矿井下自主导航瓦斯检测机器人的设计.pdf

矿井下自主导航瓦斯检测机器人的设计王雯婷康洪波(河北建筑工程学院信息工程学院河北 张家口)摘 要:安全问题一直是煤矿采集工作的重中之重瓦斯爆炸往往会造成大规模的人员伤亡和采集设备损失 本文设计一种可以检测瓦斯浓度的自主导航智能小车 面对矿井的复杂地形智能小车可以自主导航移动 当井下的瓦斯浓度超出正常范围时智能车会发出警报关键词:检测瓦斯浓度自主导航中图分类号:文献标识码:文章编号:()井下安全状态分析随着国家发展对能源的需求日益增加煤矿采集安全问题备受关注 瓦斯爆炸是煤矿采集中灾害性最强的事故是煤矿的第一大“杀手”矿井发生瓦斯爆炸是因为符合瓦斯爆炸的基本条件即特定浓度的瓦斯、高温火源和充足氧气 通常瓦斯爆炸发生时矿井空间有限氧气浓度不高导致产生不完全的化学反应产生大量有毒的一氧化碳气体造成人员伤亡 瓦斯爆炸发生时会产生冲击波使矿井顶板塌落造成设备和人员损失 瓦斯爆炸后果严重所以预防瓦斯爆炸刻不容缓 针对瓦斯爆炸问题本文设计了一种可以检测瓦斯浓度的自主导航智能小车 该小车可以适应井下的复杂地形当瓦斯浓度超出正常范围时智能车会发出警报提醒井下工作人员 该小车阻断了一个瓦斯爆炸基本条件即一定浓度的瓦斯可以有效避免瓦斯爆炸避免造成人员伤亡和设备损失 井下智能小车的总体设计本文预设计一辆可以在井下检测瓦斯浓度自主移动智能小车 小车的道路检测通过激光雷达检测环境信息并将环境数据交给上层处理模块处理瓦斯浓度通过瓦斯传感器模块检测并将浓度数据传递给上层处理模块 当瓦斯浓度超标时小车会启动警报器示警根据上述预期设计目标的功能需求可以得知本文研究的井下检测瓦斯浓度自主移动智能小车系统包含瓦斯检测模块、环境感知、运动控制、路径规划这四个部分功能模块.硬件部分上述模块功能离不开硬件 环境感知功能模块通过激光雷达感知小车周围环境路径规划功能模块通过工控机计算出最佳路径运动控制功能模块通过电机、姿态传感器、舵机、单片机等控制小车运动瓦斯检测模块通过光干涉甲烷检测仪检测井下的瓦斯浓度.激光雷达激光雷达相当于机器人的眼睛能知道小车与障碍物的距离和方向 本文采用思岚 型号的激光雷达利用可见光和近红外光发射信号经过障碍物反射后被接收系统接收通过测量反射光运行时间确定障碍物的距离.姿态传感器姿态传感器()用来检测物体姿态即物体的方向和位置 本文使用 作为姿态传感器 理论上用陀螺仪就可以完成姿态导航即对三个轴的陀螺仪角度积分得到三个方向智能车旋转的姿态数据 但陀螺仪受环境影响测量的姿态数据不够准确故需要使用加速度计、磁力计辅助测量.光干涉甲烷检测仪本文采用光干涉甲烷检测仪检测井下空气中的瓦斯浓度 光干涉甲烷检测仪根据光干涉原理迅速、准确地测定矿井中的甲烷气体、二氧化碳气体等浓度光干涉甲烷检测仪具有测量准确、操作简单、使用方便等优点非常适用于井下的复杂环境.电机霍尔编码器通过霍尔元件感应霍尔码盘的转动输出脉冲信号 直流电机将脉冲信号传递给 单片机使 单片机了解电机转动情况即小车速度 单片机会将小车速度数据传递给工控机工控机会结合当前小车速度和目标速度发送控制信号 单片机接收到工控机发送的控制信号后给电机驱动 传递控制信号直流电机识别经过电机驱动 放大的控制信号从而发生转动.