煤礦井下搜救機(jī)器人研究
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現(xiàn)場的塵土、煙霧和散落的廢墟都會增加救災(zāi)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的難度.同時,現(xiàn)場的高溫也不利于機(jī)器人的使用,甚至可能出現(xiàn)履帶或輪胎被高溫熔化并發(fā)生燃燒等現(xiàn)象.因此,在設(shè)計過程中應(yīng)注意機(jī)器人的防塵能力和耐熱性,還要考慮它的防水、防爆、防腐蝕、防電磁干擾、抗熱輻射等功能.此外,復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境還對機(jī)器人的控制線提出了新的要求,鋒利的金屬殘片或其它殘骸對控制線產(chǎn)生了威脅,所以在選擇控制線時必須考慮它的堅固性。
3.5機(jī)器人井下自主導(dǎo)航定位及運(yùn)動控制技術(shù)
救災(zāi)機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)過程中,應(yīng)當(dāng)避免危險的環(huán)境和防止產(chǎn)生更多的危險,這就要求機(jī)器人必須具有導(dǎo)航能力;其次,為了向救災(zāi)中心提供幸存者的位置,機(jī)器人必須能夠確定自身位置,完成任務(wù)后回到救災(zāi)中心,這要求機(jī)器人具有定位和路徑規(guī)劃能力.救災(zāi)機(jī)器人的導(dǎo)航方式可分為:基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導(dǎo)航、基于各種導(dǎo)航信號的陸標(biāo)導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和味覺導(dǎo)航等。定位能確定機(jī)器人在二維工作環(huán)境中相對于全局坐標(biāo)的位置,可分為慣性定位、陸標(biāo)定位和聲音定位等.路徑規(guī)劃是根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息,按照某一性能指標(biāo)搜索一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無碰撞路徑,并且實現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋,可分為兩種類型:環(huán)境信息完全掌握的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的局部路徑規(guī)劃.此外,GPS能對全球表面任何地點(diǎn)及近地空間提供實時高精度的三維位置、三維速度和時間信息。救災(zāi)機(jī)器人可采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)與電子地圖結(jié)合的方式,隨時提供救災(zāi)機(jī)器人的方位,實現(xiàn)機(jī)器人定位的可視化.
位置信息是井下探測機(jī)器人必不可少的信息之一，無論是幸存人員信息，還是巷道破壞程度信息以及局部氣態(tài)環(huán)境信息，都需要一個相對精確的具體位置信息作參考。盡管操作人員可以通過前方影像數(shù)據(jù)在一定程度上進(jìn)行大體位置判斷，但這樣的定位是無精度可談的，況且在火災(zāi)等現(xiàn)場中，由于煙霧等原因，根本無法通過視覺圖像進(jìn)行定位。因此，采用多種傳感器進(jìn)行融合，對機(jī)器人當(dāng)前的位置進(jìn)行測量和計算，是十分必要的工作。
另外，在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化井下環(huán)境中，僅僅通過攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，是難以保證操作動作的準(zhǔn)確性和安全性的；如何能夠保證機(jī)器人按照所規(guī)劃的路徑和發(fā)出的運(yùn)動學(xué)指令準(zhǔn)確、高效、安全的運(yùn)動是保證其圓滿完成探測任務(wù)的前提條件。特別是安全性問題，表現(xiàn)得尤為突出，稍有不慎就有可能使機(jī)器人發(fā)生傾覆或者碰撞。因此，對機(jī)器人的姿態(tài)信息進(jìn)行采集，結(jié)合位置、航向等運(yùn)動參數(shù)，通過本地自主實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控相結(jié)合的方式對運(yùn)動軌跡和姿態(tài)進(jìn)行控制，通過研究機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型，使其可以自主的保持在安全范圍之內(nèi)，當(dāng)操作員發(fā)出可能產(chǎn)生危險的指令時能夠及時制止并發(fā)出報警信息，是一個非常必要和實用的功能。
