【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于煤礦井下巷道清理與修復(fù)，涉及基于多傳感器融合的巷道清理機(jī)器人自主導(dǎo)航與作業(yè)系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
1、隨著現(xiàn)代工業(yè)和科技的快速發(fā)展，特別是在礦山、隧道等復(fù)雜環(huán)境中，對巷道清理機(jī)器人的需求日益迫切。這些環(huán)境通常具有地形復(fù)雜、空間受限、環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，給巷道清理機(jī)器人的導(dǎo)航和作業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)一種能夠自主導(dǎo)航、精確定位并具備巷道變形檢測功能的機(jī)器人系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。
2、首先，在自主導(dǎo)航方面，機(jī)器人需要能夠準(zhǔn)確獲取自身位置信息，并根據(jù)環(huán)境進(jìn)行路徑規(guī)劃和行走控制。傳統(tǒng)的導(dǎo)航方法往往依賴于單一傳感器，如激光雷達(dá)或視覺傳感器，但在復(fù)雜環(huán)境下，單一傳感器往往難以應(yīng)對各種挑戰(zhàn)，如光照變化、動(dòng)態(tài)障礙物等。因此，融合多種傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多傳感器融合導(dǎo)航，是提高機(jī)器人導(dǎo)航精度和魯棒性的關(guān)鍵。
3、其次，由于傳統(tǒng)巷道修護(hù)設(shè)備依賴人工更換執(zhí)行機(jī)構(gòu)和巷道圍巖清理，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)更換和圍巖修復(fù)精度難以滿足現(xiàn)代化礦井圍巖修復(fù)施工要求，通過分析工作臂各關(guān)節(jié)在位姿實(shí)現(xiàn)中的協(xié)同作業(yè)規(guī)律，研究工作臂各關(guān)節(jié)協(xié)同作用下的位姿精準(zhǔn)調(diào)控及軌跡規(guī)劃技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)工作臂快速更換執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)高精度定位。
4、最后，在巷道變形檢測方面，由于巷道通常處于地下，受到地質(zhì)條件、地下水等多種因素的影響，容易發(fā)生變形和損壞。及時(shí)發(fā)現(xiàn)和評估巷道變形對于預(yù)防安全事故、保障人員安全具有重要意義。傳統(tǒng)的巷道變形檢測方法通常依賴于人工巡檢，不僅效率低下，而且難以覆蓋所有區(qū)域。因此，開發(fā)一種能夠自主進(jìn)行巷道變形檢測的機(jī)器人系統(tǒng)具有重
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本專利技術(shù)的目的在于，提供一種基于多傳感器融合的巷道清理機(jī)器人自主導(dǎo)航與作業(yè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過融合激光雷達(dá)、imu(慣性測量單元)和視覺傳感器等多種傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的自主導(dǎo)航、精確定位和巷道變形檢測等功能。通過各模塊之間的協(xié)同工作，該系統(tǒng)能夠提高機(jī)器人的智能化水平和作業(yè)效率，為礦山、隧道等復(fù)雜環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航和巷道變形檢測提供了新的解決方案。
2、為了解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
3、基于多傳感器融合的巷道清理機(jī)器人自主導(dǎo)航與作業(yè)系統(tǒng)，包括機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)；
4、所述機(jī)械系統(tǒng)包括履帶底盤、機(jī)械臂、大臂轉(zhuǎn)盤；機(jī)械臂通過大臂轉(zhuǎn)盤安裝在履帶底盤上，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂位姿的調(diào)整；機(jī)械臂包括大臂、中臂和小臂，小臂上安裝有屬具轉(zhuǎn)盤，實(shí)現(xiàn)屬具位姿的調(diào)整；基于不同施工工藝需求，通過快換實(shí)現(xiàn)破碎錘、鏟斗和銑挖頭三種屬具的切換，實(shí)現(xiàn)巷道清理施工；
5、所述控制系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分；
6、軟件部分采用分層架構(gòu)，從底層到頂層包括感知層、功能層、業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層：
7、表現(xiàn)層，運(yùn)行在用戶終端，包括用戶交互與管理模塊，用于用戶交互和用戶管理；
8、業(yè)務(wù)層，運(yùn)行在機(jī)器人端，包括任務(wù)規(guī)劃與決策模塊，用于巷道清理任務(wù)規(guī)劃與決策；
9、功能層，運(yùn)行在機(jī)器人端，用于為業(yè)務(wù)層提供相互獨(dú)立的單項(xiàng)功能；該層包括：機(jī)器人自主行走控制模塊、巷道變形檢測模塊、機(jī)械臂屬具更換控制模塊、機(jī)械臂巷道清理控制模塊；
10、感知層，運(yùn)行在機(jī)器人端，用于對機(jī)器人的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為功能層提供必要的感知信息；感知層各模塊之間相互獨(dú)立，包括：紅外人員檢測模塊、激光雷達(dá)建圖定位模塊、機(jī)械臂視覺定位模塊、機(jī)械臂狀態(tài)反饋計(jì)算模塊；
