一种巷道瓦斯智能监测设备及方法技术

本发明专利技术提供一种巷道瓦斯智能监测设备及方法，所述设备包括瓦斯传感器、云桥串口转换器、服务器、控制器、激光雷达、IMU模块、通讯模块、电机驱动模块、电机、履带式行走机构；根据采集到的点云数据利用SLAM算法生成巷道的地图，根据采集到的瓦斯浓度数据构建LSTM模型并进行训练，通过构建瓦斯浓度的预测模型实现瓦斯浓度的长短周期预测，通过生成巷道地图可以实现设备自动规划路径，实现井下无GPS设备自主导航及建图功能，井下瓦斯智能采集、云端智能存储及智能分析预测；为深部煤矿安全、绿色、高效开采提供保障。高效开采提供保障。高效开采提供保障。

【技术实现步骤摘要】
一种巷道瓦斯智能监测设备及方法


[0001]本专利技术属于矿山智能安全监测
，具体涉及一种巷道瓦斯云端智能监测设备及方法。

技术介绍

[0002]我国“贫油、少气、相对富煤”，在我国的基础能源中煤炭仍然占有很大比重。随着矿井开采深度增加，目前的生产矿井中，有50％以上为煤与瓦斯突出和高瓦斯矿井，其在生产过程中易发生煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸和瓦斯浓度超限等高复杂、大破坏、低预见的安全事故，是煤矿生产中亟待解决的重大安全问题。工作面及巷道中的瓦斯造成的主要危害是瓦斯爆炸，瓦斯爆炸所产生的高压和高温气流会沿着已有巷道快速蔓延，进而会产生威力巨大的爆炸冲击波严重摧毁巷道的内部设施，紧接着在巷道内积聚已久的煤尘被扬起然后发生连环爆炸。井下作业人员会受到爆炸后产生的有毒有害气体和爆炸冲击波的伤害发生窒息和伤亡。在较大的地应力、瓦斯压力作用于煤与瓦斯突出矿井时，瓦斯与破碎煤体结合后会出现突出现象，突出的煤流会使通风系统破坏，同时，大量的煤尘和瓦斯会被带入周围巷道，从而造成井下作业人员窒息和死亡。矿井瓦斯事故是我国煤矿安全生产的主要灾害事故之一，瓦斯事故频繁发生，不仅给煤炭企业造成巨大的经济损失，而且严重威胁煤矿工人的生命安全，瓦斯治理(特别是煤与瓦斯突出灾害治理)已成为煤矿保障矿井安全、提高生产效率的重点和难点。
[0003]矿井瓦斯浓度监测对瓦斯灾害防治尤其重要，传统监测主要依靠人工布置大量测点，对每个测点进行多次测量，现场施工工序繁琐，监测工作量增大，数据处理时间长精确度较低，并且现有的监测设备成本较高、抗干扰能力差、操作繁琐、技术要求高、测量数据少等局限性，基于上述情况，迫切需要一种更好的巷道瓦斯云端智能监测设备，以达到精确快速智能高效的监测巷道瓦斯浓度目的。

