一種基于四軸飛行器的礦井災害時期探測裝置的制作方法

本發明涉及煤礦災變時期環境監測技術領域，尤其涉及一種基于四軸飛行器的礦井災害時期探測裝置。

背景技術：

目前無人機已經在航拍、農林、火災、監測預警中廣泛投入使用，無人機的小型化，高機動性、便攜性，在以上領域展現出了非常高的適應性。煤礦井下災害包括煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸、突水等事故，一旦事故發生通信設施受到破壞，井下斷電措施，井下的巷道、設備損壞情況和空氣環境無法獲知，給災后救援方案的制定和救援人員的安全保障帶來巨大挑戰。目前的井下事故救援一般靠專家的專業知識和經驗進行判斷，對井下的環境及可能發生的次生災害進行評估，然后再決定采取救援的時機。

目前危險作業機器人是機器人的一個新的發展方向，世界上許多國家研制出消防機器人、反恐防爆機器人、掃雷機器人等，煤礦井下探測救援機器人也有少量的研究實例。煤礦巷道有多種類型，不同巷道面受類型不同，巷道形狀、截面大小、穩定程度大不相同，尤其在災害期，狹窄的巷道面充斥大量障礙物，機器人在井下前進困難。

將危險作業機器人的核心技術移植到礦井救援探測機器人，并根據井下特點特化機器人。煤礦井下探測機器人能夠分析井下氣體成分，測量井下溫度及壓力，并將探測得到的環境參數存入機器人儲存器內，并通過無線系統將井下環境狀態傳回井外的上位機，專家及決策者利用得到的信息做出救援方案及決策。現有的救援機器人多采用履帶作為移動方式，采用履帶式移動可以在復雜的路況下使機器人穩定前進，收集大量井下環境信息。但是，在井下事故災害情況下，機器人可能遇到無法翻越的大型障礙物，導致探測機器人無法繼續前進，進而無法對井下環境進行全面的探測。

目前，尚沒有人將無人機用于井下探測。無人機具有小型化、高機動性、便攜性的特點，在發生礦井事故時，可以迅速的將無人機送往巷道內。并且，無人機的前進方式也避免了因無法翻越障礙物而無法繼續前進的弊端。履帶式機器人因其本身結構限制，難以同一位置多角度、全方位攝影，無人機憑借其飛行特征可以簡單完成該功能。通過預先將巷道信息錄入 無人機，利用紅外輔助系統及避障系統可以躲避沿線上的障礙物，到達指定的目的地。并將沿線探測到的環境參數通過無線系統傳輸到井外上位機。

目前井下無線通信性能較差，尤其在煤礦災害期，井下原有通信系統難以使用，巷道內障礙物進一步縮短機器人通信距離。因此提出一種利用四軸飛行器攜帶微型自帶電源無線中繼單元，沿巷道布置中繼單元。

技術實現要素：

鑒于上述井下災害的實際情況，提出一種基于四軸飛行器的礦井災害時期環境探測裝置。無人機具備放置無線中繼單元的能力。

本發明是通過以下技術方案來實現的：

本發明為一種利用四軸飛行器進行井下探測的技術及方法，包括無人機飛行器、遠程上位機，該無人機上搭載有主控制器、飛行控制器、避障系統、紅外輔助系統、微型紅外攝像頭、多參數微型氣體傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、中繼單元放置元件等部分組成。可以完成煤礦井下災害期的探測過程。

所述的一種利用四軸飛行器進行井下探測的技術及方法，主控制器的作用是控制無人機上的元件，并能與井外上位機進行信息交換。

所述的一種利用四軸飛行器進行井下探測的技術及方法，飛行控制模塊的作用是控制無人機的飛行方向，并具有自主飛行功能。

所述的一種利用四軸飛行器進行井下探測的技術及方法，參數監測模塊的作用是控制多參數型微型氣體傳感器(2)和溫度、壓力傳感器(3)，并將信息存儲在儲存器內。

所述的一種利用四軸飛行器進行井下探測的技術及方法，影像處理模塊的作用是處理紅外攝像頭(5)拍攝的影像，并將影像數據存儲在儲存器內。

所述的一種利用四軸飛行器進行井下探測的技術及方法，中繼單元放置模塊的作用是控制中繼單元放置裝置(4)，將微型含電源無線中繼單元在沿線放置。

所述的一種利用四軸飛行器進行井下探測的技術及方法，遠程上位機的作用是供井外專家和決策者查看井下情況，并發送控制無人機的指令。

所述的一種利用四軸飛行器進行井下探測的技術及方法，紅外夜視模塊的作用是控制紅外輔助系統發射紅外線，根據紅外線接收管接收到的高低電平判斷周圍是否有障礙物。

所述的一種利用四軸飛行器進行井下探測的技術及方法，避障系統的作用是利用紅外輔助系統得到的數據，自行優化飛行路線，保證無人機順利到達指定地點。

附圖說明

圖1為一種利用四軸飛行器進行井下探測裝置的整體框圖，由主控制器、飛行控制模塊、參數監控模塊、影像處理模塊、中繼單元放置模塊、遠程上位機、避障模塊、紅外夜視模塊組成。

圖2、圖3為無人機的俯視圖、正視圖，由無人機機身、旋轉翼、旋翼保護裝置(1)、多參數微型氣體傳感器(2)、溫度、壓力傳感器(3)、微型中繼單元放置裝置(4)、紅外攝像頭(5)、紅外輔助系統(6)等組成。

具體實施方式

根據上述的一種利用四軸飛行器進行井下探測，包括無人機飛行器、遠程上位機，該無人機上搭載有主控制器、飛行控制器、避障系統、紅外輔助系統、微型紅外攝像頭、多參數微型氣體傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器，主控制器分別連接紅外攝像頭、紅外輔助系統、中繼單元放置模塊及各類傳感器；考慮到礦井巷道內通信效果差，本設計加入中繼單元放置模塊，可以攜帶微型中繼單元并在航線中放置中繼單元，增加井下探測距離。考慮到災害期井下巷道結構復雜，本設計加入避障系統，根據預錄入巷道信息及利用紅外輔助系統探測數據，可以自主飛往目的地。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。

技術特征：

技術總結
本發明涉及一種礦井災害時期基于無人機的環境探測技術及方法。礦井發生瓦斯突出、瓦斯爆炸、火災、突水等災害時期，人員無法進入，救援搶險指揮部無法對井下環境進行評估，現利用四旋翼飛行器和井下的無線定位系統結合實現對無人機的飛行控制和數據傳輸，飛行器上攜帶微型紅外攝像頭、多參數微型氣體傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器。機載攝像頭和多種傳感器的監測數據可記錄在內置儲存器中，無人機在探測沿線布置微型自帶電源中繼單元，中繼單元兼容井下通信系統及無人機通信系統，從而延長無人機的通信傳輸距離，將儲存器內的數據通過無線通信系統傳回地面，從而提供救災基本參數。

技術研發人員：聶百勝;楊龍龍;許騰;蘇小強
受保護的技術使用者：中國礦業大學（北京）
技術研發日：2016.03.01
技術公布日：2017.09.08