煤矿井下水泵房巡检机器人SLAM建图、自主导航方法技术

本发明专利技术属于矿井下导航技术领域，公开了一种煤矿井下水泵房巡检机器人SLAM建图、自主导航方法，包括建立基于Kinect机器视觉的地形感知系统，识别巡检机器人行进方向上的障碍物；建立崎岖地面路径长度以及机器人通过路面时危险等级为指标的运动规划模型，规划最短路径；采用迭代最小二乘方法对里程计进行标定，同时使用图优化的方式在机器人的位姿、自然特征以及人工特征之间建立约束，对地图进行全局优化，得到全局一致性的地图；通过SLAM建图和导航算法利用煤矿井下巡检机器人对水泵房设备进行巡检。本发明专利技术能够实现煤矿井下巡检机器人在无人控制，无轨道、线缆和GPS辅助的情况下对水泵房设备进行巡检工作。对水泵房设备进行巡检工作。对水泵房设备进行巡检工作。

【技术实现步骤摘要】
煤矿井下水泵房巡检机器人SLAM建图、自主导航方法


[0001]本专利技术属于矿井下导航
，尤其涉及一种煤矿井下水泵房巡检机器人SLAM建图、自主导航方法。

技术介绍

[0002]目前，目前，我国煤炭资源丰富，煤炭仍是我国主要能源。近年来，煤炭行业先后提出机械化换人、智能化无人等理念。2019年1月，国家煤矿安监局发布《煤矿机器人重点研发目录》，公布了煤炭企业、科研机构、制造企业重点研发应用的5类38种煤矿机器人，其中巡检机器人是安控类机器人的一种。
[0003]近年来，国家加大力度整治和规范煤矿的本质安全型管理，同时极力推进煤矿企业向“数字化、无人化”方向发展。任何行业，设备的巡检工作一般都依靠人工完成，不仅消耗大量的人力资源，工作流程也较为繁琐，特别是高危行业，巡检过程中可能存在风险，人员工作环境也会比较恶劣。煤矿井下主排水系统是煤炭生产中不可缺少的重要设备，其运行状况的好坏直接影响着矿山的正常生产和工人的生命安全，为保证水泵的正常运行，巡检人员要定期查看设备的运行情况，例如水泵盘根、水仓状况、电机以及水泵是否存在异常等情况。一般一个水泵房需要几个人来看管、操作，工作效率低。
[0004]随着科学技术的进步，在电力和石化行业中，轮式的巡检机器人、履带式巡检机器人或是轨道式的吊挂巡检机器人已经有了众多应用案例，移动机器人在巡检过程中对被检设备有很强的针对性巡检，工作质量甚至比人还要专业。
[0005]煤矿灾害频发，危害严重，风险较大，下井人员密集，危险岗位多，研发应用煤矿水泵房巡检机器人可代替巡检工人进行设备及环境巡检，能够有效的减轻工作人员的劳动强度，降低巡检过程中存在的安全隐患，提升巡检质量的同时，最大限度的提升煤矿企业的本质安全水平。对推动煤炭开采技术革命，实现煤炭工业高质量发展，推动煤矿智能化进程，国家能源安全供应具有重要意义。
[0006]国内外专家从机器人的应用环境出发，将机器人分为两大类，制造环境下的工业机器人和非制造环境下的特种机器人。国内外特种机器人的研发主要集中在探险救灾、军事防爆、侦察探测等领域。煤矿特殊工作环境以及高标准的移动、通讯、防爆性能要求，实现矿井内部特定功能的特种移动机器人的研发进程较缓慢。
[0007](1)煤矿探测型机器人
[0008]上世纪90年代，澳大利亚联邦科工组织(CSIRO)就设计了煤矿探测型机器人Numbat，测井下气体环境是这个机器人的主要工作。它通过可见光与红外图像传感器，传输井下信息回地面，将井下最新状态告知救援队员，以便救援方案的制定。这个机器人的动力来源是一个140Ah的镍镉电池，行走依赖于两侧分别装配的750W电机组成的差速八轮结构，其尺寸为2.5
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1.65m，速度最快可达每小时两千米，且有着8小时的续航能力。
[0009]Groundhog煤矿探测型机器人是美国卡耐基梅隆大学机器人研究所研制，这个机器人主要用于井下环境探测和井下三维地图绘制，搭载激光传感器、夜视摄像头、体感传感
器和陀螺仪等。由液压驱动，四轮差速运转，带有原地转向功能。Thrun等人在2003年5月30日用其探测了宾夕法尼亚考特尼县的马蒂斯矿的主巷道，并完成三维构图。
[0010]2005年，中国矿业大学救援与装备研究所成功研发出我国第一台煤矿探测型机器人CUMT
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I，该机器人可以探测灾后现场的环境，搭配危险气体传感器，低照明度摄像机和双向语音对讲系统，以遥控方式受控，且能随机装载各类救灾物资(药物、实物或救援工具)，是救援队灾后搜救好帮手。
[0011]2007年，哈尔滨工业大学机器人研究所与唐山开诚电器有限公司共同研发了煤矿探测型机器人，这个机器人能探测灾后现场的环境，搭配危险气体传感器、低照明度摄像机和双向语音对讲系统。其行走方式为履带式，履带分为驱动、摆臂、摆腿三个部分。支持遥控操作，通过遥感和控制按键来实现。
