煤礦井下搜救機器人研究
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現場(chǎng)的塵土、煙霧和散落的廢墟都會(huì )增加救災機器人執行任務(wù)的難度.同時(shí),現場(chǎng)的高溫也不利于機器人的使用,甚至可能出現履帶或輪胎被高溫熔化并發(fā)生燃燒等現象.因此,在設計過(guò)程中應注意機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,復雜的現場(chǎng)環(huán)境還對機器人的控制線(xiàn)提出了新的要求,鋒利的金屬殘片或其它殘骸對控制線(xiàn)產(chǎn)生了威脅,所以在選擇控制線(xiàn)時(shí)必須考慮它的堅固性。
3.5機器人井下自主導航定位及運動(dòng)控制技術(shù)
救災機器人在執行任務(wù)過(guò)程中,應當避免危險的環(huán)境和防止產(chǎn)生更多的危險,這就要求機器人必須具有導航能力;其次,為了向救災中心提供幸存者的位置,機器人必須能夠確定自身位置,完成任務(wù)后回到救災中心,這要求機器人具有定位和路徑規劃能力.救災機器人的導航方式可分為:基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導航、基于各種導航信號的陸標導航、視覺(jué)導航和味覺(jué)導航等。定位能確定機器人在二維工作環(huán)境中相對于全局坐標的位置,可分為慣性定位、陸標定位和聲音定位等.路徑規劃是根據機器人所感知到的工作環(huán)境信息,按照某一性能指標搜索一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無(wú)碰撞路徑,并且實(shí)現所需清掃區域的合理完全路徑覆蓋,可分為兩種類(lèi)型:環(huán)境信息完全掌握的全局路徑規劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的局部路徑規劃.此外,GPS能對全球表面任何地點(diǎn)及近地空間提供實(shí)時(shí)高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。救災機器人可采用衛星定位系統與電子地圖結合的方式,隨時(shí)提供救災機器人的方位,實(shí)現機器人定位的可視化.
位置信息是井下探測機器人必不可少的信息之一，無(wú)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(gè)相對精確的具體位置信息作參考。盡管操作人員可以通過(guò)前方影像數據在一定程度上進(jìn)行大體位置判斷，但這樣的定位是無(wú)精度可談的，況且在火災等現場(chǎng)中，由于煙霧等原因，根本無(wú)法通過(guò)視覺(jué)圖像進(jìn)行定位。因此，采用多種傳感器進(jìn)行融合，對機器人當前的位置進(jìn)行測量和計算，是十分必要的工作。
另外，在復雜的非結構化井下環(huán)境中，僅僅通過(guò)攝像頭進(jìn)行遠程控制，是難以保證操作動(dòng)作的準確性和安全性的；如何能夠保證機器人按照所規劃的路徑和發(fā)出的運動(dòng)學(xué)指令準確、高效、安全的運動(dòng)是保證其圓滿(mǎn)完成探測任務(wù)的前提條件。特別是安全性問(wèn)題，表現得尤為突出，稍有不慎就有可能使機器人發(fā)生傾覆或者碰撞。因此，對機器人的姿態(tài)信息進(jìn)行采集，結合位置、航向等運動(dòng)參數，通過(guò)本地自主實(shí)時(shí)監控和遠程監控相結合的方式對運動(dòng)軌跡和姿態(tài)進(jìn)行控制，通過(guò)研究機器人的運動(dòng)學(xué)模型，使其可以自主的保持在安全范圍之內，當操作員發(fā)出可能產(chǎn)生危險的指令時(shí)能夠及時(shí)制止并發(fā)出報警信息，是一個(gè)非常必要和實(shí)用的功能。
可見(jiàn)雖然目前存在的大部分搜救機器人采用主從操作方式，但鑒于煤礦井下環(huán)境的復雜性及危險性，特別是對通信系統的嚴酷環(huán)境，機器人具有自主導航及運動(dòng)控制的能力是十分必要的功能。提高搜救機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(gè)結構化和非結構化并存的環(huán)境，而在事故發(fā)生后，則多數是非平整非結構化的環(huán)境，因此，本論文針對復雜的煤礦井下環(huán)境，將煤礦井下探測機器人的自主導航定位及運動(dòng)控制技術(shù)作為主要研究內容。
