CN120075818A - 一种煤矿机器人探测系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿探测领域，公开了一种煤矿机器人探测系统及工作方法，系统包括探测机器人、车载基站、遥控终端和背负基站；探测机器人、车载基站、遥控终端和背负基站均内嵌有无线模块，无线模块两两之间能够互相通信；无线模块采用1.4GHz的频率进行通信，采用QAM+OFDM进行数字调制和信道复用；车载基站为不倒翁的结构；车载基站由探测机器人进行携带，探测机器人用于在前进的过程中进行车载基站的投放；探测机器人采集到的数据能够直接传输至遥控终端或能够通过车载基站进行中继转发之后传输至遥控终端；背负基站能够将遥控终端接收到的数据传输至外部基站。本发明从频段、调制、双工、天线四方面提升传输性能，防干扰，具备远距离、高抗干扰的特点。

Description

一种煤矿机器人探测系统及工作方法

技术领域

本发明涉及煤矿探测领域，尤其涉及一种煤矿机器人探测系统及工作方法。

背景技术

我国煤矿数量众多，从事采矿相关危险岗位人员有二百多万人。由于煤矿安全预警技术落后、煤矿生产基础薄弱、安全意识培训不足等原因，导致矿难事故频发。而煤矿火灾发生后，受制于巷道弯曲、有毒有害气体充斥、煤层吸波等因素影响，很难在短时间内长距离的准确获取井下被困人员位置、环境参数等信息，因此需要用到煤矿机器人探测系统。

公开号为CN114924516A的中国专利文献公开了一种用于矿用侦察机器人的控制系统，其采用无线WiFi模式传播，具备矿下防爆性能，能现实机器人、基站、遥控终端的无线传播。但是存在不能抛投、易受干扰和绕障能力不足等问题。

公开号为CN114179127A的中国专利文献公开了一种抛投式本安型自我释放组网基站，其能实现抛投后无线传输，但是存在体积大和投放过程中可能无法打开等问题。

发明内容

本发明的目的在于公开一种煤矿机器人探测系统及工作方法，解决背景技术中提出的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种煤矿机器人探测系统，包括探测机器人、车载基站、遥控终端和背负基站；

探测机器人、车载基站、遥控终端和背负基站均内嵌有无线模块，无线模块两两之间能够互相通信；

无线模块采用1.4GHz的频率进行通信，采用QAM+OFDM进行数字调制和信道复用；

车载基站呈现不倒翁的结构；

车载基站由探测机器人进行携带，探测机器人用于在前进的过程中进行车载基站的投放；

探测机器人采集到的数据能够直接传输至遥控终端或能够通过车载基站进行中继转发之后传输至遥控终端；

背负基站能够将遥控终端接收到的数据传输至外部基站。

优选地，探测机器人包括履带式移动本体、导航单元、音视频单元、气体检测单元和基站推送单元。

履带式移动本体包括行走驱动机构和锂电池；

导航单元包括二维激光雷达、三维激光雷达、IMU、里程计和工控机；

音视频单元包括热成像摄像头和可见光摄像头；

气体检测单元包括甲烷检测装置、氧气检测装置、二氧化碳检测装置、二氧化氮检测装置和一氧化碳检测装置；

基站推动单元包括推送电机和基站投放机构，推送电机用于驱动基站投放机构。

优选地，车载基站包括无线模块、本安电源和天线。

优选地，背负基站由工作人员进行携带或放置在能够连接至外部基站的位置。

优选地，遥控终端包括本安遥控箱和本安平板电脑；

本安平板电脑用于显示探测机器人采集到的数据，本安遥控箱用于对探测机器人进行控制。

优选地，无线模块包括射频单元、基带处理单元、功放单元、电源单元和接口单元；

射频单元用于负责信号的收发、工作频点设置、发射功率调整、接收AGC控制和快速频点切换；

基带处理单元用于负责基带信号处理和组网协议控制；

功放单元用于负责发射方向的功率放大和接收方向的低噪声放大；

电源单元用于负责为其余单元提供本质安全的电源；

接口单元用于实现对基站的参数调试以及数据的交互。

优选地，无线模块的双工方式为时分双工。

优选地，无线模块的天线为玻璃钢弹簧全向天线。

本发明还提供了上述煤矿机器人探测系统的工作方法，包括：

第一步，探测机器人启动并自检；

第二步，机器人、车载基站、遥控终端、背负基站内的无线模块进行组网；

第三步，工作人员选择工作模式，工作模式包括日常巡检模式和应急救援模式，若选择日常巡检模式，则进入第四步，若选择应急救援模式则进入第五步；

第四步，工作人员手动遥控机器人利用三维激光雷达对巡视区域建图，建图完成后通过遥控终端选定巡视点，然后由探测机器人对巡视点进行巡视；

第五步，工作人员查看遥控终端与探测机器人之间的信号强度，当信号强度值低于设定的阈值时候，工作人员通过遥控终端向探测机器人发出遥控指令，探测机器人推送第一个车载基站到地面，基站落地后遥控探测机器人继续前行；

