一种矿用自发电式巡检机器人系统及控制方法与流程

本发明涉及机器人领域，具体的说是一种矿用自发电式巡检机器人系统及控制方法。

背景技术：

当前，国家提出要大力发展和推广在煤矿井下等易爆危险场所应用的具备巡检、勘察、探测等功能的机器人，以代替人工，降低劳动风险和强度，提高劳动效率。目前，煤矿井下应用的巡检机器人一般都采用充电电池为机器人供电，完成对设备的监测和数据采集。但由于煤矿井下防爆要求，电池组和充电设备以及电池工作时间都受到一定限制。因此，开发适用于煤矿井下长距离、大倾角巷道运行，且无需充电、真正实现24h无人值守的防爆巡检机器人势在必行。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明公开了一种矿用自发电式巡检机器人系统及控制方法，其功能是利用机器人本体的移动，将移动的机械能转化为电能，供机器人本体内部电路和检测仪器工作，在巡检中过程实时采集巷道内各种数据并进行分析、识别，及时发现巷道设备运行中产生的问题，以便及时报警处理。

本发明采用的技术方案是：一种矿用自发电式巡检机器人系统，该巡检机器人系统由驱动控制部分和机器人本体两部分组成。

所述驱动控制部分包括：上位机、无线基站、就地控制箱、变频器、电机、钢丝绳、钢丝绳轮、轨道、上限位传感器和下限位传感器。所述上位机与无线基站通过以太网连接通信；所述无线基站与就地控制箱通过以太网连接通信；所述就地控制箱与变频器连接，变频器驱动电机转动。在巡检机器人巡检线路的起点和终点各安装一个钢丝绳轮，钢丝绳环绕在钢丝绳轮上。电机通过带动其中一个钢丝绳轮转动使钢丝绳移动，通过钢丝绳移动牵引机器人本体行走进行巡检。沿机器人本体行走的路线，安装有与钢丝绳平行的轨道。所述无线基站与机器人本体进行无线通信，上位机用于显示机器人本体采集的现场数据信息；所述上限位传感器和下限位传感器分别安装在巡检机器人巡检线路的起点和终点，用于限定机器人本体的巡检移动范围，并与就地控制箱相连。

所述机器人本体包括：夹紧轮、发电机、整流保护板、控制器、本安双视云台、无线通讯模块、cd4、拾音器、避障传感器和rfid。所述机器人本体固定悬挂在钢丝绳上，夹紧轮安装在轨道两侧，夹紧轮的轮轴与发电机相连，钢丝绳牵引机器人本体移动时，夹紧轮通过与轨道摩擦而转动，从而带动发电机旋转，将机械能转化为电能。发电机输出与整流保护板相连，所述整流保护板包括整流滤波电路和保护电路。整流滤波电路将发电机发出的交流电整流为直流电，并经滤波储能后为机器人本体其他部件供电。所述保护电路具有能量泄放保护和过压保护。能量泄放保护采用能量泄放电阻消耗发电机产生的过多电能，以免产生意外危险。过压保护采用压敏电阻，限制发电机产生过高电压，防止损坏负载。

所述本安双视云台包括红外热像仪、可见光摄像机、补光灯、垂直电机、水平电机、垂直角度传感器和水平角度传感器。所述cd4为可同时检测四种不同气体浓度的四合一气体传感器。所述拾音器为定向声音采集咪头，能够有效防止噪声干扰。所述避障传感器能有效检测异物，避免机器人本体与其他物体碰撞。所述rfid为非接触式机器人本体定位传感器，能定点标定机器人位置。所述无线通讯模块用于与无线基站进行无线通讯。

所述控制器是控制机器人本体完成检测任务的核心部件，控制器由微处理器构成，本安双视云台、无线通讯模块、cd4、拾音器、避障传感器和rfid均与控制器相连。所述控制器用于接收红外热像仪、可见光摄像机、cd4、拾音器、避障传感器和rfid发来的图像和各种数据信息，并对视频图像及各种数据进行分析处理，然后经过无线通讯模块将处理后的图像和数据信息传输到上位机。

