废弃地的多区域进行土壤温湿度检测及取样，能有效保证土壤检测的准确度和实时性，便于后续进行土地复垦工作。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种用于矿区废弃地土壤检测的巡检机器人，包括移动平台和动力系统，移动平台上安装履带，动力系统固定在移动平台上部，还包括样品保存区、显示器、GPS信号接收机、支架、旋转平台、工控机、电动机械臂和铲斗，显示器安装在动力系统上部，样品保存区通过支撑柱固定在显示器上方，所述样品保存区有多个样品存储盒组成，GPS信号接收机和工控机安装在移动平台上，旋转平台安装在工控机上部，所述支架为两个，两个支架对称设置在旋转平台的两侧，两个支架上均设有视觉摄像机，且视觉摄像机朝向前方，电动机械臂的一端与旋转平台上的电机连接，电动机械臂的另一端与铲斗铰接传动，电动机械臂与铲斗的铰接处设有扭矩传感器，铲斗的挖掘端设有温湿度传感器，移动平台的侧部设有超声波传感器，工控机的前端装有激光雷达，且激光雷达的扫描方向为水平方向；工控机与动力系统、显示器、GPS信号接收机、视觉摄像机、超声波传感器、激光雷达、扭矩传感器和温湿度传感器连接，动力系统与移动平台、旋转平台和电动机械臂电连接。进一步，所述电动机械臂包括第一节臂、第二节臂和第三节臂，第一节臂的一端通过第一关节与旋转平台连接，第一节臂的另一端通过第二关节连接第二节臂的一端，所述第二节臂的另一端通过第三关节与第三节臂的一端连接，第三节臂的另一端在第四关节处连接扭矩传感器，所述扭矩传感器的另一端与铲斗连接。进一步，所述动力系统为电动马达。一种用于矿区废弃地土壤检测的巡检机器人的工作方法，具体步骤为：A、巡检机器人在矿区废弃地开始巡检之前，通过卫星地图对所需巡检的区域进行GPS坐标标定并存储在工控机内，然后在该区域内预先设定巡检路径，并在巡检路径上设定多个土壤检测点；同时在工控机内预先存储超声波传感器反馈的检测距离阈值、激光雷达反馈的检测距离阈值、扭矩传感器的扭矩阈值和多个能安全通行的地貌图像；B、将巡检机器人放置在步骤A确定的巡检路径的起始端，向第一个土壤检测点开始巡检时，工控机通过GPS信号接收机实时接收巡检机器人的GPS坐标，然后与预先设定巡检路径进行比对，工控机根据实时所处坐标通过动力系统控制移动平台沿预定巡检路径行驶，同时两个视觉摄像机实时拍摄前方的地貌环境反馈给工控机，超声波传感器发出超声波检测巡检机器人周围的环境并接收反馈的超声波发送给工控机，激光雷达向水平方向发出雷达信号并接收反馈信号发送给工控机，工控机对反馈数据进行分析处理，具体为：若超声波传感器反馈的周围物体与巡检机器人之间的距离大于等于设定的距离阈值，则巡检机器人保持其当前行驶路径，若超声波传感器反馈的周围物体与巡检机器人之间的距离小于设定的距离阈值，则工控机控制移动平台调整行驶方向增大与该物体之间的距离，并通过实时接收GPS坐标继续向第一土壤检测点行进；若激光雷达反馈的前方障碍物与巡检机器人之间的距离大于等于设定的距离阈值，则巡检机器人保持其当前行驶路径，若激光雷达反馈的前方物体与巡检机器人之间的距离小于设定的距离阈值，则工控机控制移动平台调整行驶方向增大与该物体之间的距离，并通过实时接收GPS坐标继续向第一土壤检测点行进；若视觉摄像机拍摄的地貌图像与存储的其中一个能安全通行的地貌图像比对成功，则巡检机器人保持其当前行驶路径，若视觉摄像机拍摄的地貌图像与存储的地貌图像未比对成功，则工控机控制移动平台停止行驶，工控机通过动力系统控制机械臂及铲斗伸展对前方地面施加压力，扭矩传感器实时将铲斗与机械臂之间的铰接处的扭矩值反馈给工控机，工控机将检测的扭矩值与存储的扭矩阈值进行比对，若检测扭矩值大于或等于扭矩阈值，说明巡检机器人能安全通过该区域，则工控机使机械臂收起并控制移动平台沿当前路径继续行驶，若检测扭矩值小于扭矩阈值，说明巡检机器人无法安全通过该区域，则工控机控制移动平台调整行驶方向绕过该区域，并通过实时接收GPS坐标继续向第一土壤检测点行进；C、当巡检机器人达到第一土壤检测点时，工控机通过动力系统控制机械臂及铲斗伸展对该处土壤进行挖掘采样，并将采样土壤放置到样品保存区中的一个样品存储盒内，在土壤挖掘过程中温湿度传感器对该处土壤的温湿度进行检测并反馈给工控机进行存储；D、巡检机器人完成第一土壤检测点的检测工作后，工控机控制移动平台沿预设路径向下一个土壤检测点行驶，并重复步骤B和C，直至巡检机器人对所有土壤检测点均完成检测后，完成巡检机器人的整个巡检工作。与现有技术相比，本专利技术采用样品保存区、显示器、GPS信号接收机、支架、旋转平台、工控机、电动机械臂和铲斗相结合的方式，具有如下优点：(1)本专利技术采用多传感器信息融合技术，能够更加全面的反应出外界环境特征，增加传感器间的互补性，提高机器人决策的正确性。