一种基于避障无人机的矿难搜救与有毒有害气体监测系统及其工作方法与流程

本发明属于煤矿巷道应急搜救领域，具体涉及一种基于避障无人机的矿难搜救与有毒有害监测系统及其工作方法。

背景技术：

目前常用的矿难搜救和矿内有毒有害气体监测系统主要有：手持监测仪、搜救犬、移动机器人等，目前传统的搜救和监测系统越障能力低、搜索速度慢、工作范围受空间限制等技术问题，不利于矿难发生后的快速有效搜救。

例如：当矿难发生后，搜救人员和搜救犬都无法直接进入矿内，且矿内环境未知，无法保证搜救人员和搜救犬的安全；手持检测仪由于复杂矿内环境和井深限制，无法对对超出检测范围区域进行检测。此外，移动机器人检测系统以地面可移动机器人为检测平台，搭载多种监测传感器，通过无线远程遥控实现矿内环境的无人监测。

但是，常用的矿内地面检测机器人无法越过大型障碍，对矿内地形适应性差，无法满足复杂矿内环境搜救需求。特别是在矿难发生后实施快速有效矿内搜救前，矿内地形破坏剧烈使得地面检测机器人无法快速达到矿难危险区域。遥控避障无人机虽然能够克服上述问题，但仍受限于缆线的长度，缠绕等因素的制约。此外，采用地面检测机器人搜索速度慢，不利于对矿内被困人员的快速搜救。因此，常用的矿内环境监测系统无法满足现阶段矿内有毒有害气体监测、矿内快速安全搜救等领域的具体应用要求。

目前在核心期刊与专利查询中均未发现与此发明类似的方法介绍。

技术实现要素：

针对常用的矿内环境监测系统无法满足现阶段矿内有毒有害气体监测、矿内快速安全搜救等应用的具体需求问题，本发明目的在于提供一种基于避障无人机的矿难搜救与有毒有害气体监测系统与方法。本发明的是这样是实现的：

一种基于避障无人机的矿难搜救与有毒有害气体监测系统，包括用户监测站1和避障无人机搜救和有毒有害气体监测飞行平台2；

其中，所述用户监测站包括pc机1-1、手持终端1-2、无线调制解调器1-4和rc控制器1-3；

所述避障无人机飞行搜救和有毒有害气体监测飞行平台2包括无人机飞行平台2-1、电机桨叶总成2-2、导航定位及飞控一体化系统2-3、有毒有害气体监测系统2-4、遥控接收解码系统2-5、无线通讯系统2-6、环形弹性护架2-7、避障子系统2-8、视觉导航传感器2-8-1、超声波定位系统2-8-2、相机组合2-9、热成像相机2-9-1、高清摄像机及探照灯2-9-2、双电池2-10及落地支架2-11。

当矿难发生后，搜救人员携带用户监测端1和避障无人机搜救与有毒有害气体监测飞行平台2至矿难发生附近安全区域，并启动无人机飞行平台2-1；接收到用户监测站pc机1-1通过无线调制解调器1-4发送的起飞和目的地指令后，避障无人机开启导航及飞控一体化系统2-3和避障子系统2-8飞往矿难区域，其中避障子系统2-8包括视觉导航传感器2-8-1和超声波定位传感器2-8-2。避障无人机飞抵矿内检测区域，开启有毒有害气体监测系统2-4和热成像相机2-9-1进行搜救和有毒有害气体监测。其中，有毒有害气体监测系统2-4能对硫化氢h2s、一氧化碳co和甲烷ch4等气体进行实时监测处理及报警，并采用防爆隔离板封装。

避障无人机采集监测点周围热成像信息、有毒有害气体监测参数和避障无人机飞行搜救和有毒有害气体监测平台运动状态参数，并通过无线通讯系统2-6传回用户监测站1；用户监测站pc机1-1进行数据处理分析并进行信息可视化处理，获得避障无人机飞行搜救和有毒有害气体监测平台2-1三维位置和姿态信息和有毒有害气体参数，并将信息同步发送至手持终端。与此同时，pc机1-1判断是否有生命迹象，如果没有生命迹象则通过无线调制解调器1-4发送下一目的地指令控制避障无人机飞行搜救和有毒有害气体监测平台2移动至下一搜索区域；如果有生命迹象，则发出搜救信号，并根据采集到的有毒有害气体信息进行快速、安全施救。避障无人机飞行搜救和有毒有害气体监测平台2完成所有搜索区域的搜救和有毒有害气体监测后，关闭有毒有害气体监测系统和热成像相机，备降或返航。

