礦用搜救機器人

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(fā)展現(xiàn)狀 3
1.3.1 國外礦用搜救機器人 4
1.3.2 國內(nèi)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(guān)鍵技術(shù) 15
參考文獻 17
第2章 煤礦井下環(huán)境與災變特征 20
2.1 引言 20
2.2 井下巷道結(jié)構(gòu)特征 20
2.2.1 巷道系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 21
2.2.2 巷道斷面特征 22
2.2.3 巷道道床特征 25
2.2.4 巷道坡度特征 28
2.2.5 巷道水溝特征 29
2.2.6 巷道管纜分布特征 31
2.2.7 巷道內(nèi)的雜物 31
2.3 采煤工作面結(jié)構(gòu)特征 32
2.4 掘進工作面結(jié)構(gòu)特征 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 井下視覺特征 40
2.7 井下通信干擾 42
2.7.1 巷道結(jié)構(gòu)影響 43
2.7.2 巷道設(shè)施影響 43
2.7.3 各種電纜、水管等縱向?qū)w影響 43
2.7.4 各種動力設(shè)備電磁干擾影響 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 礦井災后結(jié)構(gòu)特征 50
參考文獻 52
第3章 機器人行走機構(gòu) 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(gòu)及其運動學分析 55
3.3.1 普通輪式行走機構(gòu)簡介 55
3.3.2 普通輪式行走機構(gòu)運動學分析 55
3.3.3 三葉輪式行走機構(gòu)簡介 58
3.3.4 三葉輪式行走機構(gòu)運動學分析 59
3.4 履帶式行走機構(gòu)及其運動學分析 63
3.4.1 倒梯形彈簧履帶式行走機構(gòu) 64
3.4.2 履帶式行走機構(gòu)運動學分析 65
3.4.3 W形履帶式行走機構(gòu)簡介 70
3.4.4 W形履帶式行走機構(gòu)運動學分析 70
3.5 復合式行走機構(gòu)及其運動學分析 75
3.5.1 輪履復合行走機構(gòu) 75
3.5.2 擺臂式行走機構(gòu) 75
3.5.3 輪腿復合行走機構(gòu) 78
3.6 清障機構(gòu) 82
參考文獻 84
第4章 機器人動力系統(tǒng) 86
4.1 引言 86
4.2 機器人供能系統(tǒng)設(shè)計 86
4.2.1 動力電源設(shè)計 87
4.2.2 供能系統(tǒng)測試檢驗 92
4.3 機器人驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 101
4.3.1 直流無刷電機研制 101
4.3.2 防爆輪轂電機研制 102
4.4 機器人動力系統(tǒng)匹配與優(yōu)化 109
4.4.1 動力系統(tǒng)匹配問題 109
4.4.2 動力系統(tǒng)多目標粒子群優(yōu)化 111
參考文獻 114
第5章 機器人運動控制系統(tǒng) 115
5.1 引言 115
5.2 機器人運動控制硬件系統(tǒng) 115
5.3 機器人運動控制驅(qū)動器 118
5.3.1 運動控制板結(jié)構(gòu)分析 118
5.3.2 驅(qū)動器控制信號選取 120
5.3.3 PWM信號輸出電路設(shè)計 121
5.3.4 轉(zhuǎn)速頻率采集電路 122
5.3.5 模擬信號采集電路 123
5.3.6 運動控制板的EMC設(shè)計 124
5.4 機器人運動控制軟件系統(tǒng) 125
5.4.1 運動控制軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 125
5.4.2 運動控制程序流程 127
5.4.3 電機轉(zhuǎn)速的PID閉環(huán)控制 127
5.5 機器人多驅(qū)動自適應控制方法 132
5.5.1 基于電流的驅(qū)動模式自主切換理論 133
5.5.2 自主切換理論仿真與臺架試驗 136
5.6 運動控制系統(tǒng)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(wěn)定性試驗 141
5.6.3 自適應控制技術(shù)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(xiàn)有通信方式 148
6.2.1 井下通信特點與通信系統(tǒng)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 基于有線與無線相結(jié)合的礦用搜救機器人通信系統(tǒng) 154
6.3.1 礦用搜救機器人有線-無線結(jié)合通信原理 155
6.3.2 通信系統(tǒng)相關(guān)機構(gòu)設(shè)計 156
6.4 基于無線Mesh自組網(wǎng)的礦用搜救機器人通信系統(tǒng) 161
6.4.1 煤礦井下無線Mesh通信系統(tǒng)硬件設(shè)計 162
6.4.2 煤礦井下無線Mesh通信系統(tǒng)軟件設(shè)計 164
6.4.3 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)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(shù) 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(shù) 179
7.3.1 判別導向濾波去霧方法 180
7.3.2 基于組合代價函數(shù)去霧方法 183
7.4 井下運動場景圖像去模糊技術(shù) 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(gòu)建 209
8.1 引言 209
8.2 基于LiDAR/IMU緊耦合的同步定位與地圖構(gòu)建方法 210
8.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)與因子圖模型構(gòu)建 211
8.2.2 約束因子構(gòu)建 213
8.3 基于LiDAR/IMU/UWB融合的同步定位與地圖構(gòu)建方法 224
8.3.1 系統(tǒng)架構(gòu)與全局因子圖模型構(gòu)建 224
8.3.2 約束因子構(gòu)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(qū)域連續(xù)定位試驗 234
8.4.2 大范圍巷道地圖構(gòu)建與定位試驗 237
參考文獻 242
第9章 機器人路徑規(guī)劃與自主避障 245
9.1 引言 245
9.2 機器人路徑規(guī)劃策略 245
9.2.1 基于圖搜索的策略 246
9.2.2 基于采樣的策略 253
9.2.3 基于生物啟發(fā)的策略 254
9.3 機器人軌跡規(guī)劃策略 259
9.3.1 最小振蕩軌跡 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(guī)劃與自主避障試驗驗證 274
9.5.1 試驗環(huán)境 275
9.5.2 測試步驟及方案 278
9.5.3 現(xiàn)場試驗結(jié)果與分析 279
參考文獻 283
第10章 井下環(huán)境與生命探測 285
10.1 引言 285
10.2 井下巷道環(huán)境探測 285
10.2.1 災后環(huán)境及探測任務(wù) 285
10.2.2 環(huán)境探測系統(tǒng)功能設(shè)計 287
10.2.3 環(huán)境數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計 288
10.2.4 小型甲烷傳感器設(shè)計 296
10.2.5 數(shù)據(jù)采集性能測試 299
10.3 礦工人員生命探測 303
10.3.1 基于視覺的搜救設(shè)備 303
10.3.2 基于聽覺的搜救設(shè)備 307
10.3.3 DKL搜救設(shè)備 309
10.3.4 基于雷達的搜救設(shè)備 310
10.3.5 基于嗅覺的搜救設(shè)備 312
參考文獻 313
第11章 機器人防爆設(shè)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(shè)計 320
11.3.1 隔爆接合面 320
11.3.2 主箱體隔爆設(shè)計 321
11.3.3 電機隔爆設(shè)計 325
11.3.4 其他隔爆設(shè)計單元 332
11.4 機器人部件本安設(shè)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(shè)備 339
11.5 主箱體防爆與結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計 340
11.5.1 隔爆箱體輕量化設(shè)計方案分析 340
11.5.2 隔爆箱體輕量化優(yōu)化建模 341
11.5.3 隔爆箱體自加強結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 350
參考文獻 352