将已抛投的车载基站的数量表示为n，操控人员通过遥控终端查看已抛投的第n个基站与探测机器人之间的信号强度，当信号强度值低于设定的阈值时候，操控人员向探测机器人发出遥控指令，探测机器人推送第n+1个车载基站到地面，车载基站落地后遥控探测机器人继续前行，当车载基站已经被全部抛投且探测机器人与最后一个抛投的车载基站之间的信号强度的低于设定的阈值时候，遥控探测机器人返回；

在执行应急救援模式的过程中，遥控终端将探测机器人采集到的数据传输至背负基站，背负基站同步跟外部通信网络的外部基站进行信息交互。

有益效果：

本发明从频段、调制、双工、天线四个方面改善传输性能，采用跳频方式防干扰。其次以无线模块为核心，根据防爆要求分别设计车载基站、背负基站和遥控终端。其中车载基站具备“不倒翁”形态，抛投后能保持天线的直立；背负基站具备质量轻、便于携带的特性；遥控终端集数据、图像、语音于一体，本安设计、轻便移动。最后由煤矿机器人、车载基站、车载基站和遥控终端组成一种煤矿机器人探测系统，该系统具有无中心、可多跳的特性。

在频率方面，选用1.4G，因为无线电磁信号的频率越低的绕障性越好，因此1.4G的绕障性能明显优于2.4G；在调制方面，通过OFDM、QAM等关键技术，提高抗多径效应能力，增强无线连接质量；在双工方面，选用时分双工TDD节省频谱资源；在天线方面，选用优质玻璃钢弹簧全向天线，不易折断。

本安设计、轻量化、高集成、实时性高。采用OFDM(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)等关键技术，具备单跳传输距离远、组网灵活、数据吞吐量大、抗干扰性强的特点；内置的商用协议LTE_TDD稳定可靠，并通过提高集成度和灵敏度，降低系统功耗，减小模块尺寸，满足安标需求。

基于高精度激光雷达+IMU+里程计的导航方案，克服了激光雷达巷道特征点难提取、动态行走容易失真和IMU随时间累计易漂移的缺陷，通过两者的结合能够取得最佳的导航效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种煤矿机器人探测系统的示意图。

图2为本发明的基带处理单元的架构示意图。

图3为本发明的电压降压芯片的部分结构的电路图。

图4为本发明的可控硅保护电路的电路图。

图5为本发明的无线模块在隔爆腔内部防爆的结构示意图。

图6为本发明的本安基站的本安电路示意图。

图7为本发明的车载基站电池保护板的元器件分布图。

图8为本发明的车载基站基站电池保护板的电路示意图。

图9为车载基站的数量为2时，煤矿机器人探测系统的工作方法的过程的示意图。

图10为本发明的网格型网络的一种示意图。

图11为本发明的无线模块的组成结构的一种示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1，本发明提供了一种煤矿机器人探测系统，包括探测机器人、车载基站、遥控终端和背负基站；

探测机器人、车载基站、遥控终端和背负基站均内嵌有无线模块，无线模块两两之间能够互相通信；

无线模块两两之间可以组成网格型网络也可以组成链型网络。

网格型网络是一种网络拓扑结构，其中每个节点(设备)通过直接或间接的连接与网络中的其他节点建立联系。它可以是完全网格(每个节点都与其他所有节点连接)或者部分网格(某些节点与其他节点连接，形成一个部分连接的结构)。

图10为网格型网络的一种示意图，方框内的是设备的编号，箭头的指向为数据的传输方向，每个箭头都有信号强度、带宽以及信道这三种参数，图10中仅标出了一个箭头的参数。另外，还可以通过箭头的颜色来进行信号强度的区分，例如，信号好、信号一般和信号差时，可以分别使用绿色箭头、黄色箭头和红色箭头；

链型网络，也叫做总线型网络，是一种通过单一的共享传输介质(如电缆或无线信道)连接所有节点的网络结构。链型网络结构比较简单，只有一条传输介质。图1中所示的就是一种链型网络。