11、硬件部分包括：
12、無線數(shù)據(jù)分站，提供用戶向機(jī)器人端進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)連接的接入點(diǎn)；
13、主控制器，能運(yùn)行任務(wù)規(guī)劃與決策模塊、機(jī)械臂狀態(tài)反饋計(jì)算模塊、機(jī)械臂屬具更換控制模塊、機(jī)械臂巷道清理控制模塊；通過上述模塊與用戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；根據(jù)用戶要求進(jìn)行機(jī)器人的頂層任務(wù)規(guī)劃與決策工作；
14、機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器，能通過電磁閥控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到指定的位置和姿態(tài)；
15、位移傳感器，能測量機(jī)械臂各油缸的位移，用于機(jī)械臂實(shí)時(shí)位姿計(jì)算；
16、壓力傳感器，能測量液壓系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的壓力，用于機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測；
17、履帶底盤驅(qū)動(dòng)器，通過電磁閥控制履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，用于車輛自主行走動(dòng)作的最終執(zhí)行；
18、左/右履帶編碼器，用于測量左右履帶的轉(zhuǎn)速；
19、imu，用于測量車輛的角速度、加速度和傾角，用于與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合建圖；
20、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理器，運(yùn)行激光雷達(dá)建圖定位模塊、機(jī)器人自主行走控制模塊、巷道變形檢測模塊；
21、圖像數(shù)據(jù)處理器，運(yùn)行紅外人員檢測模塊、機(jī)械臂視覺定位模塊；
22、交換機(jī)，用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)；
23、前/后監(jiān)控?cái)z像頭，用于為用戶端提供機(jī)器人周圍環(huán)境中的視頻監(jiān)控信息；
24、前/后紅外攝像頭，用于采集機(jī)器人周圍環(huán)境中的紅外視頻信息，供人員監(jiān)測使用；
25、前/頂/后激光雷達(dá)，用于采集機(jī)器人周圍環(huán)境的3d點(diǎn)云信息，供建圖定位和避障使用；
26、所述動(dòng)力系統(tǒng)包括電機(jī)、電磁起動(dòng)器和液壓泵站。
27、本專利技術(shù)還包括如下技術(shù)特征：
28、具體的，所述紅外人員檢測模塊對紅外相機(jī)采集的紅外視頻信息進(jìn)行處理，檢測出視場內(nèi)的人員方位、寬度和高度信息，該信息用于功能層中機(jī)器人自主行走控制模塊避障過程中對環(huán)境中人員的規(guī)避。
29、具體的，所述激光雷達(dá)建圖定位模塊根據(jù)機(jī)器人搭載的激光雷達(dá)提供的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以及imu提供的加速度和角速度測量值建立工作環(huán)境的稠密3d點(diǎn)云地圖，并確定機(jī)器人相對該地圖的位置和姿態(tài)，該模塊輸出的3d點(diǎn)云地圖和機(jī)器人位姿是機(jī)器人自主行走控制模塊控制機(jī)器人行走的依據(jù)，同時(shí)，3d點(diǎn)云地圖也是巷道變形檢測模塊的輸入。
30、具體的，所述機(jī)械臂視覺定位模塊通過視覺定位方式準(zhǔn)確給出機(jī)械臂相對機(jī)器人屬具倉的位置和姿態(tài)，為機(jī)械臂屬具更換控制模塊提供準(zhǔn)確的位姿信息；
31、所述機(jī)械臂狀態(tài)反饋計(jì)算模塊根據(jù)機(jī)械臂各傳感器的測量數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)械臂各關(guān)節(jié)相對機(jī)器人底盤基準(zhǔn)坐標(biāo)系的位姿信息，計(jì)算結(jié)果同時(shí)傳送到機(jī)械臂巷道清理控制模塊和機(jī)械臂屬具更換控制模塊用于進(jìn)行控制。
32、具體的，所述機(jī)器人自主行走控制模塊根據(jù)激光雷達(dá)提供3d點(diǎn)云地圖信息和機(jī)器人底盤位姿信息、以及任務(wù)規(guī)劃與決策模塊給出的目標(biāo)位姿信息，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位姿，期間根據(jù)紅外人員檢測結(jié)果和激光雷達(dá)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)機(jī)器人自動(dòng)避開環(huán)境中的普通障礙物和行人；如果發(fā)現(xiàn)人員闖入安全區(qū)域，則停止運(yùn)動(dòng)，并發(fā)出警告，待人員退到安全范圍外再繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。
33、具體的，所述巷道變形檢測模塊根據(jù)激光雷達(dá)建圖定位模塊給出的稠密3d點(diǎn)云地圖對規(guī)定區(qū)域內(nèi)的巷道進(jìn)行變形檢測，識(shí)別出待清理位置和待清理量并發(fā)送給任務(wù)規(guī)劃與決策模塊供其進(jìn)行決策。
