煤矿救灾机器人井下可视导航技术研究

发布时间：2020-09-15 20:32

　　煤矿地理区域范围大、井下巷道蜿蜒曲折且交叉众多、灾后巷道严重破坏造成地形复杂崎岖、灾后空气中不均匀的分布着爆炸性气体和粉尘、视觉环境黑暗潮湿、地下环境极大限制了无线通讯,这些环境因素对机器人的行走和导航造成了极大的困难。经过多年的努力,中国矿业大学在煤矿救灾机器人的防爆设计、行走机构的研究上获得了大量的成果,并通过重大项目的应用示范,获得了煤矿安全的认证,基本解决了煤矿救灾机器人的井下遥控行走问题,然而在井下导航上还缺乏深入研究,因此本文以采用可视化技术提高煤矿救灾机器人的导航能力为目标展开研究工作。首先,对煤矿井下的环境结构特点展开研究工作,包括巷道的灾前灾后的结构及地形特点、巷道内的视觉环境特点、巷道内的电磁环境特点三个方面。根据煤矿整体结构特点,本文将煤矿救灾机器人的整个救援流程划分为五个阶段进行分析,总结出不同阶段井下导航所面临的环境限制并提出相应的对策。根据零照度、粉尘和潮湿等井下视觉环境特点,分析其对视觉传感的影响。根据煤矿井下巷道结构以及存在各种设备造成的特殊电磁环境,分析巷道内电磁干扰和无线通讯特点对机器人的影响。其次,针对煤矿救灾机器人回传视频受到井下视觉环境因素影响而产生图像劣化的问题,提出采用图像增强的方式提高机器人的可视能力。主要包括:采用灰度直方图拉伸及均衡算法解决零照度问题;暗通道去雾算法解决粉尘、烟雾干扰问题;采用图像稳像算法解决机器人行走中的颠簸造成的图像抖动问题;采用热成像仪侦测生命体及发热设备;采用深度相机侦测井下的地形结构。再次,针对机器人行走在煤矿井下大区域空间内的位置可视化问题,采用虚拟现实技术实现整个煤矿矿井的三维可视化显示,并在其中标识出机器人的实时行走位置和空间行走轨迹。除了煤矿的整体三维模型,本文还采用模块化堆砌技术实现了煤矿井下灾害区域巷道模型的快速搭建,结合预埋RFID标签和反光标志牌识别等方法解决井下大地理区域的定位问题。利用改进的A*算法在虚拟三维空间中实现路径导航,结合机器人的视频遥控导航,实现了机器人的三维可视导航。再次,实现了虚实结合的可视导航试验平台,解决了试验样机因为由于安全和法规限制无法下井开展大量试验工作的问题。整个平台分为三个主要部分:可视导航算法的移动试验平台、虚拟可视导航试验系统、光学动作位置捕捉系统平台,平台将物理机器人及传感器、虚拟机器人及传感器相结合并进行了联调。最后,为了验证可视导航研究中的虚拟实验平台以及视频增强算法的可行性和有效性,本文进行了三项综合实验,分别是井下视觉环境虚拟实验、应用示范中的可视化导航实验和巷道内虚拟现实辅助可视导航试验。综上所述,本文通过对煤矿救灾机器人井下可视导航关键性技术的研究,提供给煤矿救灾机器人井下导航一些新的思路。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

百万吨死亡率,煤矿

背景煤炭资源十分丰富，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。在我国的能源炭占我国一次能源生产和消费结构中的 70％左右[1]，预计到 2050 年还将。煤炭的大量开采带来了煤矿事故的大量产生，国家在煤矿安全方面做作，死亡人数也不断的降低，如图 1-1，从 2004 年全国死亡 6027 人，至 375 人，百万吨死亡率也从 3.08 降到了 0.106，但与世界发达国家相比，差距，如美国和澳大利亚，美国的百万吨死亡率长期控制在 0.1 以下，近03 左右，而澳大利亚的百万吨死亡率仅为 0.014，这个差距与发达国家的械化程度高、只开采安全系数较高的矿藏的政策有关[2]。我国近年也对煤程度和开采政策做了相应的调整，关停小煤窑，大量机械化、自动化设备 2017 年全国煤矿依然发生事故 219 起。由于生产体量巨大，在煤矿行业欧美发达国家，巨大的安全投入和机械化投入的条件下，在如此庞大的产事故数百起，死亡数百人也是不可避免的。因此，事故后如何提高危险环的安全性成为了一个亟待解决的难题。

救护队员,煤矿,队员

博士学位论文重缺氧，救护队员启封密闭后，未等有害气体排，缺氧气体较长时间存在于巷道之中，其气体流在距巷道口 580 米附近未佩用氧气呼吸器，迎面 3 人窒息死亡，1 人受伤[3]。然而这只是由于缺更加的致命，瓦斯中含有大量的一氧化碳气体，瓦斯气体，会造成头痛、头晕、视物模糊、耳鸣，甚至短暂昏厥[4]。除了有毒有害气体，井下爆队员造成永久性伤害。由此，灾后井下救护队员、制冷装备才能维持生存，如图 1-2 所示救护队正压式氧气呼吸器训练。然而即便有了这些装备列的危险。

机器人,矿难

灾机器人研究现状救灾机器人在矿难救援中应用的案例包括2006年美国西矿难的军用机器人和西澳水务机器人、俄罗斯北极城市沃者机器人。矿山安全卫生管理局 V2 机器人早并且也是唯一在美国投入使用的煤矿救灾机器人是美，它是美国矿山安全卫生管理局（MSHA）委托矿业技术c）开发和制造的安德鲁斯金刚狼机器人（ANDROS W 265,000 美元的价格收购了这台专门设计的机器人。V0 磅。它采用防爆电机驱动，驱动方式类似于军用坦克的摄像机、照明、大气探测器、夜视能力、双向语音通信和远程操作，具备探索高达 5000 英尺距离的能力，通过光信息。操作员可以查看包括视频在内的实时信息，可燃和

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