功能模块本文分为四个功能模块:环境感知模块、路径规划模块、运动控制模块和瓦斯浓度检测模块 如图 所示图 功能模块小车通过环境感知功能模块采集外界环境信息并反馈给工控机工控机结合激光雷达获取的环境信息数据和 数据建立二维栅格地图 环境感知模块分为两部分分别是局部环境感知模块和全局环境感知模块 在全局环境感知模块中通过键盘控制小车移动在小车移动过程中通过激光雷达扫描小车周围环境数据令小车移动到每个地方以便工控机搭建全局地图在局部环境感知模块中小车一边移动一边使用激光雷达检测周围环境实时更新局部环境地图在环境感知模块的基础上得到小车所处环境信息路径规划功能模块根据小车所处的环境信息为小车规划路径 本文通过 系统定位小车在二维地图上的位置得到小车的起始点坐标通过用户自定义得到小车的目标点坐标 环境感知模块分为全局环境感知模块和局部环境感知模块所以路径规划功能模块分为全局路径规划模块和局部路径规划模块 在全局环境感知模块的基础上得到小车所处环境的全局地图 全局路径规划模块通过 算法为小车规划出一条全局路径 在局部环境感知模块的基础上实时得到小车周围环境信息 局部路径规划模块通过改进的 算法优化了小车的全局路径实现了小车的实时避障经过环境感知功能模块和路径规划功能模块的处理小车按照路径规划功能模块计算下的路径移动控制小车移动需要运动控制功能模块发挥作用 工控机发送目标速度和目标方向 单片机负责接收目标数据再由 单片机控制电机和舵机实现目标速度和目标方向本文设计的小车致力于实现矿井下的瓦斯浓度检测所以瓦斯检测模块至关重要 在瓦斯检测功能模块中瓦斯检测传感器检测瓦斯浓度并交由工控机处理 工控机会判断瓦斯浓度是否超出正常值若瓦斯浓度超标工控机会启动蜂鸣程序发出蜂鸣警报 井下智能车避障算法设计针对路径规划问题本文通过 系统定位智能车在二维地图上的位置得到智能车的起始点坐标通过 算法进行全局路径规划得出全局路径通过改进的 算法进行局部路径规划即改进全局路径实现小车的自主导航.系统 是智能小车在二维环境下的概率定位系统 会接收激光雷达数据、里程计数据以及全局地图输出小车在地图中的位姿 假设在理想状态下(即里程计没有误差)可以通过里程计信息推算小车在地图中的位置 但实际上里程计存在漂移等无法忽略的误差 能够减少误差造成的等风险准确定位小车位置 分成运动模型、测量模型和重采样三部分 首先将代表小车位姿的粒子按高斯分布方式分布于全局地图上 中的运动模型接收里程计信息后经过对粒子的旋转、位移、旋转操作估计粒子群的位姿 当测量模型接收激光雷达的测量数据后将测量数据放到相应粒子的位姿下与地图上小车最近障碍物对比 测量数据与地图上小车最近障碍物数据越吻合说明该粒子是小车位姿的可能性越大权重越大 接下来 会舍去权重小的粒子在权重大的粒子周围重新采样 在重采样之前算法会维持粒子群的短期权重和长期权重的平均值若短期估计粒子状态趋近于零小车遇到绑架问题时 会重新采样 而 选用 的采样方式解决了粒子冗余问题可以在粒子群分散分布时增加粒子数量在粒子群集中分布时减少粒子数量.算法 算法的主要目标是求解在全局地图中起始点到目标点的最佳路径 算法的核心是评价函数:()()()()代表从起始点到目标点最小估计路程()代表从起始点到当前节点路程()代表从当前节点到目标点最小估算路程 考虑实际应用对()的计算本文采用曼哈顿距离曼哈顿距离计算公式为()首先设置一些条件:两个数组 和 分别存放待确定路径点和已确定路径点每个点记录各自的父节点以下标表示中心点可以成为 点点周围 的 八 个 点 以 称 呼 接 着 已 经 放 入 的点不走因已经确定路径估算 值时忽略障碍物 本文使用 算法的过程首先以起始点为 点计算周围点的 值周围点的父节点为 将周围点的 值、值和 值以坐标的方式如:(值、值、值)放入 数组中并将起点 以同样方式放入 数组中 然后进入循环:从 数组中取出 值最小的点作为中心点将中心点放入 数组中并计算中心点周围八个点的 值 若中心点周围八个点中的某点已存在 中取 值最小的方案 直至找到目标点跳出循环通过父节点反推提取路径.