基于上述矿用自发电式巡检机器人系统，本发明还提供了一种矿用自发电式巡检机器人系统控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一：上位机与就地控制箱建立连接，并进行系统参数初始化。

步骤二：上位机与就地控制箱通信，根据控制权限设置，下发移动控制命令给变频器，驱动电机带动机器人本体前进、后退或停止，同时可设置不同运行速度值。

步骤三：变频器和电机执行控制命令，如果执行正常，则返回变频器和电机的运行参数数据给上位机和就地控制箱并进行下一步；如果发生异常，则返回错误码，上位机循环执行步骤二。

步骤四：电机带动钢丝绳牵引机器人本体移动的过程中，机器人本体的发电机发电，经整流滤波及保护处理为稳定直流电源后，为机器人本体各组成部分供电，同时上位机与机器人本体控制器建立无线通讯连接。

步骤五：机器人本体的控制器执行上位机下发的数据采集命令，控制本安双视云台旋转，采集巡检现场不同角度和位置的可见光图像、红外热像图和温度数据，以及四种气体浓度、现场声音、机器人定位和周围避障异物信息，并通过无线模块将采集的图像和数据信息上传到上位机进行显示。

步骤六：机器人本体在采集信息的同时，机器人本体的控制器对采集的数据信息进行分析、处理，判断是否存在异常；如发现异常，则向上位机发出预警信号，同时转到步骤七。若无异常，循环执行步骤五。

步骤七：上位机收到预警信号后，根据异常信息，控制机器人本体的移动状态。机器人本体控制器则根据异常信息控制本安双视云台旋转，对故障点进行进一步循环检测，深度分析；若确认为设备故障或环境参数达到报警值，则发出紧急报警信息，通知上位机采取措施。若异常解除，返回步骤五继续执行。

本发明的有益效果是：该矿用自发电式巡检机器人系统利用巡检机器人移动过程中发电机夹紧轮与轨道的摩擦转动进行发电，将转动的机械能转化为电能，为机器人本体各个电气元件提供电源，解决了蓄电池防爆及需经常充电的问题，使得机器人系统可在煤矿井下长距离、大倾角巷道运行，无需充电，真正实现24h无人值守连续运行巡检。

附图说明

图1是矿用自发电式巡检机器人系统组成结构示意图。

图2是整流保护板电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

如图1所示，一种矿用自发电式巡检机器人系统，该巡检机器人系统由驱动控制部分和机器人本体两部分组成。

所述驱动控制部分包括：上位机、无线基站、就地控制箱、变频器、电机、钢丝绳、钢丝绳轮、轨道、上限位传感器和下限位传感器。所述上位机与无线基站通过以太网连接通信；所述无线基站与就地控制箱通过以太网连接通信；所述就地控制箱与变频器连接，变频器驱动电机转动。在巡检机器人巡检线路的起点和终点各安装一个钢丝绳轮，钢丝绳环绕在钢丝绳轮上。电机通过带动其中一个钢丝绳轮转动使钢丝绳移动，通过钢丝绳移动牵引机器人本体行走进行巡检。沿机器人本体行走的路线，安装有与钢丝绳平行的轨道。所述无线基站与机器人本体进行无线通信，上位机用于显示并分析机器人本体采集的现场数据信息；所述上限位传感器和下限位传感器分别安装在巡检机器人巡检线路的起点和终点，用于限定机器人本体的巡检移动范围，并与就地控制箱相连。

