礦用搜救機器人

礦用搜救機器人是一種在礦井發生災變事故後替代救護隊員進入災區，通過攜帶的多種傳感器和救援設備，進行環境和生命探測以及對礦工實施救助的多功能礦用智能救援裝備。本書針對礦用搜救機器人的工作環境和任務要求，對其研發中所涉及的主要技術問題及解決方法進行了具體介紹。全書共分11章，包括緒論、煤礦井下環境與災變特徵、機器人行走機構、機器人動力系統、機器人運動控制系統、機器人井下通信、井下圖像處理與視頻分析、機器人定位與礦圖構建、機器人路徑規劃與自主避障、井下環境與生命探測以及機器人防爆設計。

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 礦用搜救機器人的作用和要求 1
1.3 礦用搜救機器人發展現狀 3
1.3.1 國外礦用搜救機器人 4
1.3.2 國內礦用搜救機器人 9
1.4 礦用搜救機器人應用情況 13
1.5 礦用搜救機器人關鍵技術 15
參考文獻 17
第2章 煤礦井下環境與災變特徵 20
2.1 引言 20
2.2 井下巷道結構特徵 20
2.2.1 巷道系統結構 21
2.2.2 巷道斷面特徵 22
2.2.3 巷道道床特徵 25
2.2.4 巷道坡度特徵 28
2.2.5 巷道水溝特徵 29
2.2.6 巷道管纜分佈特徵 31
2.2.7 巷道內的雜物 31
2.3 採煤工作面結構特徵 32
2.4 掘進工作面結構特徵 33
2.5 井下危險氣體 34
2.5.1 有毒有害氣體 34
2.5.2 爆炸性氣體 36
2.5.3 礦井氣體濃度限值 38
2.6 井下視覺特徵 40
2.7 井下通信乾擾 42
2.7.1 巷道結構影響 43
2.7.2 巷道設施影響 43
2.7.3 各種電纜、水管等縱向導體影響 43
2.7.4 各種動力設備電磁乾擾影響 43
2.7.5 不同頻率信號在巷道中的傳輸特性 44
2.8 煤礦常見災變 44
2.8.1 瓦斯爆炸事故 45
2.8.2 頂板垮塌事故 47
2.8.3 礦井涌水事故 48
2.8.4 礦井火災事故 49
2.9 礦井災後結構特徵 50
參考文獻 52
第3章 機器人行走機構 54
3.1 引言 54
3.2 礦用搜救機器人行走能力要求 54
3.3 輪式行走機構及其運動學分析 55
3.3.1 普通輪式行走機構簡介 55
3.3.2 普通輪式行走機構運動學分析 55
3.3.3 三葉輪式行走機構簡介 58
3.3.4 三葉輪式行走機構運動學分析 59
3.4 履帶式行走機構及其運動學分析 63
3.4.1 倒梯形彈簧履帶式行走機構 64
3.4.2 履帶式行走機構運動學分析 65
3.4.3 W形履帶式行走機構簡介 70
3.4.4 W形履帶式行走機構運動學分析 70
3.5 復合式行走機構及其運動學分析 75
3.5.1 輪履復合行走機構 75
3.5.2 擺臂式行走機構 75
3.5.3 輪腿復合行走機構 78
3.6 清障機構 82
參考文獻 84
第4章 機器人動力系統 86
4.1 引言 86
4.2 機器人供能系統設計 86
4.2.1 動力電源設計 87
4.2.2 供能系統測試檢驗 92
4.3 機器人驅動系統設計 101
4.3.1 直流無刷電機研製 101
4.3.2 防爆輪轂電機研製 102
4.4 機器人動力系統匹配與優化 109
4.4.1 動力系統匹配問題 109
4.4.2 動力系統多目標粒子群優化 111
參考文獻 114
第5章 機器人運動控制系統 115
5.1 引言 115
5.2 機器人運動控制硬件系統 115
5.3 機器人運動控制驅動器 118
5.3.1 運動控制板結構分析 118
5.3.2 驅動器控制信號選取 120
5.3.3 PWM信號輸出電路設計 121
5.3.4 轉速頻率採集電路 122
5.3.5 模擬信號採集電路 123
5.3.6 運動控制板的EMC設計 124
5.4 機器人運動控制軟件系統 125
5.4.1 運動控制軟件系統結構 125
5.4.2 運動控製程序流程 127
5.4.3 電機轉速的PID閉環控制 127
5.5 機器人多驅動自適應控制方法 132
5.5.1 基於電流的驅動模式自主切換理論 133
5.5.2 自主切換理論模擬與台架試驗 136
5.6 運動控制系統性能測試 140
5.6.1 電機抗負載變化性能試驗 140
5.6.2 機器人直線行走穩定性試驗 141
5.6.3 自適應控制技術的野外試驗 143
