用于坑道探测与搜救的移动、飞行多机器人系统

摘要

一种用于坑道探测与搜救的移动、飞行多机器人系统，包括坑道外指挥终端（1）、操控终端（2）、移动载体机器人（4）与飞行机器人（5）；移动载体机器人与操控终端间采用光纤（3）通讯，并在遥控引导与自主避障的控制方式下运载飞行机器人进入坑道，可通过激光发生模块（8）发生激光束（9）引导起飞的飞行机器人飞行；机器人间通过无线通讯模块自动建立无线通讯网络；飞行机器人在激光引导、遥控与自主避障模块的联合控制下进行飞行，并向移动载体机器人回传探测信息，通过移动载体机器人进一步向操控终端、坑道外指挥终端传输现场探测信息；本发明采用移动与飞行相结合、光纤与无线通讯相结合的方式实现了坑道内的长距离探测与搜救。

权利要求

1.一种用于坑道探测与搜救的移动、飞行多机器人系统，包括坑道外指挥终端(1)、操控终端(2)，其特征在于：该系统还包括移动载体机器人(4)与飞行机器人(5)；所述的操控终端(2)包括机器人操控装置、监控模块、数据存储模块、光纤通讯模块、无线通讯模块、环境探测模块，该操控终端(2)通过光纤通讯模块、无线通讯模块与移动载体机器人(4)及飞行机器人(5)进行信息交互，实现对机器人的控制，环境信息的采集、显示与存储，并与坑道外指挥终端(1)进行通讯；

移动载体机器人(4)包括一套移动机构(7)，并装备有光纤释放装置(6)、光纤通讯模块、无线通讯模块、环境探测模块、激光发生模块(8)、自主避障模块，并作为飞行机器人(5)的运输载体；移动载体机器人与操控终端(2)通过光纤(3)进行通讯，移动载体机器人(4)采用操控终端(2)的遥控引导与自主避障相结合的移动控制方式进入探测现场，对环境进行探测，并向操控终端(2)传输探测信息；

飞行机器人(5)包括飞行机构(10)，并装备有无线通讯模块、环境探测模块(12)、激光发生模块(8)、激光检测模块(11)、自主避障模块；飞行机器人(5)间通过无线网络进行通讯连接，并通过无线通讯模块协调各飞行机器人间进行协同工作，自动建立无线通讯网络；

飞行机器人(5)利用环境探测模块(12)对环境进行探测，并向移动载体机器人(4)传输探测信息，再通过移动载体机器人(4)向操控终端(2)传输现场探测信息；

移动载体机器人(4)的激光发生模块(8)发射激光束(9)引导飞行机器人(5)飞行，飞行机器人(5)利用激光检测模块(11)可感知激光束(9)，并在激光引导、操控终端(2)的遥控、自主避障模块的三者联合控制下进行飞行；飞行机器人间也可采用激光引导飞行。

2.根据权利要求1所述的用于坑道探测与搜救的移动、飞行多机器人系统，其特征在于：所述的光纤释放装置(6)是一个中心安装有光纤滑环的光纤绞盘装置，用于光纤(3)储存与释放，安装在移动载体机器人上，随着其行进而被动释放光纤延长通讯长度。

3.根据权利要求1所述的用于坑道探测与搜救的移动、飞行多机器人系统，其特征在于：安装在移动载体机器人(4)和飞行机器人(5)上的所述的环境探测模块包括气体传感器、温度传感器、生命探测装置、摄像设备，用以探测坑道内的气体成分、环境温度、生命信息以及坑道内的图片与视频信息。

说明书

用于坑道探测与搜救的移动、飞行多机器人系统

所属技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于坑道探测与搜救的移动、飞行多机器人系统，属于探测与搜救机器人领域。