所述机器人本体包括：夹紧轮、发电机、整流保护板、控制器、本安双视云台、无线通讯模块、cd4、拾音器、避障传感器和rfid。所述机器人本体固定悬挂在钢丝绳上，夹紧轮安装在轨道两侧，夹紧轮的轮轴与发电机相连，钢丝绳牵引机器人本体移动时，夹紧轮通过与轨道摩擦而转动，从而带动发电机旋转进行发电。发电机输出与整流保护板相连，所述整流保护板包括整流滤波电路和保护电路。整流滤波电路将发电机发出的交流电整流为直流电，并经滤波储能后为机器人本体其他部件供电。所述保护电路具有能量泄放保护和过压保护。能量泄放保护采用能量泄放电阻消耗发电机产生的过多电能，以免产生意外危险。过压保护采用压敏电阻，限制发电机产生过高电压，防止损坏负载。

所述控制器是控制机器人本体完成检测任务的核心部件，控制器由微处理器构成，本安双视云台、无线通讯模块、cd4、拾音器、避障传感器和rfid均与控制器相连。所述本安双视云台包括红外热像仪、可见光摄像机、补光灯、垂直电机、水平电机、垂直角度传感器和水平角度传感器。所述cd4为可同时检测四种不同气体浓度的四合一气体传感器。所述拾音器为定向声音采集咪头，能够有效防止噪声干扰。所述避障传感器用于检测机器人本体行走过程中遇到的障碍物，避免机器人本体与其他物体碰撞。所述rfid为非接触式机器人本体定位传感器，用于定点标定机器人本体所在位置。所述无线通讯模块用于与无线基站进行无线通讯。

所述控制器用于接收红外热像仪、可见光摄像机、cd4、拾音器、避障传感器和rfid发来的图像和各种数据信息，并对视频图像及各种数据进行分析处理，然后经过无线通讯模块将处理后的图像和数据信息传输到上位机。

如图2所示，整流保护板包括整流滤波电路和保护电路。所述的整流滤波电路将发电机发出的交流电整流为直流电，并经c1、c2滤波储能后为机器人本体的各数据采集部件供电。所述保护电路包括过压保护和能量泄放保护。所述过压保护采用rt1、rt2压敏电阻，限制发电机产生过高电压，防止损坏负载。所述能量泄放保护利用能量泄放电阻r1、r2消耗发电机产生的过多电能，以免产生意外危险。

基于上述矿用自发电式巡检机器人系统，本发明还提供了一种矿用自发电式巡检机器人系统控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一：上位机与就地控制箱建立连接，并进行系统参数初始化。

步骤二：上位机与就地控制箱通信，根据控制权限设置，下发移动控制命令给变频器，驱动电机带动机器人本体前进、后退或停止，同时可设置不同运行速度值。

步骤三：变频器和电机执行控制命令，如果执行正常，则返回变频器和电机的运行参数数据给上位机和就地控制箱并进行下一步；如果发生异常，则返回错误码，上位机循环执行步骤二。

步骤四：电机带动钢丝绳牵引机器人本体移动的过程中，机器人本体的发电机发电，经整流滤波及保护处理为稳定直流电源后，为机器人本体的控制器、本安双视云台、无线通讯模块、cd4、拾音器、避障传感器和rfid提供电源。同时，上位机与机器人本体控制器建立无线通讯连接。

步骤五：机器人本体的控制器执行上位机下发的数据采集命令，控制本安双视云台旋转，采集巡检现场不同角度和位置的可见光图像、红外热像图和温度数据，以及采集四种气体浓度、现场声音、机器人位置信息和周围环境障碍物信息，并通过无线模块将采集的数据信息上传到上位机进行显示。

步骤六：机器人本体在采集信息的同时，机器人本体的控制器对采集的数据信息进行分析、处理，判断是否存在异常；如发现异常，则向上位机发出预警信号，同时转到步骤七。若无异常，循环执行步骤五。

步骤七：上位机收到预警信号后，根据异常信息，控制机器人本体的移动状态。机器人本体控制器则根据异常信息控制本安双视云台旋转，对故障点进行进一步循环检测，深度分析；若确认为设备故障或环境参数达到报警值，则发出紧急报警信息，通知上位机采取措施。若异常解除，返回步骤五继续执行。

本发明所述并不限于具体实施方式所述的实施例，只要是本领域技术人员根据本发明方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新及保护的范围。