[0012](2)煤矿救援机器人
[0013]Ratler煤矿救援机器人由美国劳工部矿山安全与卫生管理局(MSHA)和桑迪亚智能系统与机器人中心(ISRC)共同研发，主要用于灾后勘察，搭载了红外摄像机、陀螺仪和危险气体传感器，且可通过无线射频装置进行最大距离76 米的遥控。在1998年12月发生的Willow Greek煤矿火灾救援中对这个机器人做适用性实验表明，其远不能达到煤矿业对救援机器人的标准。
[0014]第二代移动煤矿救灾机器人平台Cave Crawler由卡耐基梅隆大学机器人研究所设计，该机器人内部使用了与“勇气号”火星探测车相似的齿轮差动机构，摇杆式左右轮移动系统，且左右摇杆与机器人主体通过差动机构连接，从而线性平均了两摇杆的摆角，进一步转化为机器人车身的摆角，从而为机器人主体保持平衡。某边车轮抬起时，整车的摆动幅度仅为车轮抬起幅度的一半，从而削弱了地形起伏对机器人运动的阻碍。此外，这样的设计均匀地将车体重量分配到机器人的各个车轮上，且车轮可根据地形调整其相对位置，使机器人运动更平稳、不易颠覆，有更强的越障能力。
[0015](3)煤矿巡检机器人
[0016]现有技术1主要研究了井下巷道悬线巡检机器人的机械本体，在对悬线巡检机器人的本体结构、自主运动和巡检过程控制要求进行细致分析的基础上深入研究了巡检机器人的控制系统。
[0017]现有技术2设计了一种能够自主延长通信距离并且自动回撤的煤矿探测机器人，以打破煤矿井下探测机器人收到工作行程的限制。在检测到无线控制信号削弱时，机器人搭载的中继器弹射系统能够运作以延长无线通信距离。若无线信号终止，机器人变回启动回撤程序，按照运行记录的传感器数据，通过原路径回撤，从而回到通信顺畅的安全位置。机器人运用编码器和激光传感器数据集成的方法来实现回撤程序，且依赖ICP算法来双重匹配数据，修正机器人的坐标和朝向，达到足够的回撤精度。从实验结果看，这个机器人的鲜明特点是有着较长的工作行程和回撤能力，这意味着它能够在煤矿灾难现场安全性未知时，替代救援人员深入矿井，完成危险探测的初期工作。
[0018]现有技术3设计了一种能摆脱井下巷道复杂环境和人员设备分布影响的煤矿巷道悬线巡检机器人，以解决现有煤矿巷道轮式或履带式机器人所具有的结构和控制复杂、可靠性低、成本高、占用空间多的问题。他们着重描述了这个机器人的机构设计，并在Adams软件里建立虚拟样机的模型进行仿真分析，以评估其水平行走、上下坡途中三种运动状态下
越过障碍物的能力。其结果显示该机器人在如上三种运动状态下都相对平稳，特别是在水平方向上机器人始终保持匀速直线运动，而在竖直和水平侧摆方向上会产生允许范围以内的波动。
[0019]现有技术4为解决井下皮带运输机的巡检、监控问题，设计了轨道式无人巡检装置，描述了该机器人的整体设计方案，能力特性以及软件。硬件开发途径。对煤矿井下皮带运输机、刮板运输机等大型设备的检查都可以通过这个巡检机器人来完成，真正从根本上做到无人值守，为巡检人员减负，在最大程度上提升了煤矿的安全管本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下水泵房巡检机器人SLAM建图、自主导航方法，其特征在于，所述煤矿井下水泵房巡检机器人SLAM建图、自主导航方法包括：建立基于Kinect机器视觉的地形感知系统，识别巡检机器人行进方向上的障碍物；建立崎岖地面路径长度以及机器人通过路面时危险等级为指标的运动规划模型，规划起点与终点的最短路径；采用迭代最小二乘方法对里程计进行标定，同时使用图优化的方式在机器人的位姿、自然特征以及人工特征之间建立约束，对地图进行全局优化，得到全局一致性的地图；通过SLAM建图和导航算法利用煤矿井下巡检机器人在无人控制，无轨道、线缆和GPS辅助的情况下对水泵房设备进行巡检。2.如权利要求1所述煤矿井下水泵房巡检机器人SLAM建图、自主导航方法，其特征在于，所述煤矿井下水泵房巡检机器人SLAM建图、自主导航方法还包括：进行水泵房巡检机器人平台运动学和动力学分析，进行地形感知，并对激光雷达数据的预处理，进行SLAM建图和导航算法的优化。3.如权利要求2所述煤矿井下水泵房巡检机器人SLAM建图、自主导航方法，其特征在于，所述进行水泵房巡检机器人平台运动学和动力学分析包括：根据水泵房巡检机器人的主要技术指标和参数，设计轮式煤矿水泵房巡检机器人平台，对机器人平台模型建立运动学模型以及动力学模型并进行运动学和动力学分析。4.如权利要求2所述煤矿井下水泵房巡检机器人SLAM建图、自主导航方法，其特征在于，所述进行地形感知包括：利用Kinect深度相机得到有关地形参数的数据信息，进行路面危险等级的自动识别；将计算得到的地形信息作为机器人的路径规划...

【专利技术属性】
技术研发人员：游青山，寇子明，陈婧，秦江涛，金书奎，
申请(专利权)人：重庆工程职业技术学院，
类型：发明
国别省市：