背景技术

[0002] 探测与搜救机器人一直是机器人领域的研究热点，其中一个分支为坑道探测与搜救机器人，主要应用于矿井灾后的探测与救援、在矿产开采规划前对该区域古巷道的探测与地图生成、军事坑道的探测、天然洞穴的探测。坑道探测与搜救机器人研究目的是进入坑道内部，探测坑道布置、地形环境与结构特点，探测气体环境与生命信息，并将探测数据传输到远程操作人员。该项研究存在以下难点：第一，进入的问题。坑道内的地形环境往往是非结构化的，复杂的。如矿井灾后的坑道内往往有错综的设备、冒落的顶板、积水与泥潭。因此，如何让机器人进入并长距离行进是首要问题。第二，通讯的问题。坑道往往修建或形成于地下或山体内，无线通讯距离短；采用无线中继通讯的方式也会因通讯模块投放位置不佳造成通讯不稳定。第三，气体环境的问题。某些坑道内存在有毒或易燃、易爆气体，矿井巷道环境尤其突出，因此需对机器人进行特殊防护。为了解决移动问题，研究人员提出了轮式、履带式、轮履结合式、摇杆式的机器人行走机构，但总存在缺陷，无法应付所有地形；为了解决通讯问题，一些研究者提出了光纤通讯方式(如CN201249820)和基于无线传感器网络的通讯系统(如CN101265813、CN201794611 U)，采用光纤传输的方式，通讯距离受到机器人携带光纤长度的影响，也存在移动过程中光纤受损的危险；采用无线传感器网络方式，通常采用小型移动机器人进行无线网络的建立，能否建立也受到机器人移动性能的影响。对于气体环境影响的问题，需要根据情况进行特殊设计，一些研究者也进行了研究，如煤矿井下机器人需要进行防爆设计。

[0003] 为了解决坑道内的长距离探测的问题，在中国博士后基金(20110491479)与国家自然科学基金青年基金(51205391)的支持下，本研究团队通过进一步研究，探索了一种用于坑道探测与搜救的移动、飞行多机器人系统。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了解决现有坑道探测与搜救机器人的缺陷，提供一种坑道探测与搜救的移动机器人与飞行机器人相配合的多机器人系统，通过移动与飞行相结合，光纤与无线通讯相结合，激光引导与自主导航相结合，实现坑道内的长距离探测。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0006] 用于坑道探测与搜救的移动、飞行多机器人系统是一种半自主探测多机器人系统，包括坑道外指挥终端、操控终端、移动载体机器人与飞行机器人；

[0007] 操控终端包括机器人操控装置、监控模块、数据存储模块、光纤通讯模块、无线通讯模块、环境探测模块，该操控终端通过光纤通讯模块、无线通讯模块与移动载体机器人和飞行机器人进行信息交互，实现对机器人的控制、环境信息的采集、显示与存储；并与坑道外指挥终端1进行通讯；

[0008] 移动载体机器人包括一套移动机构，并装备有光纤释放装置、光纤通讯模块、无线通讯模块、环境探测模块、激光发生模块、自主避障模块，并作为飞行机器人的运输载体；移动载体机器人通过光纤和无线网络与操控终端进行通讯，移动载体机器人采用操控终端的遥控引导与自主避障相结合的移动控制方式进入探测现场，对环境进行探测，并向操控终端传输现场探测信息；

[0009] 飞行机器人包括飞行机构，并装备有无线通讯模块、环境探测模块、激光发生模块、激光检测模块、自主避障模块；飞行机器人间通过无线网络进行通讯连接，并通过无线通讯模块协调各飞行机器人间进行协同工作，自动建立无线通讯网络；飞行机器人利用环境探测模块对环境进行探测，并通过无线通讯网络向移动载体机器人传输探测信息，再通过移动载体机器人向操控终端回传现场探测信息；

[0010] 移动载体机器人的激光发生模块发射激光束引导飞行机器人飞行，飞行机器人利用激光检测模块可感知激光束，该飞行机器人在激光引导、操控终端的遥控、自主避障模块三者的联合控制下进行飞行；飞行机器人间也可利用激光引导飞行；

[0011] 所述的光纤释放装置是一个中心安装有光纤滑环的光纤绞盘装置，用于光纤储存与释放，安装在移动载体机器人上，随着其行进而被动释放光纤延长通讯长度；

[0012] 安装在移动载体机器人(4)和飞行机器人(5)上的所述的环境探测模块包括气体传感器、温度传感器、生命探测装置、摄像设备，用以探测坑道内的气体成分、环境温度、生命信息以及坑道内的图片与视频信息；

