煤矿井下搜救机器人研究.docx
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1、煤矿井下搜救机器人研究wangww导语:本文对一款可用于煤矿井下危险区域探测的搜救机器人进展研究【摘要】本文对一款可用于煤矿井下危险区域探测的搜救机器人进展研究。中国是一个矿难事故多发的国家,中国矿井地质差、高瓦斯的特点,给煤矿消费带来很多隐患。每年度都有矿难事故的报道,带来很大的负面社会影响。当事故发生时,井下环境如瓦斯浓度、CO浓度、烟雾大小和井下能见度有关情况不明,更不知是否有爆炸或者其他危险时,救护人员贸然进入事故现场是非常危险的,甚至会造成搜救人员的伤亡事故。在这种产生浓烟、有毒气体和高温的事故现场,机器人是一种理想的探测和救援装置。关键词:煤矿搜救机器人系统运动控制1课题研究背景灾
2、难应急搜索和救援机器人SearchAndRescueRobot是自然灾害、事故等突发事件发生时,代替搜救人员进入现场执行搜救探测任务的挪动机器人。该类机器人可以远程操控或者采用自主的方式深化到复杂、危险、不确定的灾害现场,探测未知环境信息,搜索和营救被困者。搜救机器人是机器人技术朝实用化开展的一个重要分支和新的研究领域,具有重要的社会价值。搜救机器人可以应用于许多救援场合,比方地震、泥石流、台风、洪水、矿难、消防、危险物排除、野外勘察等。当灾难或者事故发生后,现场环境复杂恶劣,充满未知和不确定性的因素,严重威胁搜救人员的生命平安,给搜救工作的部署和施行带来严峻考验。而灾难发生后的48小时是施行
3、营救的关键时间,否那么超过48小时被困者生还的可能性就变得很小。因此搜救机器人的研究具有重要的实用价值和社会意义,近年度来受到了美国、日本、澳大利亚、中国等国家的高度重视。本课题的研究目的,是研发一种以主从式遥操作为主并具备一定自主才能的稳定、可靠的煤矿井下挪动探测机器人平台,该平台的主要任务定位为煤矿井下危险区域的环境探测,包括环境温度、气体组成与含量CO,CH4,O2,H2S等探测,和现场视频及音频的收集与实时上传;对于这些危险区域我们定位于有限目的环境的有限参数探测,因为煤矿事故种类繁多,情况复杂,我们不可能指望通过一两种复杂的机构适应所有的井下环境,十分是对于像冒顶、塌方等极度复杂的环
4、境或透水等特殊环境的探测,必须采用专用的机构与技术来解决;因此,本平台主要针对如瓦斯突出、部分火灾、爆炸或者坍塌,而具有可进入条件的灾害环境进展探测。另外,作为一款搜救机器人平台本系统预留了可以加载如机械臂等末端执行机构的接口,进而为完成更加复杂和更有效的救援工作提供必要的技术支撑,可以以为该平台在其他搜索与救援领域(如地震、泥石流、火灾等其他灾难现场)的应用提供重要的技术储藏。2搜救机器人研究进展应急灾难搜索和救援机器人的研究起步于20世纪80年度代,经过1995年度的美国俄克拉荷马州爆炸案和日本神户大地震,搜救机器人才逐渐被作为机器人学的人道主义应用研究被重视起来。随后的十几年度时间里搜救
5、机器人的技术不断开展,但仍多数停留在实验室阶段,参加实际救援行动并发挥重要作用的实例很少。搜救机器人第一次大规模介入到现场救援的应用案例发生在美国911事件后,当时有Talon、Solem、PACKBOT、VGTV、MicroTracs、SPAWARUrbot等六种军方和研究所的机器人介入了救援工作,如图1所示。在这次救援任务中,机器人系统的主要任务包括:在废墟中搜索可能有幸存者的空间,并监控现场的构造变化,防止发生倒塌危及现场救援人员。搜救工作主要分为两个阶段,在第一阶段的的工作中,机器人并不是过度深化废墟现场,而是在人不便于接近的地方起到辅助作用。第二阶段的工作重点是清理现场建筑残骸,并为
