一种矿用皮带运输机二维索道巡检机器人的制作方法

本发明涉及巡检机器人技术领域，具体涉及一种矿用皮带运输机二维索道巡检机器人。

背景技术：

在煤炭生产过程中，皮带运输机是重要的煤炭运输设备，然而在运输机工作的过程中时常发生皮带的断裂、跑偏、打滑和托辊损坏等事故，造成财产的损失与人员的伤亡。这就需要我们能够做到及时发现皮带运输机出现的问题并及时解决以防造成更严重的后果。

因此，人们提出了巡检机器人以协助人们实时监测运输机工作情况。但传统的巡检机器人需要在皮带运输机上方架设工字钢轨道供机器人运动，这对于地形复杂的煤矿开采区实现起来困难较大，施工成本也很高。而且，处于轨道上的巡视机器人运动范围相对固定，只能沿已经铺设好的固定轨道路线巡视，视野狭小。

针对这一问题，人们提出了索道巡检机器人，而索道巡检机器人的提出使得摄像机无死角远距离拍摄成为可能，并且不再受地形的影响，只需要架设好索道就能控制摄像机在索道上运动完成拍摄任务。

但是，现有的索道巡检机器人由于运行在柔性索道上，其位姿难以保持平衡，从而影响运动稳定性，导致摄像机无法拍摄出稳定清晰的画面，影响对皮带运输机工作过程中数据的采集。

技术实现要素：

根据本发明的目的提出的一种矿用皮带运输机二维索道巡检机器人，包括索道小车、柔索牵引设备以及地面控制设备；所述空中索道小车包括索道小车主体、搭载于索道小车主体上的摄像模块、环境监测模块以及数据处理模块；

所述索道小车主体在柔索牵引设备的驱动下于索道上移动，所述柔索牵引设备包括用于牵引索道小车主体的牵引柔索、设置于索道两端控制辊子卷绕柔索的第一伺服电机、第一伺服驱动器以及通讯模块；

所述摄像模块包括摄像机以及摄像机位姿矫正单元，所述摄像机用于采集皮带运输机的图像信息，所述摄像机位姿矫正单元用于感应摄像机的倾斜方向与倾斜量并进行摄像机的位姿调整；

所述环境监测模块用于采集皮带运输机周围的环境状态信息；

所述数据处理模块分别与柔索牵引设备、摄像模块和环境监测模块电连接；所述数据处理模块包括数据采集模块、数据压缩模块和无线传输模块，所述数据采集模块采集索道小车的运动信息、摄像机图像信息以及环境状态信息，并将其通过数据压缩模块压缩后，经由无线传输模块传输至地面控制设备进行处理、分析，地面控制设备根据分析结果回传控制指令至柔索牵引设备，调整索道小车的运动状态。

优选的，所述摄像机位姿矫正单元包括水平感应器、位姿矫正机构以及位姿矫正程序处理模块；所述水平感应器与数据处理模块电连接，用于感应摄像机的倾斜方向及倾斜量，并将感应到的实时数据通过数据处理模块压缩后无线发送至地面控制设备中的位姿矫正程序处理模块中，经由位姿矫正程序处理模块分析处理后，确定摄像机的位姿矢量；当位姿矢量偏离设定范围时，启动位姿矫正程序处理模块中的计算机视觉处理程序块，根据摄像机图像信息确定摄像机的倾斜角度，发送控制指令至位姿矫正机构；所述位姿矫正机构包括第二伺服电机、第二伺服驱动器以及设置于索道小车上的嵌入式pc机，地面控制设备发送控制指令至嵌入式pc机，嵌入式pc机控制第二伺服驱动器发送脉冲信号至第二伺服电机，第二伺服电机根据脉冲信号控制摄像机反向旋转已算出的偏离角度，进行摄像机位姿矫正。

优选的，所述巡检机器人还包括索道张紧设备，所述索道张紧设备包括安装在索道一端连接索道的张紧机构以及运动控制器；在摄像机位姿矫正单元检测到摄像机出现倾斜，并计算出具体的倾斜方向与倾斜量，通过地面控制设备发送控制指令至运动控制器，运动控制器控制张紧机构中张紧轮工作，进行索道张紧调整。