本发明提供的一种基于避障无人机的矿难搜救与有毒有害气体监测系统的工作方法包括以下步骤：

步骤a、搜救人员携带用户监测端和避障无人机搜救与有毒有害气体监测飞行平台至矿难发生附近安全区域，并启动无人机飞行平台；

步骤b、发送起飞指令，开启导航定位及飞控一体化系统和避障子系统，操作手结合高清摄像机及探照灯采集的视频信息和避障子系统来控制rc控制器，保证无人机在矿内安全飞行；

步骤c、开启有毒有害气体监测系统和热成像相机，无人机搜索前进并飞抵矿难区域；

步骤d、实时采集矿难区域周围热成像信息、有毒有害气体参数和避障无人机飞行搜救和监测平台运动状态参数等信息，并传回用户监测站；

步骤e、数据处理分析，获得矿内热成像信息、有毒有害气体参数和避障无人机飞行搜救和监测平台三维位置和姿态信息；

步骤f、搜索一段距离后，若用户监控站显示图像信息变弱时，立即悬停/降落无人机，搜救人员携带用户监控站前进至无人机悬停/降落附近安全区域，再次控制无人机向前搜索前进；

步骤g、首先判断有毒有害气体监测系统是否报警，若报警则快速降低空气中有毒有害气体成本和浓度，然后判断是否有生命迹象，若有生命迹象则用户监测站发出搜救信号，同时结合有毒有害气体监测信息进行施救，若无生命迹象则继续步骤d、e和f；

步骤i、重复上述步骤d、e、f和g，直至完成整个搜索区域。

本发明提供了基于避障无人机的矿难搜救与有毒有害气体监测系统与其工作方法，具有以下优势：

1、本发明使用避障无人机作为搜救和监测平台，为矿难发生后矿内环境的全方位、快速搜救，连续多参数信息采集和数据传输，解决了矿难后矿内复杂环境对矿内搜救和信息采集时搜救人员的安全问题。无人机监测平台通过无线通讯系统连接监控站，进行实时数据传输与通讯，无线通讯的数据传输方式避免了通过电缆传输数据时电缆对飞行平台的拖拽问题。此外，搭载热成像相机进行生命探测，可实现矿难中被埋人员位置的快速探测，利于快速搜救。

2、本发明中避障无人机配备双模块本安型电池，监测飞行平台提供充足电源。一方面避免了揽控无人机缆线长度限制和缠绕，解决了避障无人机飞行时空间和距离受限制的问题。另一方面通过双模块本安型电池降低单模块电池的电流、电压和功耗等问题，利于达到防爆要求。

3、飞行平台搭载有视觉传感导航系统和超声波回声定位系统来进行障碍物探测和避障，提升飞行平台的安全性。避障子系统监测飞行平台附近环境信息并感知障碍物，通过飞控系统控制飞行平台在飞行中避让障碍物。此外，还对无人飞行平台旋翼配有弹性护架，避免由摩擦、碰撞而损毁飞行平台。

附图说明

图1为基于避障无人机的矿难搜救与有毒有害气体监测系统结构简图。

图2为避障无人机飞行搜救和监测平台结构简图。

图3为基于避障无人机的矿难搜救与有毒有害监测系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细地描述：

需要说明的是本发明中涉及的惯性导航系统为典型导航定位系统，避障子系统2-8和导航及飞控一体化系统2-3是常规装置，环境监测子系统2-4中的传感器也为典型的测量器件，故本发明不再对其原理进行详细描述；

实施例一：

基于避障无人机的矿难搜救与有毒有害气体监测系统，如图1所示，包括用户监测站1和避障无人机飞行搜救和监测平台2；

用户监测站包括pc机1-1、手持终端1-2、rc控制器1-3和无线调制解调器1-4，手持终端1-2和rc控制器1-3无线连接pc机1-1，pc机1-1通过无线调制解调器1-4无线连接避障无人机飞行搜救和监测平台2。

