礦用搜救機(jī)器人

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 礦用搜救機(jī)器人的作用和要求 1
1.3 礦用搜救機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.3.1 國(guó)外礦用搜救機(jī)器人 4
1.3.2 國(guó)內(nèi)礦用搜救機(jī)器人 9
1.4 礦用搜救機(jī)器人應(yīng)用情況 13
1.5 礦用搜救機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù) 15
參考文獻(xiàn) 17
第2章 煤礦井下環(huán)境與災(zāi)變特征 20
2.1 引言 20
2.2 井下巷道結(jié)構(gòu)特征 20
2.2.1 巷道系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 21
2.2.2 巷道斷面特征 22
2.2.3 巷道道床特征 25
2.2.4 巷道坡度特征 28
2.2.5 巷道水溝特征 29
2.2.6 巷道管纜分布特征 31
2.2.7 巷道內(nèi)的雜物 31
2.3 采煤工作面結(jié)構(gòu)特征 32
2.4 掘進(jìn)工作面結(jié)構(gòu)特征 33
2.5 井下危險(xiǎn)氣體 34
2.5.1 有毒有害氣體 34
2.5.2 爆炸性氣體 36
2.5.3 礦井氣體濃度限值 38
2.6 井下視覺特征 40
2.7 井下通信干擾 42
2.7.1 巷道結(jié)構(gòu)影響 43
2.7.2 巷道設(shè)施影響 43
2.7.3 各種電纜、水管等縱向?qū)w影響 43
2.7.4 各種動(dòng)力設(shè)備電磁干擾影響 43
2.7.5 不同頻率信號(hào)在巷道中的傳輸特性 44
2.8 煤礦常見災(zāi)變 44
2.8.1 瓦斯爆炸事故 45
2.8.2 頂板垮塌事故 47
2.8.3 礦井涌水事故 48
2.8.4 礦井火災(zāi)事故 49
2.9 礦井災(zāi)后結(jié)構(gòu)特征 50
參考文獻(xiàn) 52
第3章 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu) 54
3.1 引言 54
3.2 礦用搜救機(jī)器人行走能力要求 54
3.3 輪式行走機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 55
3.3.1 普通輪式行走機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介 55
3.3.2 普通輪式行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 55
3.3.3 三葉輪式行走機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介 58
3.3.4 三葉輪式行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 59
3.4 履帶式行走機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 63
3.4.1 倒梯形彈簧履帶式行走機(jī)構(gòu) 64
3.4.2 履帶式行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 65
3.4.3 W形履帶式行走機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介 70
3.4.4 W形履帶式行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 70
3.5 復(fù)合式行走機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 75
3.5.1 輪履復(fù)合行走機(jī)構(gòu) 75
3.5.2 擺臂式行走機(jī)構(gòu) 75
3.5.3 輪腿復(fù)合行走機(jī)構(gòu) 78
3.6 清障機(jī)構(gòu) 82
參考文獻(xiàn) 84
第4章 機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng) 86
4.1 引言 86
4.2 機(jī)器人供能系統(tǒng)設(shè)計(jì) 86
4.2.1 動(dòng)力電源設(shè)計(jì) 87
4.2.2 供能系統(tǒng)測(cè)試檢驗(yàn) 92
4.3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 101
4.3.1 直流無刷電機(jī)研制 101
4.3.2 防爆輪轂電機(jī)研制 102
4.4 機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)匹配與優(yōu)化 109
4.4.1 動(dòng)力系統(tǒng)匹配問題 109
4.4.2 動(dòng)力系統(tǒng)多目標(biāo)粒子群優(yōu)化 111
參考文獻(xiàn) 114
第5章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 115
5.1 引言 115
5.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制硬件系統(tǒng) 115
5.3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器 118
5.3.1 運(yùn)動(dòng)控制板結(jié)構(gòu)分析 118
5.3.2 驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)選取 120
5.3.3 PWM信號(hào)輸出電路設(shè)計(jì) 121
5.3.4 轉(zhuǎn)速頻率采集電路 122
5.3.5 模擬信號(hào)采集電路 123
5.3.6 運(yùn)動(dòng)控制板的EMC設(shè)計(jì) 124
5.4 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制軟件系統(tǒng) 125
5.4.1 運(yùn)動(dòng)控制軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 125
5.4.2 運(yùn)動(dòng)控制程序流程 127
5.4.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速的PID閉環(huán)控制 127
5.5 機(jī)器人多驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)控制方法 132
5.5.1 基于電流的驅(qū)動(dòng)模式自主切換理論 133
5.5.2 自主切換理論仿真與臺(tái)架試驗(yàn) 136