改进的 算法 算法是局部路径规划算法在经历全局路径规划后可以得到一条全局路径 算法就是对全局路径进行优化 算法是在全局路径中以固定时间间隔插入 个状态点(状态点就是小车的姿态每个状态点都包括小车的坐标、航向等信息)让全局路径成为一个可以变形的“橡皮筋”然后给状态点施加约束条件而约束条件就相当于橡皮筋的外力给橡皮筋施加外力后橡皮筋会变形即全局路径发生变形传统的 算法实现了部分未知环境条件下实时避障功能但在应用中仍存在智能小车运动速度过快导致与障碍物发生碰撞的问题 针对该问题本文提出优化后的 算法增加约束条件 本文采用分级策略将障碍物与智能小车的距离分成三级:安全区域(智能小车与障碍物有一定距离)、相对碰撞区域(智能小车与障碍物很近可能会发生碰撞)、绝对碰撞区域(智能小车与障碍物一定能发生碰撞)当改进的 算法进行实时避障时会优先判断智能小车与障碍物是否处于安全区域 若处于安全区域小车继续行驶若处于相对碰撞区域小车会降低速度缓慢运行若处于绝对碰撞区域小车停止移动本文使用改进 算法的过程如下:首先 算法获取全局路径在相等时间间隔的条件下插入 个状态点把路径变成一条“橡皮筋”然后加入约束条件给“橡皮筋”施加外力 约束条件包括:施力将轨迹拉回全局路径施力使轨迹远离障碍物控制速度、加速度和转角使轨迹满足机器人的运动学尽可能让小车获得最快路径使小车快速到达目标点使用分级策略判断 接着通过 通用图优化法进行轨迹优化 通用图优化法限制速度与加速度使轨迹满足机器人的运动学使智能小车能够快速、安全地到达目标点 最后生成速度指令向底盘发送速度指令 总结本文设计一种矿井下自主导航检测瓦斯的智能小车实现了环境感知、路径规划、运动控制、瓦斯浓度检测等功能能够在矿井复杂环境下自主导航和检测瓦斯浓度 本文通过 系统对智能小车定位获得智能小车的起始点坐标借助激光雷达和键盘控制智能小车得到全局地图数据和局部地图数据在地图数据的基础上利用 算法和改进的 算法分别从全局路径规划和局部路径规划两个方面解决智能小车的路径规划问题 改进后的 算法降低了智能小车与障碍物碰撞的可能性提升了小车自主导航的效率 在智能小车能够自主导航的基础上使用光干涉甲烷检测仪检测矿井下的瓦斯浓度 拥有自主导航和瓦斯监测功能的智能小车能够检测矿井下各个地方的瓦斯浓度破坏了瓦斯爆炸的条件之一(特定浓度的瓦斯)减少了瓦斯爆炸事故极大程度地减少了人力和设备损失参考文献:黄志芳陈泽锐何梓杰等.基于 的智能交互式平衡小车.电子设计工程():.徐榕键.基于 的室内行人跟踪移动机器人系统研究.电子科技大学.周宝昌林锦胜周旭华等.基于 的室内自主移动机器人设计.电子制作():.吴琳.基于 的运动小车设计.电大理工():.林关成.基于 的智能平衡小车控制系统设计.信息技术():.史星彦关志伟彭涛等.基于 的多功能智能小车设计.装备制造技术():.基金项目:河北建筑工程学院 级研究生 创 新 基 金 项 目()作者简介:王雯婷()女 河南信阳人 研究生在读 研究方向:感知互联与智能计算 康洪波()通讯作者 女 河北张家口人 研究生 教授 研究方向:人工智能