本发明涉及一种矿井灾变环境侦测的飞行器装置，具体涉及多信息融合技术、飞行器设计与控制方法和井下人员定位技术等。
背景技术：
当前，结合危险场合作业的机器人发展现状，将其核心技术移植到矿井灾后应急救援中，并根据井下灾变环境特点研制了部分特种机器人。现有的救援机器人多采用履带和螺旋桨作为移动方式，采用履带和螺旋桨的推进方式可以在复杂的条件下使机器人稳定前进，收集大量井下灾变环境信息。但是在井下发生瓦斯爆炸和火灾等事故后，井下环境复杂，如顶板垮塌、挂落的线缆等都会阻碍较大尺寸的机器人和无人机进入救援现场，且可能遇到随时掉落的物体和线缆的缠绕导致机器人故障和无人机的“炸机”。进而无法达到应急救援和快速探测灾变现场环境的目的。因此，研究灾变巷道自主保护的快速侦测飞行器是一个必须解决的难题。
由于飞行器具有小型化、高机动性、便携性等特点，在井下发生事故后，可以迅速的将无人机送往巷道内。针对井下发生火灾或瓦斯爆炸等事故后，事故现场一般有毒有害物质浓度超标、氧气含量较低，救护队员难以到达相关区域进行抵近侦察、搜寻和救援。现有的履带式机器人因其本身结构限制，难以同一位置多角度、全方位摄影和侦测，而飞行器凭借其飞行特征可以很方便的完成该功能。通过预先在飞行器上安装多种智能传感器、网络摄像机、无线通信模块等设备，利用人员操作及自主避障系统可以躲避沿线上的障碍物，快速找到被困矿工准确位置。并将沿线探测到的环境参数和灾变现场环境参数通过无线通信系统传输到飞行器控制设备端，使专家及决策者利用得到的井下灾变环境数据做出救援方案及决策。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于飞行器的矿井灾变环境搜救装置，解决现有应急救援技术中无法及时、准确的反映灾变现场的环境参数，无法为应急救援提供准确的井下被困人员的准确位置，以及无法与被困人员进行沟通信息，引导被困人员及时逃生。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于飞行器的矿井灾变环境搜救装置，所述的矿井灾变环境搜救装置包括飞行器、无线通信模块，以及井下工作人员随身携带的定位终端，所述飞行器通过无线通信模块连接救援中心，所述飞行器上安装有安全监测监控模块、人员位置信息采集模块；
所述安全监测监控模块，通过无线通信模块与救援中心通信连接，用于对灾后巷道环境进行环境参数采集，并实时上传到救援中心，并控制飞行器的行进方向和行进路线；
所述人员位置信息采集模块与定位终端通信连接，所述人员位置信息采集模块在搜救过程中向定位终端实时发送搜救信号，所述定位终端在接收到搜救信号后，发出搜救响应信号给人员位置信息采集模块，所述人员位置信息采集模块根据定位终端发出的搜救响应信号，实现对被困人员的准确定位，同时通过无线通信模块将被困人员的位置信息上传到救援中心，救援中心根据接收到的人员位置信息以及环境参数信息，向飞行器下达具体的搜救命令。
进一步地，根据本发明所述的基于飞行器的矿井灾变环境搜救装置，所述安全监测监控模块，包括环境参数监测模块，以及避障模块，所述环境参数监测模块包括风速传感器、温度传感器、CO2传感器、瓦斯传感器、CO传感器和O2传感器，所述避障模块包括摄像设备和避障雷达。
进一步地，根据本发明所述的基于飞行器的矿井灾变环境搜救装置，所述人员位置信息采集模块，包括距离测量模块、RFID射频定位模块和信号收发天线，所述距离测量模块用于测量所述飞行器与最近的定位终端之间的距离，所述RFID射频定位模块实现对井下被困人员所携带的定位终端的识别和对定位终端的位置进行定位，所述信号收发天线用于向定位终端发射搜救信号，以及接收定位终端发送的搜救响应信号。