优选的，所述地面控制设备包括计算机，负责对所有采集的数据进行集中的分析与处理；所述地面控制设备包括两种工作模式，分别为自动运行模式与手动操作模式；自动运行模式下，索道小车按照既定往返程序自动运行，连续不断的传输回皮带运输机工作过程中的图像和环境状态信息；手动操作模式下，监测人员可手动控制索道小车前进、后退、暂停以及摄像机状态的调整。

优选的，所述摄像模块还包括摄像机水平360度旋转驱动单元和摄像机垂直升降单元，两个单元分别对应设置有伺服电机和伺服驱动器；手动操作模式下，监测人员操控地面控制设备发送控制指令至嵌入式pc机，嵌入式pc机控制伺服驱动器发送脉冲信号至对应的伺服电机，伺服电机根据脉冲信号控制摄像机进行相应的运动。

优选的，所述环境监测模块包括设置于索道小车主体上的用于检测皮带运输机周围温度情况的红外温度传感器以及用于检测皮带运输机周围烟雾情况的烟雾报警器；所述地面控制设备还包括与计算机电连接烟雾报警器开关和温度报警器开关，当计算机分析处理后的温度数据或烟雾浓度达到系统预设阈值时，启动对应报警器开关进行报警。

优选的，所述索道小车上还设置有用于为索道小车供电的智能充电模块，所述智能充电模块包括电池和电量感知系统，所述智能充电模块与数据处理模块电连接，当电量感知系统感应到电量低于预设最低电量时，经由数据处理模块发送信息至地面控制设备，通过地面控制设备发送指令至柔索牵引设备，带动索道小车回到供电地点充电。

优选的，所述牵引小车还包括驱动单元，所述驱动单元包括安装于索道小车主体上的驱动机构、第五伺服电机、第三伺服驱动器以及嵌入式pc机，地面控制设备发送控制指令至嵌入式pc机，嵌入式pc机控制第三伺服驱动器发送脉冲信号至第五伺服电机，第五伺服电机根据脉冲信号控制驱动机构。

与现有技术相比，本发明公开的一种矿用皮带运输机二维索道巡检机器人的优点是：

(1)本发明利用皮带运输机巡检机器人，实时采集皮带运输机运行过程中的各种数据信息，并及时反馈，便于监测人员及时发现皮带运输机工作过程中产生的问题。

(2)本发明能够保证巡检机器人的位姿水平，以拍摄到更加稳定的画面，提高监测效果。

(3)本发明通过计算机软件控制巡视机器人完成移动、摄像机的水平旋转和垂直升降等动作，对皮带运输机周围的情况进行仔细的观察，极大地增加了巡检机器人的视野范围。

(4)本发明使用柔索牵引设备驱动索道小车，驱动装置放置于地面减轻了巡检机器人的重量，减轻了索道的负担。

(5)本发明能够智能感知巡检机器人的电量，当电量过低时能够自动回到地面充电地点及时充电。

(6)本发明能够实现自动运行模式和手动操作模式，两种模式能够相互切换。平常监视时，可采用自动运行模式，巡检机器人按照设定好的程序自动运行，一旦出现意外情况可以立即切换到手动模式控制摄像机旋转与升降，观察具体的现场状况。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明公开的一种皮带运输机二维索道巡检机器人的控制系统原理图。

图2为本发明公开的一种皮带运输机二维索道巡检机器人的控制程序流程图。

图中的数字或字母多代表的零部件名称为：

1-索道小车；11-摄像模块；12-环境监测模块；13-数据处理模块；14-智能充电模块；2-柔索牵引设备；3-地面控制设备；4-索道张紧设备。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

如图1、2所示的一种矿用皮带运输机二维索道巡检机器人，包括索道小车1、柔索牵引设备2以及地面控制设备3。索道小车1包括索道小车主体、搭载于索道小车主体上的摄像模块11、环境监测模块12以及数据处理模块13。