无线模块采用1.4GHz的频率进行通信，采用QAM+OFDM进行数字调制和信道复用；

车载基站呈现不倒翁的结构；

在一种实施例中，车载基站采用与202111458239.X专利一样的不倒翁结构，在另一种实施例中，本发明的不倒翁的结构为由202111458239.X中的壳体、上盖和天线的组成的结构。天线固定在上盖的上方。

车载基站由探测机器人进行携带，探测机器人用于在前进的过程中进行车载基站的投放；

具体的，工作人员可以根据遥控终端显示屏上的无线模块之间信号强度进行车载基站的投放控制，例如，当发现与前一个投放的基站之间的信号强度小于设定的信号强度阈值，便新投放一个基站。

探测机器人采集到的数据能够直接传输至遥控终端或能够通过车载基站进行中继转发之后传输至遥控终端；

背负基站能够将遥控终端接收到的数据传输至外部基站。

网格型网络和链型网络均具有双向数据传输的能力，因此，工作人员发出的遥控指令可以通过建立的网络传输至探测机器人。

需要说明的是，本发明的图1中仅画出了两个车载基站，但是并不代表本发明的探测机器人仅能够携带两个车载基站，本发明的探测机器人可以根据任务需要携带更多数量的车载基站。

在频率方面，选用1.4G，因为无线电磁信号的频率越低的绕障性越好，因此1.4G的绕障性能明显优于2.4G；

在调制方面，通过OFDM、QAM等关键技术，提高抗多径效应能力，增强无线连接质量。

优选地，探测机器人包括履带式移动本体、导航单元、音视频单元、气体检测单元和基站推送单元。

履带式移动本体包括行走驱动机构和锂电池；

导航单元包括二维激光雷达、三维激光雷达、IMU、里程计和工控机；

二维激光雷达：因为三维激光雷达安装相对较高与其共同完成避障，解决机器人存在避障盲区问题。

三维激光雷达：用于导航的构图和避障。

IMU：惯性导航模块，用于惯性导航。

里程计：用于计算机器人行走的里程。

工控机：用于运行导航和定位算法。

音视频单元包括热成像摄像头和可见光摄像头；

气体检测单元包括甲烷检测装置、氧气检测装置、二氧化碳检测装置、二氧化氮检测装置和一氧化碳检测装置；

基站推动单元包括推送电机和基站投放机构，推送电机用于驱动基站投放机构。

基于上述结构，探测机器人采集到的数据包括雷达数据、图像数据和甲烷、氧气和一氧化碳等气体的浓度数据。

外部基站包括3G基站、4G基站、5G基站等。

优选地，车载基站包括无线模块、本安电源和天线。

优选地，背负基站由工作人员进行携带或放置在能够连接至外部基站的位置。

优选地，遥控终端包括本安遥控箱和本安平板电脑；

本安平板电脑用于显示探测机器人采集到的数据，本安遥控箱用于对探测机器人进行控制。

操控人员可借助遥控终端实现操控和调度机器人，也可根据遥控终端显示屏上显示的信号强度值推送基站；背负基站，可插在救援人员的腰带上，也可固定在救援现场的某处，通过网线与外部救援网络互通。本发明从频段、调制、双工、天线四方面提升传输性能，具备远距离、抗干扰、稳定性高的特点。日常可用于定点的自主巡检，应急状态可用于救援探测。

优选地，如图11所示，无线模块包括射频单元、基带处理单元、功放单元、电源单元和接口单元；

射频单元用于负责信号的收发、工作频点设置、发射功率调整、接收AGC控制和快速频点切换；

基带处理单元用于负责基带信号处理和组网协议控制；

功放单元用于负责发射方向的功率放大和接收方向的低噪声放大；

电源单元用于负责为其余单元提供本质安全的电源；

接口单元用于实现对基站的参数调试以及数据的交互。

进一步的，无线模块的基带处理单元采取DSP+FPGA的架构来实现，如图2。

DSP实现高质量的音视频压缩和解压缩、提供丰富的接口以及实时稳定的数据处理，

FPGA实现单载波频域均衡技术，用来实现无线双向数据传输。

无线双向传输模块是将DSP复接完成的数据，通过AEMIF发送到FPGA实现的单载波频域均衡物理层，再经过DA转换成I、Q信号，输入到射频模块，同时，将AD芯片转换的数字信号，经过单载波频域均衡物理层，将接收到的数据通过AEMIF接口发给DSP，另外，配合物理帧的收发产生AGC控制信号、收发切换控制信号，协同射频模块一同工作。