34、具體的，所述機(jī)械臂屬具更換控制模塊收到任務(wù)規(guī)劃與決策模塊發(fā)的屬具更換命令后，根據(jù)屬具類型，自動(dòng)放回原屬具并更換成規(guī)定的本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.基于多傳感器融合的巷道清理機(jī)器人自主導(dǎo)航與作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于，包括機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)；
2.如權(quán)利要求1所述的基于多傳感器融合的巷道清理機(jī)器人自主導(dǎo)航與作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外人員檢測模塊對紅外相機(jī)采集的紅外視頻信息進(jìn)行處理，檢測出視場內(nèi)的人員方位、寬度和高度信息，該信息用于功能層中機(jī)器人自主行走控制模塊避障過程中對環(huán)境中人員的規(guī)避。
3.如權(quán)利要求1所述的基于多傳感器融合的巷道清理機(jī)器人自主導(dǎo)航與作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于，所述激光雷達(dá)建圖定位模塊根據(jù)機(jī)器人搭載的激光雷達(dá)提供的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以及IMU提供的加速度和角速度測量值建立工作環(huán)境的稠密3D點(diǎn)云地圖，并確定機(jī)器人相對該地圖的位置和姿態(tài)，該模塊輸出的3D點(diǎn)云地圖和機(jī)器人位姿是機(jī)器人自主行走控制模塊控制機(jī)器人行走的依據(jù)，同時(shí)，3D點(diǎn)云地圖也是巷道變形檢測模塊的輸入。
4.如權(quán)利要求1所述的基于多傳感器融合的巷道清理機(jī)器人自主導(dǎo)航與作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械臂視覺定位模塊通過視覺定位方式準(zhǔn)確給出機(jī)械臂相對機(jī)器人屬具倉的位置和姿態(tài)，為機(jī)械臂屬具更換控制模塊提供準(zhǔn)確的位姿信息；<...
【技術(shù)特征摘要】
1.基于多傳感器融合的巷道清理機(jī)器人自主導(dǎo)航與作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于，包括機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)；
2.如權(quán)利要求1所述的基于多傳感器融合的巷道清理機(jī)器人自主導(dǎo)航與作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外人員檢測模塊對紅外相機(jī)采集的紅外視頻信息進(jìn)行處理，檢測出視場內(nèi)的人員方位、寬度和高度信息，該信息用于功能層中機(jī)器人自主行走控制模塊避障過程中對環(huán)境中人員的規(guī)避。
3.如權(quán)利要求1所述的基于多傳感器融合的巷道清理機(jī)器人自主導(dǎo)航與作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于，所述激光雷達(dá)建圖定位模塊根據(jù)機(jī)器人搭載的激光雷達(dá)提供的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以及imu提供的加速度和角速度測量值建立工作環(huán)境的稠密3d點(diǎn)云地圖，并確定機(jī)器人相對該地圖的位置和姿態(tài)，該模塊輸出的3d點(diǎn)云地圖和機(jī)器人位姿是機(jī)器人自主行走控制模塊控制機(jī)器人行走的依據(jù)，同時(shí)，3d點(diǎn)云地圖也是巷道變形檢測模塊的輸入。
4.如權(quán)利要求1所述的基于多傳感器融合的巷道清理機(jī)器人自主導(dǎo)航與作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械臂視覺定位模塊通過視覺定位方式準(zhǔn)確給出機(jī)械臂相對機(jī)器人屬具倉的位置和姿態(tài)，為機(jī)械臂屬具更換控制模塊提供準(zhǔn)確的位姿信息；
5.如權(quán)利要求1所述的基于多傳感器融合的巷道清理機(jī)器人自主導(dǎo)航與作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)器人自主行走控制模塊根據(jù)激光雷達(dá)提供3d點(diǎn)云地圖信息和機(jī)器人底盤位姿信息、以及任務(wù)規(guī)劃與決策模塊給出的目標(biāo)位姿信息，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位姿，期間根據(jù)紅外人員檢測結(jié)果和激光雷達(dá)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)機(jī)器人自動(dòng)避開環(huán)境中的普通障礙物和行人；如果發(fā)現(xiàn)人員闖入安全區(qū)域，則停止運(yùn)動(dòng)，并發(fā)出警告，待人員退到安全范圍外再繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。
6.如權(quán)利要求1所述的基于多傳感器融合的巷道清理機(jī)器人自主導(dǎo)航與作業(yè)系統(tǒng)，其特征在于，所述巷道變形檢測模塊根據(jù)激光雷達(dá)建圖定位模塊給出的稠密3d點(diǎn)云地圖對規(guī)定區(qū)域內(nèi)的巷道進(jìn)行變形檢測，識(shí)別出待清理位置和待...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李旺年，石洋，方鵬，張幼振，張寧，邵俊杰，李旭濤，邢望，
申請(專利權(quán))人：中煤科工西安研究院集團(tuán)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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