技术实现思路

[0004]基于上述问题，本专利技术提出一种巷道瓦斯智能监测设备，包括：瓦斯传感器、云桥串口转换器、服务器、控制器、激光雷达、IMU模块、通讯模块、电机驱动模块、电机、履带式行走机构；服务器通过通讯模块与控制器无线连接，瓦斯传感器与云桥串口转换器电连接，云桥串口转换器与控制器电连接，激光雷达、电机驱动模块分别与控制器电连接，IMU模块、电机分别与电机驱动模块电连接，通过电机驱动履带式行走机构动作。
[0005]所述瓦斯传感器用于采集巷道内的瓦斯浓度，并传输至控制器；
[0006]所述激光雷达用于采集设备在行走过程中周围环境的点云数据，并传输至控制器；
[0007]所述IMU模块用于采集设备在行走过程中的加速度、角速度信号，并传输至电机驱动模块；
[0008]所述电机驱动模块用于控制电机驱动履带式行走机构动作，还用于将接收到的加
速度、角速度信号传输至控制器；
[0009]所述控制器用于将接收到的信号传输至服务器；
[0010]所述通讯模块用于发送WiFi信号或以太网信号；
[0011]所述服务器用于根据训练后的LSTM模型预测瓦斯浓度值，根据生成的巷道地图规划行走路线。
[0012]所述履带式行走机构包括皮带、齿轮、金属底盘；设备上安装有防爆外壳，位于机构一侧的金属底盘固定在防爆外壳底部，通过电机带动主动齿轮旋转，主动齿轮带动四个从动齿轮旋转，齿轮、皮带通过啮合方式传动；
[0013]瓦斯传感器、云桥串口转换器分别安装在由防爆外壳组成的腔体内部的中间隔板上，激光雷达安装在防爆外壳的顶部，IMU模块、通讯模块、电机驱动模块分别安装在防爆外壳底部。
[0014]进一步地，为了采集设备行进过程中的视频信息，在防爆外壳的顶部还安装有摄像头，摄像头与服务器无线连接，服务器上安装有RViz软件，通过RViz软件控制摄像头的开关，当控制摄像头打开时，摄像头实时采集巷道内的视频信息，并上传到服务器进行可视化显示。
[0015]一种采用所述的巷道瓦斯智能监测设备的瓦斯浓度监控方法，包括：
[0016]步骤1：通过服务器中安装的RViz软件控制所述监控设备在待监测巷道中行走，通过激光雷达实时采集巷道周围环境的点云数据，通过瓦斯传感器实时采集巷道内的瓦斯浓度数据，通过IMU模块实时采集行进过程中的角速度、加速度信息；
[0017]步骤2：根据采集到的点云数据利用SLAM算法生成巷道的地图；
[0018]步骤3：构建LSTM模型并利用采集到的瓦斯浓度数据进行训练；
[0019]步骤4：设置行走的起点、终点后，根据生成的巷道地图采集巷道内的瓦斯浓度值，利用训练后的LSTM模型输出预测的瓦斯浓度。
[0020]所述步骤3包括：
[0021]步骤3.1：将采集到的瓦斯浓度数据进行滤波处理，将滤波处理后的瓦斯浓度数据作为样本数据集；
[0022]步骤3.2：构建LSTM模型，利用样本数据集对LSTM模型进行训练，得到训练后的LSTM模型；
[0023]步骤3.3：利用训练后的LSTM模型输出不同预测周期内的瓦斯浓度值。
[0024]本专利技术的有益效果是：
[0025]本专利技术提出了一种巷道瓦斯智能监测设备及方法，通过构建瓦斯浓度的预存模型实现了瓦斯浓度的长短周期预测，通过生成巷道地图可以实现设备自动规划路径，实现井下无GPS设备自主导航及建图功能，井下瓦斯智能采集、云端智能存储及智能分析预测；为深部煤矿安全、绿色、高效开采提供保障。
附图说明
[0026]图1为本专利技术中巷道瓦斯智能监测设备的系统框图；
[0027]图2为本专利技术中采用巷道瓦斯智能监测设备的瓦斯浓度监控方法流程图；
[0028]图3为本专利技术中巷道瓦斯云端智能监测设备设备的结构左视图；
[0029]图4为本专利技术中巷道瓦斯云端智能监测设备设备的结构前视图；
[0030]图5为本专利技术中巷道瓦斯云端智能监测设备设备的结构俯视图；
[0031]图6为本专利技术中巷道瓦斯智能监测设备的控制原理图；其中，(a)为构建巷道地图的原理图，(b)为瓦斯浓度的采集原理图；
[0032]图7为本专利技术中LSTM(Long Short
‑
Term Memory)模型的构建原理图；
[0033]图8为本专利技术中巷道瓦斯智能监测设备的电气接线图；
[0034]图中，1、设备底面板；2、设备前侧面板；3、设备后侧面板；4、设备顶面板；5、防爆外壳；6、设备中间隔板；7、螺栓I；8、螺栓II；9、驱动面板；10、金属底盘；11、电机；12、惯性测量单元(IMU模块)；13、金属齿轮；14、五边形履带；15、数据传输线；16、供电线；17、电池；18、激光雷达；19、双目摄像头；20、螺栓III；21、树莓派4B控制面板；22、瓦斯传感器；23、云桥串口转换器；24、地面遥控站；25、通讯模块(WiFi/以太网)。
具体实施方式
[0035]下面结合附图和具体实施实例对专利技术做进一步说明。
[0036]如图1所示，一种巷道瓦斯智能监测设备，包括：瓦斯传感器、云桥串口转换器、服务器、控制器、激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种巷道瓦斯智能监测设备，其特征在于，包括：瓦斯传感器、云桥串口转换器、服务器、控制器、激光雷达、IMU模块、通讯模块、电机驱动模块、电机、履带式行走机构；服务器通过通讯模块与控制器无线连接，瓦斯传感器与云桥串口转换器电连接，云桥串口转换器与控制器电连接，激光雷达、电机驱动模块分别与控制器电连接，IMU模块、电机分别与电机驱动模块电连接，通过电机驱动履带式行走机构动作。2.根据权利要求1所述的一种巷道瓦斯智能监测设备，其特征在于，所述瓦斯传感器用于采集巷道内的瓦斯浓度，并传输至控制器；所述激光雷达用于采集设备在行走过程中周围环境的点云数据，并传输至控制器；所述IMU模块用于采集设备在行走过程中的加速度、角速度信号，并传输至电机驱动模块；所述电机驱动模块用于控制电机驱动履带式行走机构动作，还用于将接收到的加速度、角速度信号传输至控制器；所述控制器用于将接收到的信号传输至服务器；所述通讯模块用于发送WiFi信号或以太网信号；所述服务器用于根据训练后的LSTM模型预测瓦斯浓度值，根据生成的巷道地图规划行走路线。3.根据权利要求2所述的一种巷道瓦斯智能监测设备，其特征在于，所述履带式行走机构包括皮带、齿轮、金属底盘；设备上安装有防爆外壳，位于机构一侧的金属底盘固定在防爆外壳底部，通过电机带动主动齿轮旋转，主动齿轮带动四个从动齿轮旋转，齿轮、皮带通过啮合方式传动；瓦斯传感器、云桥串口转换器分别安装在由防爆外壳组成的腔体内部的中间隔板上，激光雷达安装在防爆外壳的顶部，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李胜，贾策，范超军，汤进宝，杨振华，徐令金，普梓昂，赖鑫峰，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：