索道小车主体在柔索牵引设备2的驱动下于索道上移动。柔索牵引设备2包括用于牵引索道小车主体的牵引柔索、设置于索道两端控制辊子卷绕柔索的第一伺服电机、第一伺服驱动器以及ethercat通讯模块。地面控制设备3发送控制指令至通讯模块，通过通讯模块控制第一伺服驱动器发出脉冲至第一伺服电机，第一伺服电机根据脉冲信号控制相应辊子转动。具体的，柔索牵引设备2通过牵引柔索控制索道小车1的前进、后退和速度的快慢。索道小车主体前后各引出一条柔索，由索道两端的伺服电机控制辊子卷绕柔索，控制索道小车1的运动。若需要制动索道小车1，则只需要卷绕与之运动相反的一根柔索即可制动。其中地面控制设备3中的twincat软件通过ethercat通讯模块控制第一伺服驱动器发出脉冲控制第一伺服电机，第一伺服电机与数据处理模块电连接，将其运转速度等信息反馈至地面控制设备3。这种将机器人驱动部分从巡检机器人上分离的设计，减轻了机器人本身的重量，有利于机器人在索道上运动而不使索道垂度过大。

进一步的，牵引小车1还包括驱动单元，所述驱动单元包括安装于索道小车主体上的驱动机构、第五伺服电机、第三伺服驱动器以及嵌入式pc机，地面控制设备3发送控制指令至嵌入式pc机，嵌入式pc机控制第三伺服驱动器发送脉冲信号至第五伺服电机，第五伺服电机根据脉冲信号控制驱动机构。其中，第五伺服电机与数据处理模块13电连接，将其转速等信息无线传输至地面控制设备，实时反馈信息，以便更好的控制。该驱动单元的设置，提高索道小车1运功控制的精度。

摄像模块11包括摄像机，用于采集皮带运输机的图像信息。环境监测模块12用于采集皮带运输机周围的环境状态信息。数据处理模块13与柔索牵引设备2、摄像模块11和环境监测模块12电连接。数据处理模块13包括数据采集模块、数据压缩模块和无线传输模块，三者依次相连。数据采集模块采集索道小车1的运动信息、摄像机图像信息以及环境状态信息，并将其通过数据压缩模块压缩后，经由无线传输模块传输至地面控制设备3进行处理、分析，地面控制设备3根据分析结果回传控制指令至柔索牵引设备2，调整索道小车1运动状态。数据处理模块13为一集成芯片，由数据采集器、数据压缩芯片以及无线数据传输芯片构成。其具体型号不限，能够实现相应功能即可。

进一步的，摄像模块11还包括摄像机位姿矫正单元。由于把巡检机器人的刚性轨道换成了柔性的钢丝绳轨道，因此摄像机的稳定性便成了至关重要的部分。索道巡检机器人在工作过程中经常会产生严重的位姿失衡现象，严重影响摄像机的拍摄工作，因此需依靠控制系统调节摄像机的位姿，使得其能尽量保持水平以拍摄到稳定的画面。

摄像机位姿矫正单元包括水平感应器、位姿矫正机构以及位姿矫正程序处理模块。水平感应器与数据处理模块13电连接，感应摄像机的倾斜方向及倾斜量，并将感应到的实时数据通过数据处理模块13压缩后无线发送至地面控制设备3中的位姿矫正程序处理模块中，经由位姿矫正程序处理模块分析处理后，确定摄像机的位姿矢量。具体的，对于处在空间中的巡检机器人，单个水平感应器无法确定其具体的位姿状态，因此本方案采用三点不共线的方式布置三个水平感应器，对巡检机器人前端、后左端与后右端三个位置进行感应，获得该位置的倾斜方向及倾斜量，并将感应到的实时数据发送到地面控制设备3中的位姿矫正程序处理模块中，由位姿矫正程序处理模块中matlab软件对三点数值进行分析确定巡检机器人的位姿矢量。当位姿矢量偏离设定范围时，启动位姿矫正程序处理模块中的计算机视觉处理程序块，根据摄像机图像信息确定摄像机的倾斜角度，发送控制指令至位姿矫正机构。

该计算机视觉处理程序块是基于python语言并建立在opencv计算机视觉库上的一种视觉算法，opencv提供了videocapture类来获取摄像机的帧流，利用图像显示函数显示图像并保持窗口中的帧可以一直进行更新，形成动态的画面，本发明提供的算法核心在于利用旋转矩阵对捕捉到的视频每一帧进行变换，将其变换为设定好的正确显示位置，所谓设定好的正确显示位置是在opencv框架下采用python中的图像处理类库将拍摄的画面线条化后与设定好的正常画面的线条簇进行比对，当两种画面中的线条簇呈现平行状态时视为符合人的正常观察视角，并采用最优旋转方案原则，以最小的旋转角度回归正常画面，避免旋转角度超过180度，输出对应的旋转矩阵换算出旋转角度的绝对值并判断，当旋转角的绝对值大小高于规定的范围，即此时的巡检机器人发生严重的倾斜，摄像机拍摄出的画面发生旋转影响人的监视，此时启动twincat软件向嵌入式pc发送控制命令。