3.6非平整路面移動(dòng)機器人導航技術(shù)
3.6.1適應非平整路面的移動(dòng)機器人平臺
非結構化非平整路面環(huán)境中工作的機器人，一般是用于星際探測、野外偵察、農業(yè)耕作、礦區作業(yè)等領(lǐng)域，國外有研究人員將這類(lèi)機器人定位為野外移動(dòng)機器人(Off-Road Mobile Robots)，是較為合適的定義。
3.6.2非平整路面移動(dòng)機器人導航技術(shù)研究現狀
近年來(lái)，對于非平整路面移動(dòng)機器人定位及導航技術(shù)得到了越來(lái)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、采礦及農業(yè)等領(lǐng)域取得了一定的研究和應用成果。
目前機器人可用于定位導航及狀態(tài)感知的傳感器主要包括里程計、慣性導航單元、GPS系統、超聲波或聲納傳感器、激光測距傳感器、計算機視覺(jué)系統等。里程計或光電編碼器是移動(dòng)機器人廣泛使用的傳感器，主要用于航位推算過(guò)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(lái)逐漸應用到地面車(chē)輛或移動(dòng)機器人的定位及姿態(tài)測量等算法當中，特別是在與里程計、GPS相融合后組成的組合導航系統，成為移動(dòng)機器人導航的重要手段；GPS系統作為一種絕對式位置傳感器，有著(zhù)使用方便、精度較高，數據處理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，特別是通過(guò)差分計算之后，其精度更可以達到米級以下甚至更高，從而可以直接引用于機器人的定位工作，其主要問(wèn)題是在復雜環(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(wú)法作為軍事目的而使用。當前比較常見(jiàn)的做法是將里程計、IMU以及GPS信息通過(guò)一定的方式進(jìn)行數據融合(通常采用擴展卡爾曼濾波、無(wú)味卡爾曼濾波等算法)，利用融合后的結論實(shí)現對機器人位姿的正確估計。聲納或超聲波傳感器主要用于對機器人周?chē)嚯x（一般5m以?xún)龋┑恼系K物進(jìn)行探測，而且一般是以陣列的形式安裝在機器人本體上，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(dòng)機器人系統；激光雷達也是目前常用的距離測量工具，主要分為二維激光雷達或三維激光雷達，由于其測量距離遠（一般達到幾十米甚至上百米），測量速度快（每秒幾十次掃描數據），被越來(lái)越多的應用到移動(dòng)機器人環(huán)境感知及環(huán)境建模的場(chǎng)合當中。視覺(jué)系統是最常用的環(huán)境感知系統，也是人類(lèi)對世界進(jìn)行感知和認識的主要途徑，近年來(lái)特別是近2，3年來(lái)，基于視覺(jué)環(huán)境感知的研究成果層出不窮，其計算的復雜度不斷減小，工程化程度越來(lái)越高，通過(guò)視覺(jué)實(shí)現障礙物探測、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(lái)越多。除此之外，還有一些如毫米波雷達、紅外傳感器、力傳感器、觸覺(jué)傳感器等也應用到不同場(chǎng)合機器人的自身或環(huán)境參數的感知上，在這里不再詳述。
環(huán)境重建技術(shù)是信息技術(shù)中，特別是計算機視覺(jué)技術(shù)中的一個(gè)重要研究方向，對于機器人系統的研究而言，其主要用于機器人的導航、目標的跟蹤與識別以及真實(shí)場(chǎng)景的重現等。其主要手段歷經(jīng)了從計算機視覺(jué)，到計算機視覺(jué)與激光雷達的結合，即主動(dòng)視覺(jué)的概念；近年來(lái)由于計算機視覺(jué)算法及計算平臺的不斷完善，又重新回到使用計算機視覺(jué)，即僅采用被動(dòng)視覺(jué)的方法上。
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