矿下无线传输不仅受到雨衰、多径效应、机电产品干扰等多因素的制约，而且还要求轻量化、能耗低，以满足系统轻量化防爆要求。

进一步的，无线模块的电压降压芯片采用ETA2893芯片，输入电压3.6V至40V，输出为5V，其余的供电电路均由5V转换为更低的电压供电，如图3。设计的可控硅保护电路如图4。

可控硅保护电路由：FB自恢复保险丝(型号FSMD100-1206R)，额定电流1A、动作电流1.8A；

D37和D38(型号LMSZ5233BT1G),均为齐纳二极管：该二极管决定了过压的电压值。当电源电压超过稳压二极管(D37)的稳压值6V后，二极管导通(6V为了防止可控硅误触发)。可控硅导通，电流变大，保险丝熔断，保护后端电路。

R292和R294：这是一个下拉电阻，为了确保晶闸管的门极接地，并能在齐纳二极管导通之前处于关断状态.

U34和U35：单向可控硅，型号BTB06-600CW。

该电路没有电器件机械运动部件和触点，使用寿命比传统的继电器长，且不易损坏，具有很高的可靠性；体积小，适合轻量化电路设计。

优选地，无线模块的双工方式为时分双工。

优选地，无线模块的天线为玻璃钢弹簧全向天线。

在双工方面，选用时分双工TDD节省频谱资源；

在天线方面，选用优质玻璃钢弹簧全向天线，不易折断。

本发明的防爆处理如下：

1、机器人内部：

机器人车体内的无线模块，需要电源隔离、信号隔离以及天线延长线的工艺处理，以达到防爆要求，如图5。

(1)电源的隔离处理：根据无线模块的本安参数U_i≥U₀、I_i≥I₀、L_i≤L₀、C_i≤C₀完成电源隔离模块的选型和本安电路的匹配。

U_i、I_i、L_i和C_i分别表示无线模块的最大输入电压、电流、电容和电感，U₀、I₀、L₀和C₀分别为本安电源的最大输出电压、电流、电容和电感。

(2)信号隔离：网口隔离

(3)天线隔离：将天线芯与外皮经过浇封端子套处理，使外部发生燃爆也不影响腔体内部。

2、本安无线基站的设计：

本安无线基站由电源、电源管理系统、无线传输模块和天线等组成。

由此衍生制作车载基站、背负基站和遥控终端，如图6。

电源方面的设计如下：

(1)3节额定电压为3.7V，电芯为安标备案。

(2)电池管理系统设计：

车载基站电池保护板的元器件分布图如图7所示。

车载基站电池保护板的电路如图8所示：

保护模块采用JP1，3节锂电保护芯片和U2双NMOS管构成第一级保护。第二级保护采用JP2，3节锂电保护芯片和U3双NMOS管构成。取样电阻是R10是第一级电流采样，R20是第二级电流采样，改变其阻值就能改变过流保护值。其中锂电保护芯片内置基准电压信号4.25V和0.15V。

U1、U5和U14是单节锂电保护芯片，分别控制M1、M2和M14三个mos管，达到电池均衡目的。

从电池保护板输出的最大电流I₀＝1.0A，电压U₀＝12.6V。

本发明还提供了上述煤矿机器人探测系统的工作方法，包括：

第一步，探测机器人启动并自检；

第二步，机器人、车载基站、遥控终端、背负基站内的无线模块进行组网；

第三步，工作人员选择工作模式，工作模式包括日常巡检模式和应急救援模式，若选择日常巡检模式，则进入第四步，若选择应急救援模式则进入第五步；

第四步，工作人员手动遥控机器人利用三维激光雷达对巡视区域建图，建图完成后通过遥控终端选定巡视点，然后由探测机器人对巡视点进行巡视；

探测机器人能够自动地逐个访问巡视点，然后在巡视点按照设定好的巡视策略进行相关的数据的采集，例如采集各种气体的浓度；

第五步，工作人员查看遥控终端与探测机器人之间的信号强度，当信号强度值低于设定的阈值时候，工作人员通过遥控终端向探测机器人发出遥控指令，探测机器人推送第一个车载基站到地面，基站落地后遥控探测机器人继续前行；

将已抛投的车载基站的数量表示为n，操控人员通过遥控终端查看已抛投的第n个基站与探测机器人之间的信号强度，当信号强度值低于设定的阈值时候，操控人员向探测机器人发出遥控指令，探测机器人推送第n+1个车载基站到地面，车载基站落地后遥控探测机器人继续前行，当车载基站已经被全部抛投且探测机器人与最后一个抛投的车载基站之间的信号强度的低于设定的阈值时候，遥控探测机器人返回；

