矿用搜救机器人

　　矿用搜救机器人是一种在矿井发生灾变事故后替代救护队员进入灾区，通过携带的多种传感器和救援设备，进行环境和生命探测以及对矿工实施救助的多功能矿用智能救援装备。《矿用搜救机器人》针对矿用搜救机器人的工作环境和任务要求，对其研发中所涉及的主要技术问题及解决方法进行了具体介绍。《矿用搜救机器人》共分11章，包括绪论、煤矿井下环境与灾变特征、机器人行走机构、机器人动力系统、机器人运动控制系统、机器人井下通信、井下图像处理与视频分析、机器人定位与矿图构建、机器人路径规划与自主避障、井下环境与生命探测以及机器人防爆设计。

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目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 矿用搜救机器人的作用和要求 1
1.3 矿用搜救机器人发展现状 3
1.3.1 国外矿用搜救机器人 4
1.3.2 国内矿用搜救机器人 9
1.4 矿用搜救机器人应用情况 13
1.5 矿用搜救机器人关键技术 15
参考文献 17
第2章 煤矿井下环境与灾变特征 20
2.1 引言 20
2.2 井下巷道结构特征 20
2.2.1 巷道系统结构 21
2.2.2 巷道断面特征 22
2.2.3 巷道道床特征 25
2.2.4 巷道坡度特征 28
2.2.5 巷道水沟特征 29
2.2.6 巷道管缆分布特征 31
2.2.7 巷道内的杂物 31
2.3 采煤工作面结构特征 32
2.4 掘进工作面结构特征 33
2.5 井下危险气体 34
2.5.1 有毒有害气体 34
2.5.2 爆炸性气体 36
2.5.3 矿井气体浓度限值 38
2.6 井下视觉特征 40
2.7 井下通信干扰 42
2.7.1 巷道结构影响 43
2.7.2 巷道设施影响 43
2.7.3 各种电缆、水管等纵向导体影响 43
2.7.4 各种动力设备电磁干扰影响 43
2.7.5 不同频率信号在巷道中的传输特性 44
2.8 煤矿常见灾变 44
2.8.1 瓦斯爆炸事故 45
2.8.2 顶板垮塌事故 47
2.8.3 矿井涌水事故 48
2.8.4 矿井火灾事故 49
2.9 矿井灾后结构特征 50
参考文献 52
第3章 机器人行走机构 54
3.1 引言 54
3.2 矿用搜救机器人行走能力要求 54
3.3 轮式行走机构及其运动学分析 55
3.3.1 普通轮式行走机构简介 55
3.3.2 普通轮式行走机构运动学分析 55
3.3.3 三叶轮式行走机构简介 58
3.3.4 三叶轮式行走机构运动学分析 59
3.4 履带式行走机构及其运动学分析 63
3.4.1 倒梯形弹簧履带式行走机构 64
3.4.2 履带式行走机构运动学分析 65
3.4.3 W形履带式行走机构简介 70
3.4.4 W形履带式行走机构运动学分析 70
3.5 复合式行走机构及其运动学分析 75
3.5.1 轮履复合行走机构 75
3.5.2 摆臂式行走机构 75
3.5.3 轮腿复合行走机构 78
3.6 清障机构 82
参考文献 84
第4章 机器人动力系统 86
4.1 引言 86
4.2 机器人供能系统设计 86
4.2.1 动力电源设计 87
4.2.2 供能系统测试检验 92
4.3 机器人驱动系统设计 101
4.3.1 直流无刷电机研制 101
4.3.2 防爆轮毂电机研制 102
4.4 机器人动力系统匹配与优化 109
4.4.1 动力系统匹配问题 109
4.4.2 动力系统多目标粒子群优化 111
参考文献 114
第5章 机器人运动控制系统 115
5.1 引言 115
5.2 机器人运动控制硬件系统 115
5.3 机器人运动控制驱动器 118
5.3.1 运动控制板结构分析 118
5.3.2 驱动器控制信号选取 120
5.3.3 PWM信号输出电路设计 121
5.3.4 转速频率采集电路 122
5.3.5 模拟信号采集电路 123
5.3.6 运动控制板的EMC设计 124
5.4 机器人运动控制软件系统 125
5.4.1 运动控制软件系统结构 125
5.4.2 运动控制程序流程 127
5.4.3 电机转速的PID闭环控制 127
5.5 机器人多驱动自适应控制方法 132
5.5.1 基于电流的驱动模式自主切换理论 133
5.5.2 自主切换理论仿真与台架试验 136
5.6 运动控制系统性能测试 140
5.6.1 电机抗负载变化性能试验 140