进一步地，根据本发明所述的基于飞行器的矿井灾变环境搜救装置，所述无线通信模块，通过实时连接到井下无线救援网络实现与救援中心的通信连接，使得所述飞行器能够将井下搜救现场获得的环境参数、图像数据和音频数据上传至救援中心，接收救援中心发送的搜救命令和音频数据。
进一步地，根据本发明所述的基于飞行器的矿井灾变环境搜救装置，所述飞行器上安装有语音通信模块，所述语音通信模块在飞行器接收到定位终端发出的搜救响应信号后启动，并发出语音搜救播报，通过定位终端获取被困人员的音频响应信号，确认是否有幸存人员，通过无线通信模块将幸存人员的音频数据上传给救援中心，救援中心通过音频数据建立与矿工的语音沟通，制定施救方案。
进一步地，根据本发明所述的基于飞行器的矿井灾变环境搜救装置，所述定位终端包括RFID射频识别电子标签和无线对讲终端。
进一步地，根据本发明所述的基于飞行器的矿井灾变环境搜救装置，所述飞行器包括防护笼和飞行器本体，所述飞行器本体采用多旋翼飞行器，所述防护笼包括上防护笼和下防护笼，所述上防护笼包括上骨架和设置在上骨架上的若干个上部栅条，所述下防护笼包括下骨架和设置在下骨架上的若干个下部栅条，且所述上部栅条与所述下部栅条一一对应设置。
进一步地，根据本发明所述的基于飞行器的矿井灾变环境搜救装置，所述上部栅条和下部栅条的一端均连接有固定块，另一端分别与上、下骨架焊接在一起，上部栅条和下部栅条均呈弧形，且所述上部栅条、下部栅条在上骨架、下骨架上均以设定方向均匀分布。
进一步地，根据本发明所述的基于飞行器的矿井灾变环境搜救装置，所述上骨架和下骨架上设有均匀分布的螺纹孔，且上骨架和下骨架上的螺纹孔一一对应设置，并用螺栓固定上防护笼、下防护笼，所述上骨架上开设有用于固定笼型飞行器的定位卡槽，且所述定位卡槽与上骨架保持水平，所述定位卡槽的内壁与所述笼型飞行器的动力模块的外侧壁均具有互补波纹状凸起。
本发明的有益效果为：
本发明在灾后人员无法进入井下现场时，通过飞行器搭载定位装置进入巷道，并探测被困矿工的具体位置和确定矿工位置和受困点具体环境特点，能够准确、快速地掌握井下被困人员的准确位置、实时采集事故周围的环境参数变化情况，实现矿井灾后快速救援的目的，尽可能减小灾后井下人员的伤亡。
本发明结构简洁实用，易维护，可扩展性比传统飞行器更强，飞行器采用自带防护笼的保护结构，且能够实现随时拆卸功能，以及能够有效避免飞行器“炸机”和保护飞行器所携带的设备安全。
本发明设置有语音通信模块，在确定被困人员的位置信息后，通过语音通信模块及时与被困人员进行信息沟通，建立与矿工的语音沟通渠道，便于指挥人员制定最终的施救方案，进一步减小人员伤亡。
附图说明
图1为本发明的一种笼型飞行器的矿井灾变环境搜救装置结构示意图。
图2为本发明的飞行器本体结构示意图。
图3为本发明的飞行器防护笼结构示意图。
图4为本发明的飞行器上防护笼和下防护笼结构俯视图。
图5为本发明的飞行器主控板结构示意图。
图6为本发明的安全监测监控模块示意图。
图7为本发明的装置搜救工作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合4旋翼飞行器及相应的附图对本发明具体实施例和本发明技术方案进行清楚、完整地描述。
所述的矿井灾变环境搜救装置包括飞行器、无线通信模块，以及井下工作人员随身携带的定位终端，所述飞行器通过无线通信模块连接救援中心，所述飞行器上安装有安全监测监控模块和人员位置信息采集模块，作为优选地，本发明的飞行器上还安装有语音通信模块，飞行器采用具有防护笼的多旋翼飞行器。
人员位置信息采集模块与定位终端通信连接，所述人员位置信息采集模块在搜救过程中向定位终端实时发送搜救信号，所述定位终端在接收到搜救信号后，发出搜救响应信号给人员位置信息采集模块，所述人员位置信息采集模块根据定位终端发出的搜救响应信号，实现对被困人员的准确定位，同时通过无线通信模块将被困人员的位置信息上传到救援中心，救援中心根据接收到的人员位置信息以及环境参数信息，向飞行器下达具体的搜救命令。