可見雖然目前存在的大部分搜救機(jī)器人采用主從操作方式，但鑒于煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜性及危險性，特別是對通信系統(tǒng)的嚴(yán)酷環(huán)境，機(jī)器人具有自主導(dǎo)航及運(yùn)動控制的能力是十分必要的功能。提高搜救機(jī)器人的智能化和自主化技術(shù)水平，也是該領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。煤礦井下是一個結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化并存的環(huán)境，而在事故發(fā)生后，則多數(shù)是非平整非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，因此，本論文針對復(fù)雜的煤礦井下環(huán)境，將煤礦井下探測機(jī)器人的自主導(dǎo)航定位及運(yùn)動控制技術(shù)作為主要研究內(nèi)容。
3.6非平整路面移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)
3.6.1適應(yīng)非平整路面的移動機(jī)器人平臺
非結(jié)構(gòu)化非平整路面環(huán)境中工作的機(jī)器人，一般是用于星際探測、野外偵察、農(nóng)業(yè)耕作、礦區(qū)作業(yè)等領(lǐng)域，國外有研究人員將這類機(jī)器人定位為野外移動機(jī)器人(Off-Road Mobile Robots)，是較為合適的定義。
3.6.2非平整路面移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)研究現(xiàn)狀
近年來，對于非平整路面移動機(jī)器人定位及導(dǎo)航技術(shù)得到了越來越廣泛的關(guān)注，并已經(jīng)形成了多種相對完善的方案，在星際探測、野外偵察、采礦及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域取得了一定的研究和應(yīng)用成果。
目前機(jī)器人可用于定位導(dǎo)航及狀態(tài)感知的傳感器主要包括里程計、慣性導(dǎo)航單元、GPS系統(tǒng)、超聲波或聲納傳感器、激光測距傳感器、計算機(jī)視覺系統(tǒng)等。里程計或光電編碼器是移動機(jī)器人廣泛使用的傳感器，主要用于航位推算過程中行駛里程的計算；慣性測量單元以往常用于飛行器姿態(tài)的測量及控制，近年來逐漸應(yīng)用到地面車輛或移動機(jī)器人的定位及姿態(tài)測量等算法當(dāng)中，特別是在與里程計、GPS相融合后組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，成為移動機(jī)器人導(dǎo)航的重要手段；GPS系統(tǒng)作為一種絕對式位置傳感器，有著使用方便、精度較高，數(shù)據(jù)處理簡單等特點(diǎn)，特別是通過差分計算之后，其精度更可以達(dá)到米級以下甚至更高，從而可以直接引用于機(jī)器人的定位工作，其主要問題是在復(fù)雜環(huán)境中有可能由于建筑物或大型植被等的遮擋造成信號失鎖以及由于受到美國的控制幾乎無法作為軍事目的而使用。當(dāng)前比較常見的做法是將里程計、IMU以及GPS信息通過一定的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)融合(通常采用擴(kuò)展卡爾曼濾波、無味卡爾曼濾波等算法)，利用融合后的結(jié)論實現(xiàn)對機(jī)器人位姿的正確估計。聲納或超聲波傳感器主要用于對機(jī)器人周圍近距離（一般5m以內(nèi)）的障礙物進(jìn)行探測，而且一般是以陣列的形式安裝在機(jī)器人本體上，以提高其探測范圍。由于其探測距離短，探測速度較慢，因而多用于低速移動機(jī)器人系統(tǒng)；激光雷達(dá)也是目前常用的距離測量工具，主要分為二維激光雷達(dá)或三維激光雷達(dá)，由于其測量距離遠(yuǎn)（一般達(dá)到幾十米甚至上百米），測量速度快（每秒幾十次掃描數(shù)據(jù)），被越來越多的應(yīng)用到移動機(jī)器人環(huán)境感知及環(huán)境建模的場合當(dāng)中。視覺系統(tǒng)是最常用的環(huán)境感知系統(tǒng)，也是人類對世界進(jìn)行感知和認(rèn)識的主要途徑，近年來特別是近2，3年來，基于視覺環(huán)境感知的研究成果層出不窮，其計算的復(fù)雜度不斷減小，工程化程度越來越高，通過視覺實現(xiàn)障礙物探測、航位及航姿推算直到路面環(huán)境建模等的研究成果也越來越多。除此之外，還有一些如毫米波雷達(dá)、紅外傳感器、力傳感器、觸覺傳感器等也應(yīng)用到不同場合機(jī)器人的自身或環(huán)境參數(shù)的感知上，在這里不再詳述。
環(huán)境重建技術(shù)是信息技術(shù)中，特別是計算機(jī)視覺技術(shù)中的一個重要研究方向，對于機(jī)器人系統(tǒng)的研究而言，其主要用于機(jī)器人的導(dǎo)航、目標(biāo)的跟蹤與識別以及真實場景的重現(xiàn)等。其主要手段歷經(jīng)了從計算機(jī)視覺，到計算機(jī)視覺與激光雷達(dá)的結(jié)合，即主動視覺的概念；近年來由于計算機(jī)視覺算法及計算平臺的不斷完善，又重新回到使用計算機(jī)視覺，即僅采用被動視覺的方法上。
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