參考文獻 145
第6章 機器人井下通信 147
6.1 引言 147
6.2 礦用搜救機器人現有通信方式 148
6.2.1 井下通信特點與通信系統性能需求 148
6.2.2 井下機器人有線通信 149
6.2.3 井下機器人無線通信 151
6.3 基於有線與無線相結合的礦用搜救機器人通信系統 154
6.3.1 礦用搜救機器人有線-無線結合通信原理 155
6.3.2 通信系統相關機構設計 156
6.4 基於無線Mesh自組網的礦用搜救機器人通信系統 161
6.4.1 煤礦井下無線Mesh通信系統硬件設計 162
6.4.2 煤礦井下無線Mesh通信系統軟件設計 164
6.4.3 無線Mesh網絡通信模擬巷道試驗 168
參考文獻 169
第7章 井下圖像處理與視頻分析 171
7.1 引言 171
7.2 井下暗光場景圖像增強技術 171
7.2.1 空域處理方法 172
7.2.2 頻域處理方法 177
7.3 井下水霧場景圖像去霧技術 179
7.3.1 判別導向濾波去霧方法 180
7.3.2 基於組合代價函數去霧方法 183
7.4 井下運動場景圖像去模糊技術 189
7.4.1 紅外灰度圖像去模糊方法 190
7.4.2 彩色圖像去模糊方法 192
7.5 機器人運動視頻圖像分析 196
7.5.1 光流場法分析 196
7.5.2 差分法分析 202
參考文獻 206
第8章 機器人定位與礦圖構建 209
8.1 引言 209
8.2 基於LiDAR/IMU緊耦合的同步定位與地圖構建方法 210
8.2.1 系統架構與因子圖模型構建 211
8.2.2 約束因子構建 213
8.3 基於LiDAR/IMU/UWB融合的同步定位與地圖構建方法 224
8.3.1 系統架構與全局因子圖模型構建 224
8.3.2 約束因子構建 228
8.4 井下多傳感器融合的機器人定位建圖試驗 232
8.4.1 局部區域連續定位試驗 234
8.4.2 大範圍巷道地圖構建與定位試驗 237
參考文獻 242
第9章 機器人路徑規劃與自主避障 245
9.1 引言 245
9.2 機器人路徑規劃策略 245
9.2.1 基於圖搜索的策略 246
9.2.2 基於採樣的策略 253
9.2.3 基於生物啟發的策略 254
9.3 機器人軌跡規劃策略 259
9.3.1 最小振盪軌跡 260
9.3.2 模型預測控制 266
9.4 機器人自主避障方案 269
9.4.1 移動機器人避障常用傳感器 269
9.4.2 移動機器人避障控制方法 273
9.5 路徑規劃與自主避障試驗驗證 274
9.5.1 試驗環境 275
9.5.2 測試步驟及方案 278
9.5.3 現場試驗結果與分析 279
參考文獻 283
第10章 井下環境與生命探測 285
10.1 引言 285
10.2 井下巷道環境探測 285
10.2.1 災後環境及探測任務 285
10.2.2 環境探測系統功能設計 287
10.2.3 環境數據採集卡設計 288
10.2.4 小型甲烷傳感器設計 296
10.2.5 數據採集性能測試 299
10.3 礦工人員生命探測 303
10.3.1 基於視覺的搜救設備 303
10.3.2 基於聽覺的搜救設備 307
10.3.3 DKL搜救設備 309
10.3.4 基於雷達的搜救設備 310
10.3.5 基於嗅覺的搜救設備 312
參考文獻 313
第11章 機器人防爆設計 315
11.1 引言 315
11.2 防爆理論及其應用 315
11.2.1 防爆原理與防爆類型 315
11.2.2 常用防爆型式 317
11.2.3 復合型防爆理論 318
11.2.4 機器人防爆類型選擇分析 319
11.3 機器人部件隔爆設計 320
11.3.1 隔爆接合面 320
11.3.2 主箱體隔爆設計 321
11.3.3 電機隔爆設計 325
11.3.4 其他隔爆設計單元 332
11.4 機器人部件本安設計 333
11.4.1 本安型機械手 334
11.4.2 小型本安型甲烷探測器 337
11.4.3 本安型攝像儀 338
11.4.4 本安型便攜式終端操控設備 339
11.5 主箱體防爆與結構輕量化優化設計 340
11.5.1 隔爆箱體輕量化設計方案分析 340
11.5.2 隔爆箱體輕量化優化建模 341
11.5.3 隔爆箱體自加強結構設計方法 350
參考文獻 352