一种基于四轴飞行器的矿井灾害时期探测装置的制作方法

本发明涉及煤矿灾变时期环境监测技术领域，尤其涉及一种基于四轴飞行器的矿井灾害时期探测装置。

背景技术：

目前无人机已经在航拍、农林、火灾、监测预警中广泛投入使用，无人机的小型化，高机动性、便携性，在以上领域展现出了非常高的适应性。煤矿井下灾害包括煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、突水等事故，一旦事故发生通信设施受到破坏，井下断电措施，井下的巷道、设备损坏情况和空气环境无法获知，给灾后救援方案的制定和救援人员的安全保障带来巨大挑战。目前的井下事故救援一般靠专家的专业知识和经验进行判断，对井下的环境及可能发生的次生灾害进行评估，然后再决定采取救援的时机。

目前危险作业机器人是机器人的一个新的发展方向，世界上许多国家研制出消防机器人、反恐防爆机器人、扫雷机器人等，煤矿井下探测救援机器人也有少量的研究实例。煤矿巷道有多种类型，不同巷道面受类型不同，巷道形状、截面大小、稳定程度大不相同，尤其在灾害期，狭窄的巷道面充斥大量障碍物，机器人在井下前进困难。

将危险作业机器人的核心技术移植到矿井救援探测机器人，并根据井下特点特化机器人。煤矿井下探测机器人能够分析井下气体成分，测量井下温度及压力，并将探测得到的环境参数存入机器人储存器内，并通过无线系统将井下环境状态传回井外的上位机，专家及决策者利用得到的信息做出救援方案及决策。现有的救援机器人多采用履带作为移动方式，采用履带式移动可以在复杂的路况下使机器人稳定前进，收集大量井下环境信息。但是，在井下事故灾害情况下，机器人可能遇到无法翻越的大型障碍物，导致探测机器人无法继续前进，进而无法对井下环境进行全面的探测。

目前，尚没有人将无人机用于井下探测。无人机具有小型化、高机动性、便携性的特点，在发生矿井事故时，可以迅速的将无人机送往巷道内。并且，无人机的前进方式也避免了因无法翻越障碍物而无法继续前进的弊端。履带式机器人因其本身结构限制，难以同一位置多角度、全方位摄影，无人机凭借其飞行特征可以简单完成该功能。通过预先将巷道信息录入 无人机，利用红外辅助系统及避障系统可以躲避沿线上的障碍物，到达指定的目的地。并将沿线探测到的环境参数通过无线系统传输到井外上位机。

目前井下无线通信性能较差，尤其在煤矿灾害期，井下原有通信系统难以使用，巷道内障碍物进一步缩短机器人通信距离。因此提出一种利用四轴飞行器携带微型自带电源无线中继单元，沿巷道布置中继单元。

技术实现要素：

鉴于上述井下灾害的实际情况，提出一种基于四轴飞行器的矿井灾害时期环境探测装置。无人机具备放置无线中继单元的能力。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明为一种利用四轴飞行器进行井下探测的技术及方法，包括无人机飞行器、远程上位机，该无人机上搭载有主控制器、飞行控制器、避障系统、红外辅助系统、微型红外摄像头、多参数微型气体传感器、温度传感器、压力传感器、中继单元放置元件等部分组成。可以完成煤矿井下灾害期的探测过程。

所述的一种利用四轴飞行器进行井下探测的技术及方法，主控制器的作用是控制无人机上的元件，并能与井外上位机进行信息交换。

所述的一种利用四轴飞行器进行井下探测的技术及方法，飞行控制模块的作用是控制无人机的飞行方向，并具有自主飞行功能。

所述的一种利用四轴飞行器进行井下探测的技术及方法，参数监测模块的作用是控制多参数型微型气体传感器(2)和温度、压力传感器(3)，并将信息存储在储存器内。

所述的一种利用四轴飞行器进行井下探测的技术及方法，影像处理模块的作用是处理红外摄像头(5)拍摄的影像，并将影像数据存储在储存器内。

所述的一种利用四轴飞行器进行井下探测的技术及方法，中继单元放置模块的作用是控制中继单元放置装置(4)，将微型含电源无线中继单元在沿线放置。

所述的一种利用四轴飞行器进行井下探测的技术及方法，远程上位机的作用是供井外专家和决策者查看井下情况，并发送控制无人机的指令。

所述的一种利用四轴飞行器进行井下探测的技术及方法，红外夜视模块的作用是控制红外辅助系统发射红外线，根据红外线接收管接收到的高低电平判断周围是否有障碍物。

所述的一种利用四轴飞行器进行井下探测的技术及方法，避障系统的作用是利用红外辅助系统得到的数据，自行优化飞行路线，保证无人机顺利到达指定地点。

附图说明

图1为一种利用四轴飞行器进行井下探测装置的整体框图，由主控制器、飞行控制模块、参数监控模块、影像处理模块、中继单元放置模块、远程上位机、避障模块、红外夜视模块组成。

图2、图3为无人机的俯视图、正视图，由无人机机身、旋转翼、旋翼保护装置(1)、多参数微型气体传感器(2)、温度、压力传感器(3)、微型中继单元放置装置(4)、红外摄像头(5)、红外辅助系统(6)等组成。

具体实施方式

根据上述的一种利用四轴飞行器进行井下探测，包括无人机飞行器、远程上位机，该无人机上搭载有主控制器、飞行控制器、避障系统、红外辅助系统、微型红外摄像头、多参数微型气体传感器、温度传感器、压力传感器，主控制器分别连接红外摄像头、红外辅助系统、中继单元放置模块及各类传感器；考虑到矿井巷道内通信效果差，本设计加入中继单元放置模块，可以携带微型中继单元并在航线中放置中继单元，增加井下探测距离。考虑到灾害期井下巷道结构复杂，本设计加入避障系统，根据预录入巷道信息及利用红外辅助系统探测数据，可以自主飞往目的地。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种矿井灾害时期基于无人机的环境探测技术及方法。矿井发生瓦斯突出、瓦斯爆炸、火灾、突水等灾害时期，人员无法进入，救援抢险指挥部无法对井下环境进行评估，现利用四旋翼飞行器和井下的无线定位系统结合实现对无人机的飞行控制和数据传输，飞行器上携带微型红外摄像头、多参数微型气体传感器、温度传感器、压力传感器。机载摄像头和多种传感器的监测数据可记录在内置储存器中，无人机在探测沿线布置微型自带电源中继单元，中继单元兼容井下通信系统及无人机通信系统，从而延长无人机的通信传输距离，将储存器内的数据通过无线通信系统传回地面，从而提供救灾基本参数。

技术研发人员：聂百胜;杨龙龙;许腾;苏小强
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2016.03.01
技术公布日：2017.09.08