[0013] 所述的移动载体机器人4的移动机构7可以是履带式移动机构，可以是轮式移动机构，可以是轮履复合式移动机构，可以是摇杆式移动机构；

[0014] 所述的飞行机器人5的飞行机构10可以是固定翼飞行机构，可以是旋翼飞行机构，可以是扑翼飞行机构。

[0015] 通过上述技术方案，坑道外指挥终端设置在坑道外部，操控终端设置在坑道内或待探测位置附近的安全位置，坑道外指挥终端与操控终端通过网络连接与通讯，操控终端与移动载体机器人通过光纤通讯连接，同时也可进行无线连接；移动载体机器人在操控终端的控制下向坑道深处移动，并将探测的环境信息传输给控制终端，进而向坑道外指挥终端传输；当移动载体机器人因光纤长度受限或者地形受阻无法前行时，操控终端控制第1个飞行机器人起飞继续探测，此时移动载体机器人可使激光发生模块产生激光束引导飞行机器人飞行；

[0016] 飞行机器人虽受激光引导仍可在操控终端的遥控与自主导航的模块的控制下偏离激光束，并全方位地探测坑道内信息，比如坑道全断面气体的成分分布与浓度，并将环境信息发送到移动载体机器人，进而利用光纤传输至操控终端，当该飞行机器人的无线通讯模块监测到通讯距离太大，导致无线信号减弱，通讯带宽降低，当通讯带宽降至设定值时，第1个飞行机器人就地择置降落并作为固定的通讯中继站使用，第2个飞行机器人从移动载体机器人上起飞，沿着激光束，根据第1个飞行机器人的运动信息飞行，超过第1个飞行机器人，并检测与第1个飞行机器人的通讯信号，当间隔过大，信号减弱至设定值，第2个飞行机器人择置降落作为固定的通讯中继站使用；同样的方式可派遣第3、4、...个飞行机器人以延长探测距离；当激光束受障碍物遮挡或坑道出现拐弯、分支时，飞行机器人可择置降落在障碍物或拐弯、分支处作为通讯中继站并发生新的激光束引导随后起飞的飞行机器人飞行。

[0017] 采用上述的方案，可以达到以下几点有益效果：

[0018] (1)引入了飞行机器人参与坑道探测，飞行机器人不受坑道内复杂地形的影响，能够快速向前飞行探测；

[0019] (2)由多台飞行机器人组建无线通讯网络，因飞行机器人可以调整降落的空间位置更有利于建立稳健的无线通讯网络。

[0020] (3)采用了移动与飞行机器人协同探测，光纤与无线相结合，延长了探测距离；

[0021] (4)采用激光引导、自主避障、远程遥控相配合，更有利于飞行机器人在坑道环境内的高效飞行与探测；

[0022] (5)坑道内的气体的密度不同，在坑道内集聚的高度与位置不同，飞行机器人可以探测坑道不同高度处的气体成分，可以探测出准确的气体环境信息。

附图说明

[0023] 图1为本发明用于坑道探测与搜救的移动、飞行多机器人系统的结构示意图；

[0024] 图2为本发明应用于某巷道探测的示意图；

[0025] 图3为图2中I处的放大图。

[0026] 图中：1、坑道外指挥终端2、操控终端3、光纤4、移动载体机器人5、飞行机器人6、光纤释放装置7、移动机构8、激光发生模块9、激光束10、飞行机构11、激光检测模块12、环境探测模块13、坑道14、障碍物

具体实施方式

[0027] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0028] 如图1所示，用于坑道探测与搜救的移动、飞行多机器人系统是一种半自主探测多机器人系统，包括坑道外指挥终端1、操控终端2、移动载体机器人4与飞行机器人5；

[0029] 操控终端2包括机器人操控装置、监控模块、数据存储模块、光纤通讯模块、无线通讯模块、环境探测模块，该操控终端2通过光纤通讯模块、无线通讯模块与移动载体机器人4和飞行机器人5进行信息交互，实现对机器人的控制、环境信息的采集、显示与存储；并与坑道外指挥终端1进行通讯；

[0030] 图1、2、3中，移动载体机器人4包括一套移动机构7，图中所示移动载体机器人4采用了履带式移动机构，该移动载体机器人装备有光纤释放装置6、光纤通讯模块、无线通讯模块、环境探测模块、激光发生模块8、自主避障模块，并作为飞行机器人5的运输载体；移动载体机器人通过光纤3和无线网络与操控终端2进行通讯，移动载体机器人4采用操控终端2的遥控引导与自主避障相结合的移动控制方式进入探测现场，对环境进行探测，并向操控终端2传输现场探测信息；

