矿区安全巡检机器人设计.pdf

矿区安全巡检机器人设计席浩哲(天津理工大学海运学院天津)摘 要:矿区安全一直是各界关注的焦点构建完善的安全监测体系是解决安全问题的关键 本文设计了一款具有自动监测及自主导航功能的矿区安全巡检机器人 该机器人利用激光雷达识别周围环境利用气体传感器和深度相机监测周围环境中瓦斯浓度及火情并通过 算法和 算法完成路径规划关键词:巡检机器人自主导航安全检测中图分类号:文献标识码:文章编号:()前言随着国民经济发展各行各业对能源的需求日益增大煤炭作为一种稳定、易存储的能源具有不可替代性煤炭行业的安全生产一直是各界关注的焦点各种重特大伤亡事故给从业人员及其家庭带来了巨大灾难 在这些事故中矿区的火情和瓦斯爆炸占据绝大多数因此加强对矿区的安全监测具有重要意义目前各煤炭企业在生产过程中或多或少存在监测设施落后、监测存在死角、管理手段落后等问题因此构建完善且高效率的巡检方式是解决这一问题的关键矿区安全巡检机器人是将巡检机器人与矿区安全生产相结合的一种有效尝试 该机器人利用自主导航功能对矿区进行巡检可以到达矿区任意区域利用机器人携带的传感器采集环境中的不安全因素及时发现安全隐患 巡检机器人总体设计.巡检机器人整体机械框架结构设计巡检机器人的整体设计主要包括五大部分:底盘运动系统、机器人中控系统、机器人自主导航感知系统、机器人巡检信息采集系统和交互系统巡检机器人的底盘主要设计有两种一种是履带式底盘一种是独立悬挂式底盘履带式底盘如图 所示比较适合路况不平坦的矿区独立悬挂式底盘如图 所示适合于路况较好但是有上下坡的矿区底盘系统的控制芯片采取 电机驱动采取 大电流驱动模块电机选用 行星减速电机利用 编码器构建底盘里程计 构建 底盘中的里程计和 实时采集机器人的位姿图 履带式巡检机器人底盘图 独立悬挂巡检机器人底盘 通过串口接受来自于机器人中控系统的速度指令并利用 和 算法控制小车的运动采用工控机构建立巡检机器人的中控系统 选用倍控为 的工控机内置 环境并搭载 系统 机器人中控采用传统的 算法实现小车的实时定位与环境建图采用 算法实现全局路径的规划 算法实现小车的局部路径规划完成小车的自主导航机器人自主导航感知系统用来完成对机器人所在空间的建图 目前完成建图的设备主要有两种一种是激光雷达一种是摄像头 为了应对不同的场景巡检机器人采取两种设备融合的方式第一种感知设备是激光雷达选用镭神智能的 激光雷达该雷达在水平面上的扫描范围为在竖直方向上的扫描角度为 每一个激光发射器的发射角度差为 水平方向以上有 线发射器向上发射激光束以下有 线发射器向下发射激光束如图 所示图 镭神智能的 激光雷达第二种感知设备是奥比中光深度相机如图 所示 相机包括一个 摄像头、一个红外投影仪、一个 摄像头 深度相机除可以获取 图像之外还可以获取图像的深度信息和距离信息图 奥比中光深度相机.巡检机器人各部分数据设计巡检机器人底盘中的 利用 口采集来自于编码器和 的数据 这些数据在 内转换为机器人的里程计和 的数据然后再通过串口上传到中控机形成机器人的位姿信息将 向中控机上传的数据设计为 位第 位为帧头固定值 第 位是运动状态识别位 表示机器人在运动 表示机器人静止第 位是机器人 轴、轴及 轴的速度第 位是机器人的加速度第 位是机器人的角速度第 位为机器人的底盘电压信息第 位为数据校验位第 位为帧尾采用固定值 如表、表 所示表 底盘向中控发送数据第 位数据内容帧头(固定值)机器人 轴速度机器人 轴速度机器人 轴速度加速度计 轴加速度加速度计 轴加速度数据类型占用字节数组号表 底盘向中控发送数据第 位数据内容加速度计 轴加速度加速度计 轴加速度加速度计 轴加速度加速度计 轴加速度电池电压数据校验位帧尾(固定值)数据类型占用字节数组号 中控通过串口向底盘 发送数据一共为 位 第 位为帧头固定值 第 位是预留位第 位是机器人 轴、轴及 轴的目标速度第 位为数据校验位第 位为帧尾采用固定值 机器人底盘 在接收了中控发来的速度信息之后利用 算法生成底盘的实际运行速度再通过 算法驱动电机进行运转实现机器人的移动如表 所示表 中控向底盘发送数据数据内容帧头(固定值)预留位预留位机器人 轴目标速度机器人 轴目标速度机器人 轴目标速度数据校验位帧尾(固定值)数据类型占用字节数组号 激光雷达通过/协议与中控进行数据传输发送和接收的是与相应障碍物的距离和角度信息最终在中控中形成如图 所示的 地图图 激光雷达形成的地图深度相机与中控通过 线进行数据传输 在本项目中主要用来采集与识别相关应用.