由于视觉算法在处理视频文件时，采用的是逐帧分析的方式，占用大量的内存与cpu，因此需要配合上述的水平感应器系统先一步确认巡检机器人的位姿是否发生倾斜，再利用计算机视觉处理程序进行识别与精确计算，得出具体的倾斜角度，数据经处理后，由twincat软件负责控制摄像机运动，由此形成一套智能化的位姿自动矫正系统。

具体的，位姿矫正机构包括第二伺服电机、第二伺服驱动器以及设置于索道小车1上的嵌入式pc机，地面控制设备3发送控制指令至嵌入式pc机，嵌入式pc机控制第二伺服驱动器发送脉冲信号至第二伺服电机，通过第二伺服驱动器驱动第二伺服电机，第二伺服电机通过与之相连的齿轮带动蜗轮蜗杆运动，悬臂通过齿轮组与蜗轮啮合，在齿轮组的带动下悬臂一端的齿轮轴带动整个悬臂产生相应的偏转运动，由于其另一端固定着摄像机，因此摄像机同样发生产生偏转运动，偏转方向与计算机计算出的画面倾斜方向相反。偏斜量的计算则是基于已知蜗轮蜗杆的模数和齿数、齿轮组的传动比和悬臂的长度，结合已经得出的画面偏斜量，能够快速计算出电机的转动量，从而能够控制摄像机拍摄出正常的画面。同时，第二伺服电机与数据处理模块电连接，将其转速等信息无线传输至地面控制设备3，实时反馈信息。

进一步的，巡检机器人还包括索道张紧设备4，该索道张紧设备4包括安装在索道一端连接索道的张紧机构以及运动控制器。在摄像机位姿矫正单元检测到摄像机出现倾斜，并计算出具体的倾斜方向与倾斜量，通过地面控制设备3发送控制指令至运动控制器，控制张紧机构中张紧轮工作，进行索道张紧调整。具体的，该索道张紧设备4在索道一端安装张紧机构连接索道，并受运动控制器控制，控制原理是基于上述所测出的巡检机器人位姿矢量，当位姿矢量出现偏斜时，计算出具体的倾斜方向与倾斜量，并将所连接的多条平行索道拉力值输入上位机索道张紧控制程序中，结合位姿矢量利用运动控制器协同控制各索道的张紧程度，运动控制器控制张紧机构张紧索道后通过收集到的位姿矢量信息进一步自动调整，形成自主反馈与调节的张紧系统。通过索道张紧设备4减小索道的垂度，进而稳定索道上的巡检机器人，使得在强风天气下，索道处于张紧状态，不产生过大幅度的摆动，保证巡检机器人的稳定运行。索道张紧调整后，巡检机器人位姿平衡，位姿矫正程序处理模块中的计算机视觉处理程序块，根据摄像机所采集的图像信息，确定摄像机的倾斜角度，再次调整摄像机使其位姿平衡。

进一步的，地面控制设备3包括计算机，负责对所有采集的数据进行集中的分析与处理，最终在显示器的人机交互界面显示出来，便于监控摄像机传输回来的画面以及各个伺服电机的数据。地面控制设备3包括两种工作模式，分别为自动运行模式与手动操作模式；任意一种模式运行时都能随时中断切换到另一种模式，两种运行模式的人机交互界面保持不变。自动运行模式下，索道小车1按照既定往返程序自动运行，连续不断的传输回皮带运输机工作过程中的图像和环境状态信息；手动操作模式下，监测人员可手动控制索道小车前进、后退、暂停，同时操作摄像机的水平360度旋转和垂直升降功能，对皮带运输机周围的情况进行仔细的观察，极大地增加了视野范围。自动运行模式下，监控人员只需观察搜集到的画面即可，若需要对某地点进行重点观察，可以立即切换手动模式，通过twincat软件控制伺服电机驱动摄像头水平旋转和升降，获得更加高清的画面和更加广阔的视角。