[0031] 飞行机器人5包括飞行机构10，该飞行机构可以是固定翼飞行机构、旋翼飞行机构、扑翼飞行机构，图1、2中所示的飞行机器人5采用了四轴旋翼飞行机构，飞行机器人装备有无线通讯模块、环境探测模块12、激光发生模块8、激光检测模块11、自主避障模块；

[0032] 飞行机器人5间通过无线网络进行通讯连接，并通过无线通讯模块协调各飞行机器人5间进行协同工作，自动建立无线通讯网络；飞行机器人5利用环境探测模块对环境进行探测，并通过无线通讯网络向移动载体机器人4传输探测信息，再通过移动载体机器人4向操控终端2回传现场探测信息；

[0033] 移动载体机器人4的激光发生模块8发射激光束9引导飞行机器人5飞行，飞行机器人5利用激光检测模块可感知激光束9，该飞行机器人5在激光引导、操控终端2的遥控与自主避障模块的联合控制下进行飞行；飞行机器人间也可利用激光引导飞行。

[0034] 所述的光纤释放装置6是一个中心安装有光纤滑环的光纤绞盘装置，用于光纤储存与释放，安装在移动载体机器人上，随着其行进而被动释放光纤延长通讯长度。

[0035] 所述的环境探测模块安装在移动载体机器人和飞行机器人上，包括气体传感器、温度传感器、生命探测装置、摄像设备，用以探测坑道内的气体成分、环境温度、生命信息以及坑道内的图片与视频信息。

[0036] 通过上述技术方案，坑道外指挥终端1设置在坑道外部，操控终端2设置在坑道内或待探测位置附近的安全位置，坑道外指挥终端1与操控终端2通过网络连接与通讯，操控终端2与移动载体机器人4通过光纤3通讯连接，同时也可进行无线连接；结合图2、3所示的本发明对巷道探测时的应用示意图介绍本系统的应用，图中移动载体机器人4运载多台飞行机器人5，在操控终端2的控制下向坑道深处移动，并将探测的环境信息传输给控制终端2，进而向坑道外指挥终端1传输；图2中，移动载体机器人4因障碍物14阻挡无法前行，操控终端1控制第1个飞行机器人5起飞继续探测，此时移动载体机器人4可使激光发生模块8产生激光束9引导飞行机器人5飞行；飞行机器人5虽受激光引导仍可在操控终端2的遥控与自主导航的模块的控制下偏离激光束，并全方位地探测坑道13内信息，比如坑道全断面气体的成分分布与浓度，并将环境信息发送到移动载体机器人4，进而利用光纤3传输至操控终端2，当该飞行机器人5的无线通讯模块监测到通讯距离太大，导致无线信号减弱，通讯带宽降低，当通讯带宽降至设定值时，第1个飞行机器人5就地择置降落并作为固定的通讯中继站使用，第2个飞行机器人从移动载体机器人4上起飞，沿着激光束9，根据第1个飞行机器人5的运动信息自主飞行，超过第1个飞行机器人5，并检测与第1个飞行机器人5的通讯信号，当间隔过大，信号减弱至设定值，第2个飞行机器人5择置降落作为固定的通讯中继站使用；同样的方式可派遣第3、4、...个飞行机器人5以延长探测距离；当激光束受障碍物遮挡或坑道出现拐弯、分支时，飞行机器人5可择置降落在障碍物或拐弯、分支处作为通讯中继站并发生新的激光束9引导随后起飞的飞行机器人5飞行。

[0037] 另外，为了确保操控终端2与移动载体机器人4间的通讯可靠性，可从操控终端2或移动载体机器人4上放飞飞行机器人5，无线通讯模块根据通讯带宽的变化着陆点，并自动建立无线通讯网络。即使移动载体机器人4释放的光纤3因故中断，系统也可全员依靠无线通讯网络工作。在某些特殊坑道，在一开始移动载体机器人4就可能无法使用，这样本系统可以完全采用飞行机器人5进行探测作业。