在执行应急救援模式的过程中，遥控终端将探测机器人采集到的数据传输至背负基站，背负基站同步跟外部通信网络的外部基站进行信息交互。

进一步的，因为有通信带宽的限制，n的最大值可以设置为5，当车载基站的数量为2时，煤矿机器人探测系统的工作方法如图9所示。在图9中，信号强度是否够指的就是信号的强度是否大于设置的信号强度阈值。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种煤矿机器人探测系统，其特征在于，包括探测机器人、车载基站、遥控终端和背负基站；

探测机器人、车载基站、遥控终端和背负基站均内嵌有无线模块，无线模块两两之间能够互相通信；

无线模块采用1.4GHz的频率进行通信，采用QAM+OFDM进行数字调制和信道复用；

车载基站呈现不倒翁的结构；

车载基站由探测机器人进行携带，探测机器人用于在前进的过程中进行车载基站的投放；

探测机器人采集到的数据能够直接传输至遥控终端或能够通过车载基站进行中继转发之后传输至遥控终端；

背负基站能够将遥控终端接收到的数据传输至外部基站。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿机器人探测系统，其特征在于，探测机器人包括履带式移动本体、导航单元、音视频单元、气体检测单元和基站推送单元。

履带式移动本体包括行走驱动机构和锂电池；

导航单元包括二维激光雷达、三维激光雷达、IMU、里程计和工控机；

音视频单元包括热成像摄像头和可见光摄像头；

气体检测单元包括甲烷检测装置、氧气检测装置、二氧化碳检测装置、二氧化氮检测装置和一氧化碳检测装置；

基站推动单元包括推送电机和基站投放机构，推送电机用于驱动基站投放机构。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿机器人探测系统，其特征在于，车载基站包括无线模块、本安电源和天线。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿机器人探测系统，其特征在于，背负基站由工作人员进行携带或放置在能够连接至外部基站的位置。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿机器人探测系统，其特征在于，遥控终端包括本安遥控箱和本安平板电脑；

本安平板电脑用于显示探测机器人采集到的数据，本安遥控箱用于对探测机器人进行控制。

6.根据权利要求1所述的一种煤矿机器人探测系统，其特征在于，无线模块包括射频单元、基带处理单元、功放单元、电源单元和接口单元；

射频单元用于负责信号的收发、工作频点设置、发射功率调整、接收AGC控制和快速频点切换；

基带处理单元用于负责基带信号处理和组网协议控制；

功放单元用于负责发射方向的功率放大和接收方向的低噪声放大；

电源单元用于负责为其余单元提供本质安全的电源；

接口单元用于实现对基站的参数调试以及数据的交互。

7.根据权利要求1所述的一种煤矿机器人探测系统，其特征在于，无线模块的双工方式为时分双工。

8.根据权利要求1所述的一种煤矿机器人探测系统，其特征在于，无线模块的天线为玻璃钢弹簧全向天线。

9.一种权利要求1-8任一项的煤矿机器人探测系统的工作方法，其特征在于，包括：

第一步，探测机器人启动并自检；

第二步，机器人、车载基站、遥控终端、背负基站内的无线模块进行组网；

第三步，工作人员选择工作模式，工作模式包括日常巡检模式和应急救援模式，若选择日常巡检模式，则进入第四步，若选择应急救援模式则进入第五步；

第四步，工作人员手动遥控机器人利用三维激光雷达对巡视区域建图，建图完成后通过遥控终端选定巡视点，然后由探测机器人对巡视点进行巡视；

第五步，工作人员查看遥控终端与探测机器人之间的信号强度，当信号强度值低于设定的阈值时候，工作人员通过遥控终端向探测机器人发出遥控指令，探测机器人推送第一个车载基站到地面，基站落地后遥控探测机器人继续前行；

将已抛投的车载基站的数量表示为n，操控人员通过遥控终端查看已抛投的第n个基站与探测机器人之间的信号强度，当信号强度值低于设定的阈值时候，操控人员向探测机器人发出遥控指令，探测机器人推送第n+1个车载基站到地面，车载基站落地后遥控探测机器人继续前行，当车载基站已经被全部抛投且探测机器人与最后一个抛投的车载基站之间的信号强度的低于设定的阈值时候，遥控探测机器人返回；

在执行应急救援模式的过程中，遥控终端将探测机器人采集到的数据传输至背负基站，背负基站同步跟外部通信网络的外部基站进行信息交互。