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煤矿救援机器人环境探测与运动控制研究

高志军  
【摘要】:煤矿发生灾害事故之后,井下是一个复杂的非结构化环境,事故现场可能出现的坍塌巷道、瓦斯等有害气体给救援人员的安全带来了潜在危险。煤矿救援机器人可代替救援人员先行进入灾害现场,获取灾害现场的环境信息,协助救援人员完成后续救援任务。本文以煤矿救援机器人运动控制为核心,以煤矿救援探测为应用方向,以环境探测、运动控制、智能化控制和多机器人协同控制四个部分内容进行。通过分析煤矿救援机器人环境探测系统的功能需求,对煤矿救援机器人的环境探测系统进行了研究和设计。选用以甲烷传感器、CD10多参数测定器、红外摄像机、矿用本安型麦克风和音响组建煤矿救援机器人的环境探测系统,在此基础上设计了环境探测数据采集卡硬件电路和环境数据采集程序,并设计了一种简便的适用于煤矿救援机器人的甲烷传感器,对机器人的环境探测性能进行了测试。通过分析运动控制系统所需的功能,对煤矿救援探器人的运动控制系统进行了研究和设计。设计了以红外测距传感器、倾角传感器、惯性测量单元、直流无刷电机和驱动器为基础的运动控制系统和运动控制器,并在运动控制程序中引入PID闭环控制使机器人速度更加稳定,通过一系列试验对机器人的运动控制性能进行了测试。在机器人的行为方式上对煤矿救援探器人的自主避障、倾角自适应控制、定位与轨迹记录、自我保护进行了研究和设计。通过将两种测量距离不同的红外测距传感器组合使用,实时监测煤矿救援机器人前方和左右两侧的障碍物信息,并根据知识库选择避障行为。通过倾角传感器实时监测机器人的姿态角,并与倾角自适应控制知识库内容进行比对,实现机器人速度和模式适时调整。通过电机转速信息和航向角信息的融合,使用航位推测算法实现了对煤矿救援机器人的定位,并记录机器人的运动轨迹。通过避障保护、倾角保护和失联保护三重保护机制实现机器人在危险情况下的自我保护。从多机器人协同通信、体系结构、跟踪三个方面对煤矿救援多机器人协同控制技术进行了研究。通过三台机器人通信接力的协作方式来实现井下临时通信系统的组建。根据机器人自主定位轨迹记录信息,通过后方机器人对前方机器人运动轨迹的分段跟踪,实现三台机器人的协同控制。


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