煤矿巡检机器人集群任务调度系统及方法与流程

1.本发明属于煤矿机器人技术领域，具体涉及一种煤矿巡检机器人集群任务调度系统及方法。


背景技术：

2.煤矿企业已应用多类巡检机器人产品，针对这些机器人的作业管控均是在各自厂家独立配套的上位机程序(管理平台)上来实现，物理空间上存在独立性，不同的上位机安装在不同区域，不利于煤矿企业对在用的所有巡检机器人设备进行统一管控。
3.并且，管控对象均为独立的个体机器人，不支持面向机器人集群的高级应用。特别是针对井下复杂众多的巷道、硐室巡检任务，独立的个体机器人之间无法进行有效的数据交互，不具备协同作业、统一任务调度的能力。
4.此外，目前针对巡检机器人的调度任务，调度参数与控制属于松耦合关系，即人工操作的情况下，通过移动到某个位置、执行某项任务等操作对指定机器人进行控制，没有科学的调度算法支撑。
5.综上，在实际应用场景下，体现出机器人作业效率低、人工管理繁琐等问题。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
7.为此，本发明提出一种煤矿巡检机器人集群任务调度系统，该煤矿巡检机器人集群任务调度系统具有的优点。
8.根据本发明实施例的煤矿巡检机器人集群任务调度系统，包括：煤矿井下机器人集群，所述煤矿井下机器人集群由分布在煤矿井下的多个机器人组成；多个传感模块，所述传感模块安装在对应的所述机器人上；多个通讯模块，一部分所述通讯模块安装在对应的所述机器人上，另一部分所述通讯模块位于机器人附近；调度模块，所述调度模块与所述通讯模块相连，所述通讯模块用于将所述传感模块的信号发送给所述调度模块，并将所述调度模块的指令发送给所述机器人。
9.根据本发明一个实施例，所述传感模块包括内部传感器和外部传感器，所述内部传感器和所述外部传感器均与一部分所述通讯模块相连，所述内部传感器用于监测所述机器人本体的状态信息，所述外部传感器用于采集机器人周围的环境信息。
10.根据本发明一个实施例，一部分所述通讯模块为无线模块、有线模块中的至少一种，另一部分所述通讯模块包括通讯基站、工业环网和通讯主机。
11.根据本发明一个实施例，所述调度模块包括存储模块、处理模块、输入模块和显示模块，所述存储模块内存储有不同种类机器人的作业任务和作业记录；所述处理模块用于处理传感模块的信号并根据信号产生调度机器人的指令，所述输入模块用于人工输入调度机器人的指令，所述显示模块用于实时显示机器人本体的状态信息和机器人周围的环境信息。
12.根据本发明一个实施例，一种煤矿巡检机器人集群任务调度的方法，采用上述的煤矿巡检机器人集群任务调度系统对机器人进行调度，包括，步骤一：调用各机器人系统配套的api，以实时获取机器人的速度、位置、电量和任务信息；步骤二：判断任务是否由单个机器人独立完成，在任务需要多个机器人共同完成时，计算各机器人与任务之间的综合代价，将任务分配给综合代价值最小的机器人。
13.根据本发明一个实施例，步骤二中，在任务由单个机器人完成时，单个机器人按照各自预设的任务进行工作。，在任务需要多个同种类的机器人共同完成，且多个同种类的机器人之间有重合的工作区域时，根据每个机器人当前任务执行情况、机器人运行状况，采用替换机器人的方式对任务分配进行实时调整；在任务需要多个同种类的机器人共同完成，且多个同种类的机器人之间没有重合的工作区域时，每个机器人按照各自预设的任务进行工作。
14.根据本发明一个实施例，在任务需要多个不同种类的机器人共同完成时，各机器人与任务之间的综合代价函数为：
[0015][0016][0017][0018][0019]
其中，dist(ri，t
t
)表示第i个机器人ri完成某个任务t
t
所行驶的距离，r
x
_posi和ry_posi分别表示第i个机器人的横坐标和纵坐标，t
x
_pos
t
和ty_pos
t
分别表示第t个任务点的横坐标和纵坐标；dis(ti，t
t
)表示第i个任务点和第t个任务点距离；bet(ri，t
t
)表示第i个机器人ri完成某个任务t
t
所消耗的电量，表示第i个机器人ri单位距离所消耗的电量。
[0020]
根据本发明一个实施例，若第i个机器人ri机器人所剩电量大于等于当前任务的电量消耗与充电任务的电量消耗bet(ri，q
charge
)，则能够分配当前任务，即
[0021][0022][0023][0024]