避障无人机飞行搜救和监测平台2包括无人机飞行平台2-1、电机旋桨叶总成2-2、导航及飞控一体化系统2-3、有毒有害气体监测系统2-4、遥控接收解码系统2-5、无线通讯系统2-6、环形弹性护架2-7、避障子系统2-8、视觉导航传感器2-8-1、超声波定位系统2-8-2、相机组合2-9、热成像相机2-9-1、高清摄像机及探照灯2-9-2、双电池2-10、落地支架2-11。

其中，电机桨叶总成2-2的数量是四个，四个电机桨叶总成配装在无人机框架四端角上，环形弹性护架2-7包围无人机的四个电机桨叶总成2-2，电池2-10安装在无人机飞行平台2-1中心中部位置，导航及飞控一体化系统2-3安装在无人机飞行平台2-1中心上方中部位置，遥控接收解码系统2-5与无线通讯系统2-6安装在无人机飞行平台2-1中心上方上部位置，有毒有害气体监测系统2-4通过四个长形六角螺钉固定在遥控接收解码系统2-5与无线通讯系统2-6上方，有毒有害气体监测系统2-4能对硫化氢h2s、一氧化碳co和甲烷ch4等气体进行实时监测处理及报警，并采用防爆隔离板封装。

避障子系统2-8安装在无人机飞行平台2-1边框和下方位置，避障子系统2-8包括视觉导航传感器2-8-1和超声波定位传感器2-8-2；直接连接避障无人机导航及飞控一体化系统并2-3通过无线通讯系统2-6连接用户监测站1，用户监测站1通过无线通讯系统2-6对无人机飞行搜救和有毒有害气体监测平台2姿态位置进行监测并发送控制指令，避障无人机飞行搜救和有毒有害气体监测平台2将采集的矿内环境信息参数通过无线通讯传回pc机1-1，供pc机1-1实时处理分析并作可视化处理。此外，还可通过无线网络或移动通讯网络的方式与远程调度指挥中心和手持终端1-2通讯。热成像相机2-9-1安装在无人机飞行平台2-1中心下部，避障无人机飞行搜救和监测平台还包括落地支架2-11。

实施例二：

基于避障无人机的矿难搜救与有毒有害气体监测系统作业流程：

在矿难发生后，搜救人员携带用户监测端1和避障无人机及有毒有害气体监测飞行平台2至矿难最近安全区域。启动避障无人机起飞装置，保证无人机正常起飞；在确认起飞环境良好情况下接收到用户监测站pc机1-1通过无线调制解调器1-3发送的起飞和目的地指令后，避障无人机飞行搜救和监测平台2开启导航及飞控一体化系统2-3和避障子系统2-8飞往矿洞目的地，4个电机桨叶总成2-2接收导航及飞控一体化系统2-3传来的控制信号，驱动避障无人机飞行搜救和监测平台2向预定监测区域飞行，由视觉传感器2-8-1和超声波定位系统2-8-2组成的避障子系统2-8监测无人机周围的环境信息并感知障碍物，通过导航及飞控一体化系统2-3控制平台在飞行中避让障碍物；

避障无人机飞行搜救和有毒有害气体监测飞行平台2飞抵矿内检测区域，开启有毒有害气体监测系统2-4和热成像相机2-9进行搜救和有毒有害气体监测；避障无人机飞行搜救和有毒有害气体监测飞行平台2采集搜索区域周围热成像信息、有毒有害气体参数和避障无人机飞行搜救和监测平台运动2状态参数，启动系统数据采集与存储模块，对矿内有毒有害气体参数、图像信息以及无人机飞行监测平台2本体运动参数进行数据采集与预存储，并通过无线通讯系统2-6传回用户监测站1；

用户监测站pc机1-1进行数据处理分析并进行信息可视化处理，获得避障无人机飞行搜救和监测平台2三维位置和姿态信息，矿内热成像信息和有毒有害气体参数，并将信息同步发送至手持终端1-2；pc机1-1判断是否有生命迹象，如果没有生命迹象则通过无线调制解调器1-3发送下一目的地指令控制避障无人机飞行搜救和有毒有害气体监测飞行平台2移动至下一搜索区域；如果有生命迹象，则发出搜救信号，并根据采集到的环境信息进行施救；避障无人机飞行搜救和有毒有害气体监测飞行平台2完成所有搜索区域的安全、有效搜救和监测后，关闭有毒有害气体监测系统2-4和热成像相机2-9-1，返航；待飞抵停机坪上空，关闭导航及飞控一体化系统2-3和避障子系统2-8，安全降落后关闭无人机装置。