井下环境采集模块设计井下环境复杂造成安全隐患的主要是瓦斯浓度超标和自发火情井下环境的采集模块主要由两部分组成一部分是 型的可燃气体传感器模块另一部分是利用深度相机对环境进行火情信息的识别图 型可燃气体传感器模块 如图 所示为可燃性气体传感器在一定空间内可以有效检测瓦斯、一氧化碳、甲烷、二氧化硫等气体浓度 该传感器具有五个引脚分别是、是模拟量的输出 和 是串口的接收端和发射端将该模块的 引脚直接连接 在 底 盘 的 口 上 可 以 利 用实时采集瓦斯浓度并通过 的串口上传到中控系统矿下火情的识别主要依靠深度相机 将深度相机所采集的深度图像利用 构建火焰识别模型完成火焰的实时识别体系 矿区安全巡检机器人自主导航系统设计巡检机器人最主要的功能是巡检巡检的本质是多点的自主导航 本项目使用的机器人自主导航功能通过 系统自带的 包实现 图 所示为 包的基本结构图 包在 包中 是自适应蒙特卡罗定位模块 接收来自激光雷达、里程计、以及地图信息采用粒子滤波算法推演出机器人当前在地图中位姿信息并将这些信息输入 模块中在 模块中完成机器人的全局路径规划和局部路径规划 机器人的全局路径规划由 模块完成 模块接收来自 模块的位姿信息及设定好的目标点借助全局代价地图与全局路径规划的算法生成一条从起始点到目标点的最优路径并输出到 模块中能够完成全局路径规划的算法有很多启发式搜索算法算法是应用最广泛的一种 算法常用于在图形中找到最短路径综合了 算法和贪婪最佳优先搜索算法的优点具有高效性和可靠性算法利用 法实现起始点到目标点路径的规划其中 指当前点的 个邻域点 指两个列表存储节点的列表 列表和 列表 指一个估价函数算法通过利用估价函数预测 个邻域点到目标点的距离并把这 个点中未搜索的点存入 列表把已经搜索过的点存入 列表最后将代价值最小的那条路作为最优路径算法的优点是能够快速找到最短路径在较大的搜索空间中能取得较高效率 但其有两个缺点一是需要事先知道目标节点的位置二是无法在空间中实时躲避障碍物全局路径规划输出的结果是一个数组或者列表其内存放一系列的节点全部节点构成了一条从起始点至目标点的最短路径把这条路径作为局部路径规划输入 模块中的 模块完成的是局部路径规划 该模块接收来自 的全局路径输出以及局部代价地图利用局部路径规划算法形成机器人底盘有效速度的输出常用的局部路径规划有很多例如 算法、人工势场法、算法等 在本项目中使用的是 算法 算法是一种基于动态窗口的路径规划算法主要思想是利用一个动态的窗口形成对机器人底盘速度与加速度的有效限制并在该限制范围内模拟一系列机器人的运动轨迹通过评分函数评价这些轨迹选取最优的轨迹作为机器人的实际运动轨迹 算法是局部规划算法中最常用的一种算法优点是可以有效解决全局路径规划中不能实现动态避障的问题缺点是在狭窄的环境中可能会出现局部最优解机器人难以脱离这个局部最优解机器人通过局部规划算法可以有效实现自主导航 结语本项目完成了矿区安全巡检机器人的设计 机器人具备基于 系统的自主导航功能利用 算法和 算法完成机器人在一定空间内的路径规划 同时利用激光雷达提取周围的地形、障碍物等信息利用深度相机和气体检测传感器构建井下有害气体浓度、火灾等的监测功能使机器人具备矿区安全监测的能力参考文献:王鹏飞.基于 的多传感器信息融合自主导航控制系统设计与实现.南京邮电大学.徐颖蕾.基于多传感器融合的服务机器人室内导航系统研究.中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院).彭澎.基于 算法的路径规划算法研究.安徽工业大学.作者简介:席浩哲()男 天津人 本科 研究方向:电子电气