一种基于煤矿井环境的无人机及巡检系统的制作方法

1.本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种基于煤矿井环境的无人机及巡检系统。


背景技术：

2.目前，我国煤炭资源的分布存在浅层埋藏量不足的特性，煤炭开采逐步向深部开发利用发展，开采难度越来越大，容易出现瓦斯冲突、冲击地压等灾害的可能性也随之升高。传统的开采方案都是通过人工下矿井的方式去开采，这样可能对于工人的人身和财产造成损失。而且人工巡检比较费时费力，难以高密度实施，巡检结果过度依赖人员经验，实时性较差。
3.无人机作为一款高度智能的机器人，是一种通过无线电技术、设备和自控程序实现远端智能调控的非载人飞行器。无人机具有远程操控或自主能力，不存在执行人员伤亡的隐患，可以作为有效地探测设备。但是如何将无人机技术运用到煤矿井巡检中是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种基于煤矿井环境的无人机与巡检系统。能够将无人机技术运用到矿井巡检中。
5.有鉴于此，本发明第一方面提供了一种基于煤矿井环境的无人机，其特征在于，所述无人机包括：机载计算机、3d激光雷达、测高雷达、测顶雷达、红外热像仪、高清摄像头、气体传感器，所述无人机用于对顺槽皮带机所在巷道进行实时3d建模，以及将所述3d建模数据进行回传，以实现对所述顺槽皮带机工作状态的实时监测。
6.可选的，结合第一方面，所述气体传感器用于对煤矿井环境进行可燃性气体检测。
7.可选的，结合第一方面，所述无人机通过所述3d激光雷达、所述测高雷达、所述测顶雷达、以及所述高清摄像头实现3d即时定位与同步建图、自主飞行以及导航避障、悬停观测及精准降落。
8.可选的，结合第一方面，所述无人机通过红外热像仪、高清摄像头实现热成像及高清摄像。
9.可选的，结合第一方面，所述3d激光雷达包括16线3d激光雷达。
10.可选的，结合第一方面，所述测高雷达包括毫米波雷达或超声波雷达。
11.可选的，结合第一方面，所述3d激光雷达位于所述无人机顶部，所述无人机中部包括前视避障雷达，所述测高雷达、所述热成像仪与所述高清摄像头位于所述无人机底部。
12.本技术第二方面提供了一种巡检系统，所述巡检系统包括：无人机、地面站、无线充电站，以及无线通信系统，其中，所述无人机、所述地面站与所述无线充电站基于机器人操作系统，所述无人机、所述地面站与所述无线充电站通过所述无线通信系统互联，所述无人机为第一方面至第一方面任意一种可能的实现方式中所述的基于煤矿井环境的无人机。
13.可选的，结合第二方面，所述地面站基于linux系统和高性能工控机设计，具有远程控制所述无人机和所述无线充电站的功能，用于接收所述无人机的3d建模数据，并对所述顺槽皮带机的工作实时监测。
14.可选的，结合第二方面，所述无线充电站包括含有停机坪的无人机收纳箱，以及无线充电系统，能够由无人机通过所述无线通信系统控制所述无人机收纳箱的开合、所述停机坪的升降以及无线充电的开启与停止。
15.本技术能够将无人机技术运用到煤矿井的巡检中，以解决以往通过人工方式进行巡检过度依赖巡检人员的问题，能够提高实时性，且能够减少发生人员伤亡。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的一种无人机的系统硬件配置图；
17.图2为本发明实施例提供的一种无人机的外形结构图；
18.图3为本发明实施例提供的一种巡检系统的硬件连接图；
19.图4为本发明实施例提供的一种无人机软件工作流程图；
20.图5为本发明实施例提供的一种无人机的结构示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.本技术中出现的术语“和/或”，可以是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本技术中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
23.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
24.请参见图1，本技术提供了一种基于煤矿井环境的无人机，其特征在于，所述无人机包括：机载计算机、3d激光雷达、测高雷达(毫米波雷达)、测顶雷达(毫米波雷达)、红外热像仪、高清摄像头(高清夜市模块)、气体传感器。以及飞行控制系统、精准降落模块、充电模块。所述无人机用于对顺槽皮带机所在巷道进行实时3d建模，以及将所述3d建模数据进行回传，以实现对所述顺槽皮带机工作状态的实时监测。
25.其中，该无人机以x型四旋翼框架为基础，以机载计算机为核心连接各路传感器形成有机整体，通过无线通信系统连接地面站与无线充电站。
26.所述气体传感器用于对煤矿井环境进行可燃性气体检测。所述无人机通过所述3d
激光雷达、所述测高雷达、所述测顶雷达、以及所述高清摄像头实现3d即时定位与同步建图、自主飞行以及导航避障、悬停观测及精准降落。所述无人机通过红外热像仪、高清摄像头实现热成像及高清摄像。所述3d激光雷达包括16线3d激光雷达。所述测高雷达包括毫米波雷达或超声波雷达。
27.这样可以实现顺槽皮带机运行状态高密度快速巡检。对状态异常设备，能够实时提供精确位置信息，红外热像信息、高清图像信息以及环境建模数据和有害气体数据，为顺槽皮带机维护和管理工作决策提供精准信息支撑。