6、分析世贸中心塔楼倒塌的原因提供根据。在这一阶段中,随着操作人员纯熟程度的增加和现场积累的经历,机器人系统的优越性逐渐表现出来。机器人通过深化现场近间隔侦察、摄像,进而确定残存墙体的稳定性和发生倒塌的可能性;同时,机器人通过自身携带的不同类型探测器,测量一氧化碳、硫化氢、挥发性有机物的浓度和现场温度,形成现场环境危险情况的根底数据。通过十几名不同专业、不同领域的专家进展现场分析,并研究、指导现场的救援工作,大大加快了工作进度,并保证了人员的平安,表达了明显的优势。同时,在此次救援经过中也发现了机器人系统的一些问题,如防水才能、耐热才能、防震及其他抗恶劣环境才能的缺乏,和机器人自身状态感悟及环境描
7、绘方法的缺乏。总之,这次救援任务是人类历史上由救援机器人介入的规模最大、也是较为成功的一次救援,在这次救援经过中,工程技术人员和现场专家积累了大量的机器人系统进展灾难救援工作的珍贵经历,对今后搜救机器人的研究来讲是一笔宏大的财富。此后美国、日本、澳大利亚等国的搜救机器人开场逐渐介入实际灾害救援行动,通过与灾害应急部门的严密合作,不断积累实际救灾经历,改良搜救机器人的性能,以进步机器人对搜救环境的适应才能。经过几年度的研究和改良,搜救机器人再次用于美国加州小镇拉肯奇塔泥石流和“卡特里娜飓风灾害的搜救经过。拉肯奇塔泥石流灾害造成大量的房屋坍塌和煤气泄漏,Inuktun公司专门为救灾应用设计改良的机
8、器人VGTV-Xtreme被派往现场,但由于履带脱落使搜救机器人无法继续执行任务。同年度在美国历史上最严重的自然灾害“卡特里娜飓风袭击后的救援中,VGTV-Xtreme发挥了重大作用。另外国际上为促进搜救机器人研究的进展,也设有专门的搜救机器人大赛RoboCupRescue。我国的搜救机器人研究起步较晚,但最近几年度开展较快,引起越来越多研究机构的关注。例如哈尔滨工业大学、上海交通大学、沈阳自动化研究所、广东卫富公司等都研制了各自的搜救机器人系统,中国矿业大学与清华大学等几家机构也研制了用于煤矿井下救援的挪动机器人平台。但目前国内的搜救机器人大多仍处于原理样机的研究上,或者局限在室外危险物排除
9、这种应用案例的应用上,尚未有机器人介入到矿难、地震、建筑物坍塌等实际灾难现场救援的报道。在2020年度4月2日王家岭透水事故发生的经过中,中国科学院沈阳自动化研究所研制的水下机器人曾被带到现场,试图介入透水现场的探测任务,固然最终没有采用,但也不失为一次有益的尝试,为透水事故探测救援积累了珍贵的经历。3煤矿井下搜救机器人关键技术在设计救灾机器人时,应从系统总体要求出发,考虑救灾机器人的环境适应性,协调各分系统的技术关联,开展顶层设计,研究综合集成关键技术.在设计救灾机器人经过中应充分注重关键技术。3.1运动机构运动机构作为挪动机器人的挪动载体,直接影响到机器人的通过性和地形适应才能。煤矿搜救机
10、器人的运动平台应尽可能适应多种复杂的井下地形条件,如废墟、泥地、沙地、台阶、陡坡、壕沟等,即具有较强的地形适应才能;除此之外,还要具有一定的运动速度和良好的运动学稳定性,尽可能减少倾覆或者翻滚的可能。目前的搜救机器人运动机构种类较多,如轮式、履带式、蛇形挪动机构等,不同的运动平台决定了各自的运动才能。轮式机器人速度快、效率高,但越障才能较差,复杂地形适应才能有限;履带式越障才能强,但存在速度慢、运动效率较低的缺点;蛇形机器人可以钻进狭小的空间,利用头部安装的摄像头传回图像信息,但也存在速度慢、机构复杂等缺点;足式机器人,如四足、六足等具有适应地形才能强的特点,能越过大的壕沟和台阶,但目前大局部