实施例三：

步骤a、搜救人员携带用户监测端(1)和避障无人机搜救与有毒有害气体监测飞行平台(2)至矿难发生附近安全区域，并启动无人机飞行平台(2-1)；

步骤b、发送起飞指令，开启导航定位及飞控一体化系统(2-3)和避障子系统(2-8)，操作手结合高清摄像机及探照灯(2-9-2)采集的视频信息和避障子系统(2-8)来控制rc控制器(1-3)，保证无人机在矿内安全飞行；

步骤c、开启有毒有害气体监测系统(2-4)和热成像相机(2-9)，无人机搜索前进并飞抵矿难区域；

步骤d、实时采集矿难区域周围热成像信息、有毒有害气体参数和避障无人机飞行搜救和监测平台(2)运动状态参数等信息，并传回用户监测站(1)；

步骤e、数据处理分析，获得矿内热成像信息、有毒有害气体参数和避障无人机飞行搜救和监测平台(2)三维位置和姿态信息；

步骤f、搜索一段距离后，若用户监控站显示图像信息变弱时，立即悬停/降落无人机，搜救人员携带用户监控站前进至无人机悬停/降落附近安全区域，再次控制无人机向前搜索前进；

步骤g、首先判断有毒有害气体监测系统(2-4)是否报警，若报警则快速降低空气中有毒有害气体成本和浓度，然后判断是否有生命迹象，若有生命迹象则用户监测站(1)发出搜救信号，同时结合有毒有害气体监测信息进行施救，若无生命迹象则继续步骤d、e和f；

步骤i、重复上述步骤d、e、f和g，直至完成整个搜索区域。

本发明的具体工作流程图，流程如下：

步骤1，调试并确认系统接线正确和正常运行，在矿难发生附近安全区域启动无人机飞行装置；

步骤2，发送起飞指令，开启导航定位及飞控一体化系统2-3和避障子系统2-8，并判断避障无人机搜救与有毒有害气体监测飞行平台2是否安全飞行，如果不是则操作手结合高清摄像机及探照灯2-9-2采集的视频信息和避障子系统2-8来控制rc控制器1-3，使避障无人机搜救与有毒有害气体监测飞行平台2在矿内安全飞行；如果是，进入步骤3；

步骤3，开启有毒有害气体监测系统2-4和热成像相机2-9，无人机搜索前进并飞抵矿难区域，进入步骤4；

步骤4，启动系统数据采集与存储模块，避障无人机搜救与有毒有害气体监测飞行平台2对矿内热成像图像信息、有毒有害气体参数以及本体运动参数进行数据采集与预存储，并通过无线通讯系统2-6将测量数据传回用户监控端1和手持终端1-2，进入步骤5；

步骤5，首先毒有害气体监测系统2-4判断有毒有害气体浓度是否超标，若超标则快速降低空气中有毒有害气体成分和浓度，若没有超标则进入步骤6；

步骤6，用户监测站1通过无线通讯系统2-6接收避障无人机及有毒有害气体监测飞行平台2传回的矿内热成像图像信息判断是否有生命迹象，若有生命迹象则用户监测站1发出搜救信号，同时结合有毒有害气体监测信息进行快速救援；若无生命迹象则继续步骤3、4和5；

步骤7，搜索一段距离后，若用户监控站显示图像信息变弱时，立即悬停/降落无人机，搜救人员携带用户监控站前进至无人机悬停/降落附近安全区域，再次控制无人机向前搜索前进；判断是否完成所有区域的搜索，如果没有则重复上述步骤3、4、5和6直至完成整个搜索区域，进入步骤8

步骤8，避障无人机搜救与有毒有害气体监测飞行平台2关闭有毒有害气体监测系统2-4和热成像相机2-9-1，返航；待飞抵停机坪上空，关闭导航及飞控一体化系统2-3和避障子系统2-8，安全降落后关闭无人机装置。