若第i个机器人ri机器人所剩电量小于当前任务的电量消耗与充电任务的电量消耗bet(ri，q
charge
)，则机器人ri只能分配充电任务。
[0025]
根据本发明一个实施例，步骤二中，任务分配给综合代价值最小的机器人具体过程为：
[0026]
s1、调度模块获取机器人rn的速度位置当前电量剩余电量每个机器人接收到的任务数为n和任务信息
[0027]
s2、根据综合代价函数求得ri机器人完成任务ti所需要的综合代价值
并记录；
[0028]
s3、计算机器人ri剩余运行时间
[0029]
s4、对综合代价值从小至大依次判断任务ti是否已经分配，若已分配，则继续本操作，直至所有机器人均被分配任务；
[0030]
s5、若在s4中某个机器人未分配到任务，该机器人对应的且对应的则进行下一步，反之，返回s4中继续判断；
[0031]
s6、更新机器人ri的剩余运行时间剩余电量接收到的任务数为n，并执行s4，直至所有机器人均被分配任务。
[0032]
本发明的有益效果是，本发明通过在每个机器人上安装传感模块，利用传感模块来实时采集对应机器人的状态信息和机器人周围的环境信息，从而做到对煤矿井下状态的实时监控，通过调度模块对机器人的任务进行调度，保障进行工作有序、高效的进行，提高了机器人之间的协作能力，同时提升了机器人的工作效率。
[0033]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0034]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0035]
图1是根据本发明实施例的煤矿巡检机器人集群任务调度系统的结构示意图。
具体实施方式
[0036]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0037]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0038]
下面具体描述根据本发明实施例的煤矿巡检机器人集群任务调度系统。
[0039]
如图1所示，根据本发明实施例的煤矿巡检机器人集群任务调度系统，包括：煤矿井下机器人集群、多个传感模块、多个通讯模块和调度模块，煤矿井下机器人集群由分布在煤矿井下的多个机器人组成；传感模块安装在对应的机器人上；一部分通讯模块安装在对应的机器人上，另一部分通讯模块位于机器人附近；调度模块与通讯模块相连，通讯模块用
于将传感模块的信号发送给调度模块，并将调度模块的指令发送给机器人。
[0040]
根据本发明一个实施例，传感模块包括内部传感器和外部传感器，内部传感器和外部传感器均与一部分通讯模块相连，内部传感器用于监测机器人本体的状态信息，外部传感器用于采集机器人周围的环境信息。内部传感器为设备开闭传感器、转速传感器、运动传感器、位置传感器等，例如对于采煤机器人而言，通过设备开闭传感器监测采煤机器人是否开机，通过定位导航装置监测采煤机器人的采煤路径和采煤位置坐标，通过转速传感器监测采煤机器人在采煤时钻头的转速，进而推断采煤速度、采煤过程是否受到阻碍，通过运动传感器监测采煤机器人自身运动状态，便于判定采煤机器人各个机构是否正常工作。外部传感器为温度传感器、有害气体传感器、风速气压传感器、电量传感器等等，利用外部传感器可以实时监测煤矿机器人的周边环境信息，当有害气体传感器监测到有害气体超标时，能够及时发出报警，提醒矿井内人员撤离，而对于皮带输送机器人而言，在温度过高时，容易引起皮带自燃，温度传感器实时监测可以有效避免险情的发生。
[0041]
其中，一部分通讯模块为无线模块、有线模块中的至少一种，一部分通讯模块设置在机器人上，跟随机器人移动，另一部分通讯模块包括通讯基站、工业环网和通讯主机，另一部分通讯模块设置在煤矿井下各处和井上各处。采用的通信协议包括modbus tcp/ip、udp、opc ua/da、can等协议中的至少一种；
[0042]
根据本发明一个实施例，调度模块包括存储模块、处理模块、输入模块和显示模块，存储模块内存储有不同种类机器人的作业任务和作业记录；处理模块用于处理传感模块的信号并根据信号产生调度机器人的指令，输入模块用于人工输入调度机器人的指令，显示模块用于实时显示机器人本体的状态信息和机器人周围的环境信息。也就是说，显示模块可以便于人员直接观察整个矿井内设备的工作状态和环境状态，并可通过输入模块进行人工操控，在不进行人工操控时，则有处理模块根据矿井内设备的工作状态和环境状态进行自行操控。并且显示模块显示的信息与机器人实际的信息保持同步。输入模块为键盘、鼠标、手柄、控制开关、控制旋钮中的一种或多种。