计算机中负责控制索道小车1上驱动单元的软件为beckhoff公司的twincat软件，twincat软件是由德国beckhoff公司推出的一种集控制、编程和可视化为一体的自动化系统编程开发软件，twincat软件系统可将任何一个基于pc的系统转换为一个带多plc、nc、cnc和机器人实时操作系统的实时控制系统。索道小车1上驱动单元的各个伺服电机实时数据可以通过twincat软件获得，便于工作人员监测。摄像机位姿矫正处理程序模块负责对水平感应器发送的信息和视频信息进行处理，该程序模块包含matlab矢量计算程序和计算机视觉程序，当数据处理完毕后打开与twincat的通讯通道，发送指令，利用twincat控制系统实现对摄像机位姿的自动矫正功能。此外，负责环境监测模块12的控制程序实时分析数据，并将结果显示在界面之中。因此，人机交互界面由三个部分组成，分别是摄像机画面监控部分、环境监测模块12数据显示部分和驱动模块中伺服电机数据显示部分。

进一步的，摄像模块11还包括摄像机水平360度旋转驱动单元和摄像机垂直升降单元，摄像机水平360度旋转驱动单元对应设置有第三伺服电机，摄像机垂直升降单元对应设置有第四伺服电机。手动操作模式下，监测人员根据操作要求，操控地面控制设备3发送控制指令至嵌入式pc机，嵌入式pc机控制相应第二伺服驱动器发送脉冲信号至第三伺服电机或第四伺服电机，相应伺服电机根据脉冲信号控制摄像机进行相应的运动，即摄像机水平360度旋转驱动单元中第三伺服电机驱动旋转盘驱动摄像机转动，摄像机垂直升降单元中第四伺服电机驱动伸缩杆控制摄像机的升降，第三伺服电机和第四伺服电机均与数据采集模块相连，经数据压缩后通过无线传输模块送往地面计算机进行实时监测。

进一步的，环境监测模块12包括设置于索道小车主体上的用于检测皮带运输机周围温度情况的红外温度传感器以及用于检测皮带运输机周围烟雾情况的烟雾报警器。地面控制设备3还包括与计算机电连接烟雾报警器开关和温度报警器开关，当计算机分析处理后的温度数据或烟雾浓度达到系统预设阈值时，启动对应报警器开关进行报警，同时控制伺服电机停止巡检机器人，拍摄现场的具体情况，确定具体的位置，以便工作人员及时抢修。地面控制设备3还包括plc，plc与计算机电连接，且同时连接烟雾报警器开关和温度报警器开关，对各个报警器开关进行逻辑控制，控制进度及实时性更好。

红外温度传感器负责收集皮带运输机工作时周围的温度，并把数据传送给数据采集模块13，经压缩后通过无线传输模块送达地面控制设备，一旦温度值出现异常，地面控制设备3便可通过软件控制plc打开温度报警器开关发出警报。

烟雾传感器负责收集皮带运输机工作时周围烟雾的情况，同样的，烟雾传感器的数据按照与红外温度传感器同样的方式最终传输到地面控制设备3中，由计算机进行数据分析。地面控制设备3中的plc与计算机相连且同时连接温度报警器开关和烟雾报警器开关，由环境监测模块12控制程序控制，当温度数据或者烟雾浓度达到阈值时启动对应的报警器。

进一步的，索道小车1上还设置有用于为索道小车1供电的智能充电模块14，智能充电模块14包括电池和电量感知系统，智能充电模块14与数据处理模块13电连接，当电量感知系统感应到电量低于预设最低电量时，经由数据处理模块13发送信息至地面控制设备3，通过地面控制设备3发送指令至柔索牵引设备2，带动索道小车1回到供电地点充电，待冲完电之后再次启动，开始巡检任务。

综上所述，本发明公开的一种矿用皮带运输机二维索道巡检机器人，能够实时采集皮带运输机运行过程中的各种数据信息，并及时反馈，便于监测人员及时发现皮带运输机工作过程中产生的问题。同时通过摄像机位姿矫正单元能够保证巡检机器人的位姿水平，以拍摄到更加稳定的画面，提高监测效果。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。