(2)本专利技术机械臂系统同时具备探测未知环境与土壤采样功能。(3)本专利技术使用机械臂探测系统，结合环境感知系统能够准确地检测出矿区中的泥淖区域与不可通行区域。(4)本专利技术结构适应性强，机器人能够在矿区废弃地场景中自主导航与避障。(5)本专利技术能在机器人行进过程中实时检测矿区土壤温湿度信息。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图；图2是本专利技术中电动机械臂的结构示意图；图3是本专利技术中扭矩传感器的安装位置示意图。图中：1、移动平台，2、履带，3、超声波传感器，4、动力系统，5、显示器，6、样品保存区，7、GPS信号接收机，8、支架，9、视觉摄像机，10、旋转平台，11、工控机，12、激光雷达，13、电动机械臂，14、扭矩传感器，15、铲斗，16、温湿度传感器，17、第一节臂，18、第二节臂，19、第三本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于矿区废弃地土壤检测的巡检机器人，包括移动平台和动力系统，移动平台上安装履带，动力系统固定在移动平台上部，其特征在于，还包括样品保存区、显示器、GPS信号接收机、支架、旋转平台、工控机、电动机械臂和铲斗，显示器安装在动力系统上部，样品保存区通过支撑柱固定在显示器上方，所述样品保存区有多个样品存储盒组成，GPS信号接收机和工控机安装在移动平台上，旋转平台安装在工控机上部，所述支架为两个，两个支架对称设置在旋转平台的两侧，两个支架上均设有视觉摄像机，且视觉摄像机朝向前方，电动机械臂的一端与旋转平台上的电机连接，电动机械臂的另一端与铲斗铰接传动，电动机械臂与铲斗的铰接处设有扭矩传感器，铲斗的挖掘端设有温湿度传感器，移动平台的侧部设有超声波传感器，工控机的前端装有激光雷达，且激光雷达的扫描方向为水平方向；工控机与动力系统、显示器、GPS信号接收机、视觉摄像机、超声波传感器、激光雷达、扭矩传感器和温湿度传感器连接，动力系统与移动平台、旋转平台和电动机械臂电连接。

【技术特征摘要】
1.一种用于矿区废弃地土壤检测的巡检机器人，包括移动平台和动力系统，移动平台上安装履带，动力系统固定在移动平台上部，其特征在于，还包括样品保存区、显示器、GPS信号接收机、支架、旋转平台、工控机、电动机械臂和铲斗，显示器安装在动力系统上部，样品保存区通过支撑柱固定在显示器上方，所述样品保存区有多个样品存储盒组成，GPS信号接收机和工控机安装在移动平台上，旋转平台安装在工控机上部，所述支架为两个，两个支架对称设置在旋转平台的两侧，两个支架上均设有视觉摄像机，且视觉摄像机朝向前方，电动机械臂的一端与旋转平台上的电机连接，电动机械臂的另一端与铲斗铰接传动，电动机械臂与铲斗的铰接处设有扭矩传感器，铲斗的挖掘端设有温湿度传感器，移动平台的侧部设有超声波传感器，工控机的前端装有激光雷达，且激光雷达的扫描方向为水平方向；工控机与动力系统、显示器、GPS信号接收机、视觉摄像机、超声波传感器、激光雷达、扭矩传感器和温湿度传感器连接，动力系统与移动平台、旋转平台和电动机械臂电连接。2.根据权利要求1所述的一种用于矿区废弃地土壤检测的巡检机器人，其特征在于，所述电动机械臂包括第一节臂、第二节臂和第三节臂，第一节臂的一端通过第一关节与旋转平台连接，第一节臂的另一端通过第二关节连接第二节臂的一端，所述第二节臂的另一端通过第三关节与第三节臂的一端连接，第三节臂的另一端在第四关节处连接扭矩传感器，所述扭矩传感器的另一端与铲斗连接。3.根据权利要求1所述的一种用于矿区废弃地土壤检测的巡检机器人，其特征在于，所述动力系统为电动马达。4.一种根据权利要求1所述的用于矿区废弃地土壤检测的巡检机器人的工作方法，其特征在于，具体步骤为：A、巡检机器人在矿区废弃地开始巡检之前，通过卫星地图对所需巡检的区域进行GPS坐标标定并存储在工控机内，然后在该区域内预先设定巡检路径，并在巡检路径上设定多个土壤检测点；同时在工控机内预先存储超声波传感器反馈的检测距离阈值、激光雷达反馈的检测距离阈值、扭矩传感器的扭矩阈值和多个能安全通行的地貌图像；B、将巡检机器人放置在步骤A确定的巡检路径的起始端，向第一个土壤检测点开始巡检时，工控机通过GPS信号接收机实时接收巡检机器人的GPS坐标，然后与预先设定巡检路径进行比对，工...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨春雨，汪芸，赵建国，沈乐萍，刘金浩，王众，周林娜，陈黎明，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32