[0043]
其中，本技术中机器人为巡检机器人，巡检机器人按运动方式分为轨道式巡检机器人和轮式巡检机器人；轨道式巡检机器人在轨道上进行前后移动，轮式巡检机器人运行于巷道底板；轨道式巡检机器人，主要为皮带巡检机器人、变电所巡检机器人；轮式巡检机器人，主要为巷道巡检机器人。
[0044]
皮带巡检机器人执行任务类型，包括充电任务、皮带托辊温度检测、皮带跑偏检测、周围环境检测；皮带巡检机器人工作过程包括：选择皮带机器人编号，前往对应位置，行驶过程中进行沿途皮带托辊温度检测、皮带跑偏检测、周围环境(气体浓度)检测；当电量不足时，返回充电区进行充电。
[0045]
变电所巡检机器人执行任务类型，包括充电任务、电控柜仪表盘检测、设备温度检测、设备声音采集、视频图像采集；变电所巡检机器人工作过程包括：选择变电所巡检机器人编号，前往对应位置，行驶过程中进行沿途对电控柜仪表盘、指示灯进行识别检测、设备温度检测、环境声音采集和视频图像采集；当电量不足时，返回充电区进行充电。
[0046]
巷道巡检机器人执行任务类型，包括充电任务、巷道断面检测、巷道气体检测、设备状态检测；巷道巡检机器人工作过程包括：选择巷道巡检机器人编号，前往对应位置，行驶过程中进行巷道断面检测、巷道气体检测、设备状态检测；当电量不足时，返回充电区进
行充电。
[0047]
本发明还公开了一种煤矿巡检机器人集群任务调度的方法，采用上述的煤矿巡检机器人集群任务调度系统对机器人进行调度，包括，步骤一：调用各机器人系统配套的api，以实时获取机器人的速度、位置、电量和任务信息；步骤二：判断任务是否由单个机器人独立完成，在任务需要多个机器人共同完成时，计算各机器人与任务之间的综合代价，将任务分配给综合代价值最小的机器人。因此，综合代价值需要考虑机器人种类、机器人数量、机器人电量、机器人工作时间和任务数量等因素。
[0048]
根据本发明一个实施例，步骤二中，在任务由单个机器人完成时，单个机器人按照各自预设的任务进行工作，就是说，只要单个机器人的状态良好并且能够完成任务，就按单个机器人独自完成任务。其中，在任务需要多个同种类的机器人共同完成，且多个同种类的机器人之间有重合的工作区域时，根据每个机器人当前任务执行情况、机器人运行状况，采用替换机器人的方式对任务分配进行实时调整；在任务需要多个同种类的机器人共同完成，且多个同种类的机器人之间没有重合的工作区域时，每个机器人按照各自预设的任务进行工作。也就是说，在任务需要多个机器人共同完成时，若机器人之间之间工作区域不重合，则安排机器人独立完成各自任务，若机器人之间工作区域重合，则采取替换工作的原则进行任务分配。
[0049]
在此基础上，在任务需要多个不同种类的机器人共同完成时，利用综合代价值进行任务分配，例如，本技术中机器人包括a类机器人、b类机器人、c类机器人，a类机器人数量a＝3，a类机器人分别是a1、a2、a3；b类机器人数量b＝4，b类机器人分别是b1、b2、b3、b4；c类机器人数量c＝2，c类机器人分别是c1、c2，机器人总数量n＝9；机器人组成的集合为r，ri表示第i个机器人，
[0050]
a类机器人中，每个机器人负责执行3种作业任务和充电任务，任务数量w＝4，任务分别是a1、a2、a3、a4；b类机器人中，每个机器人负责执行5种任务和充电任务，任务数量u＝6，任务分别是b1、b2、b3、b4、b5、b6；c类机器人中，每个机器人负责执行3种任务和充电任务，任务数量n＝4，任务分别是c1、c2、c3、c4；任务集合为任务总数量为t，t
t
表示机器人集群中的第t个任务，m为机器人编号，机器人编号构成的机器人集合r＝{a1，a2，a3，b1，b2，b3，b4，c1，c2}；具体地，为a类机器人任务集合，为b类机器人任务集合，为c类机器人任务集合；为c类机器人任务集合；所有机器人的充电作业均为独立任务，a类机器人、b类机器人、c类机器人任务相互独立。
[0051]
机器人在路线上完成任务a、b、c，沿途有j、k、l的任务节点，因此任务分别由j、k、l个子任务组成，因此，个子任务组成，因此，
[0052]
那么可以得到：a类机器人任务集合可表示为：
[0053]
b类机器人任务集合可表示为：