5.6 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)性能測(cè)試 140
5.6.1 電機(jī)抗負(fù)載變化性能試驗(yàn) 140
5.6.2 機(jī)器人直線行走穩(wěn)定性試驗(yàn) 141
5.6.3 自適應(yīng)控制技術(shù)的野外試驗(yàn) 143
參考文獻(xiàn) 145
第6章 機(jī)器人井下通信 147
6.1 引言 147
6.2 礦用搜救機(jī)器人現(xiàn)有通信方式 148
6.2.1 井下通信特點(diǎn)與通信系統(tǒng)性能需求 148
6.2.2 井下機(jī)器人有線通信 149
6.2.3 井下機(jī)器人無線通信 151
6.3 基于有線與無線相結(jié)合的礦用搜救機(jī)器人通信系統(tǒng) 154
6.3.1 礦用搜救機(jī)器人有線-無線結(jié)合通信原理 155
6.3.2 通信系統(tǒng)相關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 156
6.4 基于無線Mesh自組網(wǎng)的礦用搜救機(jī)器人通信系統(tǒng) 161
6.4.1 煤礦井下無線Mesh通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 162
6.4.2 煤礦井下無線Mesh通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 164
6.4.3 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)通信模擬巷道試驗(yàn) 168
參考文獻(xiàn) 169
第7章 井下圖像處理與視頻分析 171
7.1 引言 171
7.2 井下暗光場(chǎng)景圖像增強(qiáng)技術(shù) 171
7.2.1 空域處理方法 172
7.2.2 頻域處理方法 177
7.3 井下水霧場(chǎng)景圖像去霧技術(shù) 179
7.3.1 判別導(dǎo)向?yàn)V波去霧方法 180
7.3.2 基于組合代價(jià)函數(shù)去霧方法 183
7.4 井下運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景圖像去模糊技術(shù) 189
7.4.1 紅外灰度圖像去模糊方法 190
7.4.2 彩色圖像去模糊方法 192
7.5 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)視頻圖像分析 196
7.5.1 光流場(chǎng)法分析 196
7.5.2 差分法分析 202
參考文獻(xiàn) 206
第8章 機(jī)器人定位與礦圖構(gòu)建 209
8.1 引言 209
8.2 基于LiDAR/IMU緊耦合的同步定位與地圖構(gòu)建方法 210
8.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)與因子圖模型構(gòu)建 211
8.2.2 約束因子構(gòu)建 213
8.3 基于LiDAR/IMU/UWB融合的同步定位與地圖構(gòu)建方法 224
8.3.1 系統(tǒng)架構(gòu)與全局因子圖模型構(gòu)建 224
8.3.2 約束因子構(gòu)建 228
8.4 井下多傳感器融合的機(jī)器人定位建圖試驗(yàn) 232
8.4.1 局部區(qū)域連續(xù)定位試驗(yàn) 234
8.4.2 大范圍巷道地圖構(gòu)建與定位試驗(yàn) 237
參考文獻(xiàn) 242
第9章 機(jī)器人路徑規(guī)劃與自主避障 245
9.1 引言 245
9.2 機(jī)器人路徑規(guī)劃策略 245
9.2.1 基于圖搜索的策略 246
9.2.2 基于采樣的策略 253
9.2.3 基于生物啟發(fā)的策略 254
9.3 機(jī)器人軌跡規(guī)劃策略 259
9.3.1 最小振蕩軌跡 260
9.3.2 模型預(yù)測(cè)控制 266
9.4 機(jī)器人自主避障方案 269
9.4.1 移動(dòng)機(jī)器人避障常用傳感器 269
9.4.2 移動(dòng)機(jī)器人避障控制方法 273
9.5 路徑規(guī)劃與自主避障試驗(yàn)驗(yàn)證 274
9.5.1 試驗(yàn)環(huán)境 275
9.5.2 測(cè)試步驟及方案 278
9.5.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與分析 279
參考文獻(xiàn) 283
第10章 井下環(huán)境與生命探測(cè) 285
10.1 引言 285
10.2 井下巷道環(huán)境探測(cè) 285
10.2.1 災(zāi)后環(huán)境及探測(cè)任務(wù) 285
10.2.2 環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 287
10.2.3 環(huán)境數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì) 288
10.2.4 小型甲烷傳感器設(shè)計(jì) 296
10.2.5 數(shù)據(jù)采集性能測(cè)試 299
10.3 礦工人員生命探測(cè) 303
10.3.1 基于視覺的搜救設(shè)備 303
10.3.2 基于聽覺的搜救設(shè)備 307
10.3.3 DKL搜救設(shè)備 309
10.3.4 基于雷達(dá)的搜救設(shè)備 310
10.3.5 基于嗅覺的搜救設(shè)備 312
參考文獻(xiàn) 313
第11章 機(jī)器人防爆設(shè)計(jì) 315
11.1 引言 315
11.2 防爆理論及其應(yīng)用 315
11.2.1 防爆原理與防爆類型 315
11.2.2 常用防爆型式 317
11.2.3 復(fù)合型防爆理論 318
11.2.4 機(jī)器人防爆類型選擇分析 319
11.3 機(jī)器人部件隔爆設(shè)計(jì) 320
11.3.1 隔爆接合面 320
11.3.2 主箱體隔爆設(shè)計(jì) 321
11.3.3 電機(jī)隔爆設(shè)計(jì) 325
11.3.4 其他隔爆設(shè)計(jì)單元 332
11.4 機(jī)器人部件本安設(shè)計(jì) 333
11.4.1 本安型機(jī)械手 334
11.4.2 小型本安型甲烷探測(cè)器 337
11.4.3 本安型攝像儀 338
11.4.4 本安型便攜式終端操控設(shè)備 339
11.5 主箱體防爆與結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì) 340
11.5.1 隔爆箱體輕量化設(shè)計(jì)方案分析 340
11.5.2 隔爆箱體輕量化優(yōu)化建模 341
11.5.3 隔爆箱體自加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 350
參考文獻(xiàn) 352