28.其中，该16线3d激光雷达可用线数更高的3d激光雷达代替，从而获得更高的定位精度；或用双3d雷达代替，3d建图效果更佳，但是无人机负载增加太多，轴距必然会加大，环境适应能力减弱；毫米波雷达可用超声波雷达替代，精度稍差；3d即时定位于同步建图(3d slam)算法可以有多种选择，会有计算量的差别。
29.请参见图2，图2为本技术提供的一种无人机的外形结构图。该外形结构考虑设计防水、防尘、防撞、振动、透气、散热、电磁干扰、无线充电等多方面需求，形成独特结构和专有外形。如图2所示，该3d激光雷达位于所述无人机顶部，所述无人机中部包括前视避障雷达，所述测高雷达、所述热成像仪与所述高清摄像头位于所述无人机底部。
30.请参见图3，图3为本技术提供的一种巡检系统的硬件连接图。其中该巡检系统中，无人机以机载计算机为中心，连接各个机载设备，接收数据并控制相应机构；以无线通信网络为媒介，实现各个平台的互联互通。同时，地面站也可以充当副中心功能。在需要的时候，实现人工手动控制系统。
31.参见图3，该无人机包括气体传感器、毫米波雷达、精准着陆。该气体传感器通过urat与机载计算机相连接，该云台(热成像仪及高清摄像头)通过网口与机载计算机相连，该16线3d激光雷达也通过网口与机载计算机相连。该飞控通过uart与机载计算机相连。且该飞控包括主通道1
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4，辅助通道1
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4。该主通道1
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4连接电调1
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4、电机1
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4以及螺旋桨1
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4。
32.该无人机、地面站平台、无线充电平台通过无线通信系统互联。
33.请参见图4，图4为本技术提供的一种无人机软件工作流程图。该机载软件系统为核心的数据处理中心和控制中枢，通过与充电平台数据交互，获取充电状态和充电平台状态，决定该无人机是否可以巡检。通过slam算法确定自身位置和环境信息。通过高度计获取相对高度信息，结合激光雷达进行障碍规避。通过已有地图信息进行全局规划。该具体流程可以包括：
34.设备初始化后，处于等待状态。判断现在处于充电平台的位置时，判断是否有已经存储的地图。通过激光里程计实时slam(新建模式或更新模式)mapping。通过障碍物探测进行航迹规划并路径更新。判断里程计计数是否达到充电平台，判断是否收到充电平台通信信号。开启充电平台与设备照明。精准着陆。充电模式。
35.图5是本发明实施例提供的一种无人机的结构示意图，该无人机300可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(cemtrml processimg umits，cpu)310(例如，一个或一个以上处理器)和存储器320，一个或一个以上存储应用程序333或数据332的存储介质330(例如一个或一个以上海量存储设备)。其中，存储器320和存储介质330可以是短暂存储或持久存储。存储在存储介质330的程序可以包括一个或一个以上模块(图示没标出)，每个模块可以包括对该无人机300中的一系列指令操作。更进一步
地，处理器310可以设置为与存储介质330通信，在无人机300上执行存储介质330中的一系列指令操作。
36.无人机300还可以包括一个或一个以上电源340，一个或一个以上有线或无线网络接口330，一个或一个以上输入输出接口360，和/或，一个或一个以上操作系统331，例如wimdows serve，nmc os x，umix，limux，freebsd等等。本领域技术人员可以理解，图5示出的无人机的结构并不构成限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
37.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
38.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(remd
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omly nenory，ron)、随机存取存储器(rmmdon mccess nenory，rmn)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
39.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法，在没有超过本技术的精神和范围内，可以通过其他的方式实现。当前的实施例只是一种示范性的例子，不应该作为限制，所给出的具体内容不应该限制本技术的目的。例如，一些特征可以忽略，或不执行。
40.本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
41.以上对本发明实施例所提供的一种基于煤矿井环境的无人机及巡检系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。