[0054]
c类机器人任务集合可表示为：
[0055]
针对a类机器人作业任务，a1和a2可共同、也可独立完成任务集合为a＝a1、a2；w＝1，2，3，4；q＝1，2，3
…
，j；a1、a2分别在两条独立的轨道下移动，工作路径分别为ra1和ra2，ra1和ra2的路径总长度相同，且可共同完成任务；a3在一条独立的轨道下移动，工作路径为ra3；ra12∩ra13＝0，则独立完成任务。
[0056]
b1、b2同处在同一巷道内工作，工作路径总长度分别为rb1、rb2，路径总长度相同，工作路径可有交集，且共同完成任务；b3的工作路径为rb3，b4的工作路径为rb4；rb12∩rb3＝0，rb12∩rb4＝0，rb3∩rb4＝0，则分别独立完成任务。
[0057]
c1的工作路径为rc1，c2的工作路径为rc2，rc1∩rc2＝0，则独立完成任务。
[0058]
任务集合中，不存在依赖关系，不存在依赖关系，
[0059]
a、b、c三类机器人，均为匀速行驶且分别经过中间j、k、l个任务节点时仍为匀速通过；
[0060]
通过调用各机器人系统配套api，获取机器人速度为位置当前电量剩余电量和任务信息
[0061]
第i个机器人ri最大工作时间为剩余工作时间为
[0062]
第i个机器人ri完成某个任务t
t
所消耗的时间为
[0063]
第i个机器人ri完成某个任务t
t
所行驶的距离为dist(ri，t
t
)；
[0064]
第i个机器人ri完成某个任务t
t
所消耗的电量为bet(ri，t
t
)；
[0065]
机器人与任务之间的综合代价函数为：
[0066][0067][0068][0069][0070]
其中，r
x
_posi和ry_posi分别表示第i个机器人的横坐标和纵坐标，t
x
_pos
t
和ty_pos
t
分别表示第t个任务点的横坐标和纵坐标；dis(ti，t
t
)表示第i个任务点和第t个任务点距离；表示第i个机器人ri单位距离所消耗电量。
[0071]
根据本发明一个实施例，若第i个机器人ri机器人所剩电量大于等于当前任务的电量消耗(执行当前任务所需距离下的电量消耗)与充电任务的电量消耗bet(ri，q
charge
)(返回充电处所需距离下的电量消耗)，则能够分配当前任务，即
[0072][0073][0074][0075]
若第i个机器人ri机器人所剩电量小于当前任务的电量消耗与充电任务的电量消耗bet(ri，q
charge
)，则机器人ri只能分配充电任务。
[0076]
根据本发明一个实施例，步骤二中，任务分配给综合代价值最小的机器人具体过程为：
[0077]
s1、调度模块获取机器人rn的速度位置当前电量剩余电量每个机器人接收到的任务数为n和任务信息
[0078]
s2、根据综合代价函数求得ri机器人完成任务ti所需要的综合代价值并记录；
[0079]
s3、计算机器人ri剩余运行时间
[0080]
s4、对综合代价值从小至大依次判断任务ti是否已经分配，若已分配，则继续本操作，直至所有机器人均被分配任务；
[0081]
s5、若在s4中某个机器人未分配到任务，该机器人对应的且对应的则进行下一步，反之，返回s4中继续判断；
[0082]
s6、更新机器人ri的剩余运行时间剩余电量接收到的任务数为n，并执行s4，直至所有机器人均被分配任务。
[0083]
也就是说，机器人每到一个任务节点，或完成一个任务，都需要重新计算该机器人待分配任务的综合代价值，从而确保每个任务都从综合代价值最低的机器人开始分配，在综合代价值最低的机器人电量不足以完成任务并返回充电时，则跳过该机器人，选择综合代价值次之的机器人分配任务。
[0084]
本发明的有益效果是，本发明通过在每个机器人上安装传感模块，利用传感模块来实时采集对应机器人的状态信息和机器人周围的环境信息，从而做到对煤矿井下状态的实时监控，通过调度模块根据需要完成的任务对机器人进行调度，通过计算任务与机器人之间的综合代价值，选择综合代价值最小的机器人进行任务分配，保障进行工作有序、高效的进行，提高了机器人之间的协作能力，同时提升了机器人的工作效率。
[0085]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0086]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。