安全监测监控模块通过无线通信模块与救援中心通信连接，包括环境参数监测模块，以及避障模块。其中，环境参数监测模块用于对灾后巷道环境进行环境参数采集，并实时上传到救援中心，如图6所示，环境参数监测模块主要包括：温度传感器(602)，风速传感器(603)，CO2传感器(604)，O2传感器(605)，CO传感器(606)，瓦斯传感器(607)。避障模块主要用于控制飞行器的行进方向和行进路线，主要包括避障雷达(608)和摄像设备(309)，避障雷达(608)采用超声波雷达模块，安装于飞行器上、下、前、后、左、右6个方向，摄像设备(309)采用短波红外相机或热像仪，满足井下黑暗条件的图像采集。
本实施例的搜救装置在本示例中以4轴旋翼飞行器对本发明飞行器结构进行详尽描述，如图1所示：
1.防护笼由上固定块(101)、上部栅条(102)、上骨架(103)、下骨架(104)、下部栅条(105)、下固定块(106)、定位卡槽(107)构成，用于保护飞行器在狭小空间的飞行安全和携带的各个功能模块正常工作，飞行器的防护笼采用超轻竹炭纤维材料。
2.上固定块(101)用于固定上防护笼的上部栅条，并且能够使所述上部栅条等间隔分布于所述上防护笼。
3.上部栅条(102)的截面形状均呈翼型，且均为翼型前缘朝上、尾缘朝下，沿流体的流动方向，上部栅条的一端与上固定块连接，另一端与上骨架焊接在一起。
4.上骨架(103)上均匀分布有若干个螺纹孔，以及固定有与飞行器的动力模块相对应的定位卡槽，且定位卡槽与上骨架保持水平。
5.下骨架(104)上均匀分布有若干个螺纹孔，且螺纹孔与上骨架中的螺纹孔一一对应，能够通过螺栓固定上、下防护笼。
6.下部栅条(105)的截面形状均呈翼型，且均为翼型前缘朝上、尾缘朝下，沿流体的流动方向，下部栅条的一端与下固定块连接，另一端与下骨架焊接在一起，下部栅条与上部栅条一一对应。
7.下固定块(106)用于固定下防护笼的下部栅条，并且能够使所述下部栅条等间隔分布于所述下防护笼。
8.定位卡槽(107)用于固定飞行器，卡槽的内壁与所述动力模块的外侧壁均具有互补波纹状凸起，能够使飞行器在飞行中保持与防护笼的相对稳定。
本实施例飞行器本体结构如图2所示，主要包括：
1.信号收发天线(201)，用于向定位终端发射搜索信号，以及接收定位终端响应搜索信号后发送回来的人员信号。
2.语音通信模块(202)，采用WT588D系列语音模块，用于建立搜救飞行器与被困人员之间的语音通信链路，并将无线通信模块接收的音频数据转码后进行搜救播报，同时由被困人员携带的无线对讲终端获取当前被困人员的音频数据。
3.第一多种搜救功能模块(203)，主要由人员搜救相关设备、安全监测监控相关设备和飞行避障设备组成，主要用于井下目标的搜救，搜救现场环境参数采集，以及控制信号收发天线将采集和飞行参数信息发送出去，接收被困人员携带的定位终端中的载有目标识别码的发射信息和飞行控制信号，避障设备分布在模块外部的前、后、左、右4个方向上。
4.飞行器主控制板(204)，通过集成各种功能模块、飞行控制模块、导航系统、机上电缆和核心处理器，它可以控制飞行器自动实现定高度、定航向、定姿态飞行，控制机动飞行时飞行姿态较稳定，以保证飞行器的飞行安全。
5.摄像机模块(205)，主要包括主动式或被动式红外成像设备，能够实现360℃旋转，用于井下黑暗环境中的图像采集，并将图像数字化后编码压缩，存储于飞行器所携带的存储器中，或者通过无线通信网络将图像数据传送至救援中心。
6.第二多种搜救功能模块(206)，主要由无线通信模块、电源装置、飞行避障设备、人员搜救相关设备和安全监测监控相关设备构成，无线通信模块主要通过与井下无线通信网络建立通信链路，实现与救援中心的实时连接，电源装置能够给整个飞行器提供工作电源。