11、足式机构存在速度慢、效率较低的特点;轮腿复合式机器人具有履带机器人的地形适应才能和轮式机器人的运动速度,但也存在构造相对复杂体积较为庞大等缺点;此外受到自然界生物的启发,各种特殊的仿活力构机器人也展现了美妙的前景。综合考虑煤矿井下的地形环境和事故发生后可能存在的实际情况,采用具有较强地形适应才能的带辅助臂的复合履带方式是一种相对理想的运动机构,该方式在具有较强地形适应才能的同时,可以保持较小的体积,可以穿过相对狭窄的空间。除了上述需要考虑的因素之外,运动平台的设计必须可靠,以应对复杂的环境。比方煤矿搜救机器人设计时必须重点考虑防爆、防水、耐高温等。履带机器人也容易发生履带出轨脱落,导致机器人寸
12、步难行。除了灵敏的运动才能和可靠性设计外,搜救机器人还应考虑便携性。为了应对突发的矿难事故,进步搜救效率,搜救机器人应该具有较强的机动才能,必须在第一时间投放现场。搜索完一个目的地点,能尽快转移到下一搜救地点。体积过于庞大,除了具有更高的能耗和大大减小了平台通过才能之外,其运输经过也会给救援工作带来困难。3.2感悟系统搜救机器人的主要功能包括搜索探测与救援,但目前世界各国搜救机器人的研究还大多集中于环境探测和幸存者搜寻的功能上。由于环境极度复杂,受困人员本身面临的困难复杂多样,对人员的救援工作目前还是一件非常困难的事情,因此,环境探测与人员搜索任务是目前搜救机器人的主要功能,其搜索与探测才能主
13、要取决于其自身携带的传感器的类型与应用情况。作为搜救机器人的感悟系统,传感器必须具备信息收集、信息存储与分析和信息传输等功能,同时要求其具有较小尺寸、足够的分辨率和响应时间,和很好的稳定性和可靠性等特点。对环境的探测主要目的首先是让搜救人员实时准确的解析事故后井下的综合环境情况,评估井下环境对幸存人员及搜救人员生命及安康的影响,考虑指派救护队员下井完成救援任务的可行性,和为制定科学高效的救援方案提供必要的、可靠的井下环境参数信息。这就需要对井下的温度、气体组成情况如氧含量、有毒气体含量、可燃气体含量,和井下的地形及地质构造的情况进展探测。其次,在进展环境探测的同时,当机器人深化事故现场后,应该
14、具有对幸存人员进展搜索定位及人员情况的初步探测才能。最后,为保证机器人可以平安、有效的完成探测任务,机器人应该具有其自身情况及所处环境的感悟才能,如机器人本体的姿态、温度、电池电量等本体参数,和环境中的障碍物、火区、水区等危险环境和机器人所处的位置等信息。目前对于局部环境探测与感悟的传感器是比拟成熟的,如温度感悟、氧含量传感器、可燃气体探测器、有毒气体探测器等,这些传感器体积小巧、探测精度高、集成度好,根本可以知足井下环境探测的需求;对于井下地形与地质构造的探测主要依靠视觉系统或者与视觉系统相配合使用的间隔、位置等传感器如声纳探测器、激光测距仪等;对人员的搜索定位有生命探测仪、热成像仪等设备;
15、机器人自身状态的感悟主要依靠里程计、惯性系统和姿态传感器等感悟单元,完成机器人位置及姿态的感悟和为导航及运动控制提供必要的数据。此外,井下环境十分是事故后的井下环境情况复杂,极有可能出现浓烟、灰尘等恶劣情况,在这种环境下很多传感器十分是视觉系统会受到严重的影响。而远红外探测器具有很好的穿透烟雾进展探测的才能,并且可以同时获得被测物体外表的辐射温度,因此采用远红外成像仪进展复杂环境的探测既可以作为可见光视觉系统的补充,又可以通过对一些特殊物体外表辐射温度的测量实现目的的识别,如人体、着火点、水域等。其他的特殊情况可以能导致不同的传感器失效,因此采用多种传感器进展探测并对多种信息进展交融处理是有效
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