5.6.2 机器人直线行走稳定性试验 141
5.6.3 自适应控制技术的野外试验 143
参考文献 145
第6章 机器人井下通信 147
6.1 引言 147
6.2 矿用搜救机器人现有通信方式 148
6.2.1 井下通信特点与通信系统性能需求 148
6.2.2 井下机器人有线通信 149
6.2.3 井下机器人无线通信 151
6.3 基于有线与无线相结合的矿用搜救机器人通信系统 154
6.3.1 矿用搜救机器人有线-无线结合通信原理 155
6.3.2 通信系统相关机构设计 156
6.4 基于无线Mesh自组网的矿用搜救机器人通信系统 161
6.4.1 煤矿井下无线Mesh通信系统硬件设计 162
6.4.2 煤矿井下无线Mesh通信系统软件设计 164
6.4.3 无线Mesh网络通信模拟巷道试验 168
参考文献 169
第7章 井下图像处理与视频分析 171
7.1 引言 171
7.2 井下暗光场景图像增强技术 171
7.2.1 空域处理方法 172
7.2.2 频域处理方法 177
7.3 井下水雾场景图像去雾技术 179
7.3.1 判别导向滤波去雾方法 180
7.3.2 基于组合代价函数去雾方法 183
7.4 井下运动场景图像去模糊技术 189
7.4.1 红外灰度图像去模糊方法 190
7.4.2 彩色图像去模糊方法 192
7.5 机器人运动视频图像分析 196
7.5.1 光流场法分析 196
7.5.2 差分法分析 202
参考文献 206
第8章 机器人定位与矿图构建 209
8.1 引言 209
8.2 基于LiDAR/IMU紧耦合的同步定位与地图构建方法 210
8.2.1 系统架构与因子图模型构建 211
8.2.2 约束因子构建 213
8.3 基于LiDAR/IMU/UWB融合的同步定位与地图构建方法 224
8.3.1 系统架构与全局因子图模型构建 224
8.3.2 约束因子构建 228
8.4 井下多传感器融合的机器人定位建图试验 232
8.4.1 局部区域连续定位试验 234
8.4.2 大范围巷道地图构建与定位试验 237
参考文献 242
第9章 机器人路径规划与自主避障 245
9.1 引言 245
9.2 机器人路径规划策略 245
9.2.1 基于图搜索的策略 246
9.2.2 基于采样的策略 253
9.2.3 基于生物启发的策略 254
9.3 机器人轨迹规划策略 259
9.3.1 最小振荡轨迹 260
9.3.2 模型预测控制 266
9.4 机器人自主避障方案 269
9.4.1 移动机器人避障常用传感器 269
9.4.2 移动机器人避障控制方法 273
9.5 路径规划与自主避障试验验证 274
9.5.1 试验环境 275
9.5.2 测试步骤及方案 278
9.5.3 现场试验结果与分析 279
参考文献 283
第10章 井下环境与生命探测 285
10.1 引言 285
10.2 井下巷道环境探测 285
10.2.1 灾后环境及探测任务 285
10.2.2 环境探测系统功能设计 287
10.2.3 环境数据采集卡设计 288
10.2.4 小型甲烷传感器设计 296
10.2.5 数据采集性能测试 299
10.3 矿工人员生命探测 303
10.3.1 基于视觉的搜救设备 303
10.3.2 基于听觉的搜救设备 307
10.3.3 DKL搜救设备 309
10.3.4 基于雷达的搜救设备 310
10.3.5 基于嗅觉的搜救设备 312
参考文献 313
第11章 机器人防爆设计 315
11.1 引言 315
11.2 防爆理论及其应用 315
11.2.1 防爆原理与防爆类型 315
11.2.2 常用防爆型式 317
11.2.3 复合型防爆理论 318
11.2.4 机器人防爆类型选择分析 319
11.3 机器人部件隔爆设计 320
11.3.1 隔爆接合面 320
11.3.2 主箱体隔爆设计 321
11.3.3 电机隔爆设计 325
11.3.4 其他隔爆设计单元 332
11.4 机器人部件本安设计 333
11.4.1 本安型机械手 334
11.4.2 小型本安型甲烷探测器 337
11.4.3 本安型摄像仪 338
11.4.4 本安型便携式终端操控设备 339
11.5 主箱体防爆与结构轻量化优化设计 340
11.5.1 隔爆箱体轻量化设计方案分析 340
11.5.2 隔爆箱体轻量化优化建模 341
11.5.3 隔爆箱体自加强结构设计方法 350
参考文献 352