7.螺旋桨(207)，通过旋转使空气向下运动产生升力，使飞行器悬浮在空中。
8.动力模块(208)，主要包括电机、电子调速器、电调连接板，通过输出不同脉冲宽度的脉冲信号实现对舵机转动角度、高度、航向、速度的控制，动力模块的外侧壁均具有与定位卡槽的内壁侧互补波纹状凸起，能够使飞行器在飞行中保持与防护笼的相对稳定。
防护笼结构示意图如图3所示，图中螺栓(301)作用于上、下防护笼的螺纹孔，用于快速固定和易于拆卸飞行器的外防护笼；定位卡槽(107)的内壁侧波纹状凸起(302)能够与动力模块的外侧壁波纹状凸起互补。
飞行器上防护笼和下防护笼结构俯视图如图4所示，主要包括：
1.螺纹孔(401)主要通过使用螺栓，用于固定笼型飞行器的上、下防护笼，保障飞行器的防护笼稳固，所述螺纹孔规格完全相同。
2.上骨架(402)上均匀分布有多个螺纹孔，且螺纹孔的个数大于等于3个。
3.下骨架(403)上均匀分布有多个螺纹孔，上骨架与下骨架形状相同，螺纹孔与上骨架中的螺纹孔一一对应。
4.螺纹孔(404)同螺纹孔(401)。
飞行器主控板的结构示意图如图5所示，主要包括：
1.核心处理器(501)，主要负责控制飞行器的整个飞行过程和实现飞行器搜救功能以及处理采集到的搜救现场环境参数。
2.人员位置信息采集模块(502)，包括距离测量模块、RFID射频定位模块和信号收发天线，通过信号收发天线发射搜救信号，接收定位终端发射的人员位置信息信号，并通过距离测量模块和RFID射频定位模块的信息处理获得被困人员的准确位置。
3.RFID射频定位模块(503)，主要实现对井下被困人员所携带的定位终端的识别和对定位终端进行定位。
4.信号收发天线(504)，用于向定位终端发射搜索信号和接收定位终端发送的响应信号，以及用于将采集和飞行参数信息发送出去和接收飞行器控制信号。
5.距离测量模块(505)，通过记录飞行时间，实现测量所述飞行器与最近的定位终端之间的距离。
6.电源(506)，包括电压转换，DC电压转换均采用MAX1724系列电源芯片，为核心处理器和飞行器所有功能模块供电。
7.飞行控制模块(507)，主要由飞行器主控制板构成，用于飞行状态控制、搜救现场数据采集和无线数据传输等。
8.无线通信模块(508)，采用具有USB接口的mesh网络模块，核心芯片采用BM200N模块。
9.存储器(509)，包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片IIC-BUS接口的EEPROM。
10.语音通信模块(510)，用于将无线通信模块接收的音频数据转码后进行搜救播报，同时根据井下人员携带的无线对讲终端获取当前携带人员的音频数据。
本发明在井下搜救中的工作流程图如图7所示
1.(701)在飞行器进入井下巷道搜救时，对飞行器进行工作状态检查，确定所有性能完好后，设置飞行器的飞行模式为自主飞行。
2.(702)在飞行器进入搜救巷道后，飞行器自主启动所携带的安全监测监控模块对灾后巷道环境进行参数采集，并实时将信息通过无线通信模块上传到救援中心。
3.(703)在飞行器进入搜救巷道后，飞行器自主启动所携带的人员位置信息采集模块，主要包括启动距离测量模块、RFID射频定位模块和信号收发天线。
4.(704)在飞行器进行人员搜救的同时，飞行器通过RFID射频定位模块和信号收发天线向外不间断发送搜索信号。
5.(705)搜救飞行器在搜救的过程中不断的采集搜索信号，同时飞行搜救装置进行判断是否接收到搜救响应信号，当井下人员所携带的定位终端在接收到搜索信号后，定位终端将载有目标识别码的信号发射出去，并被飞行器接收到后，则顺序执行(706)，否则执行(712)。
6.(706)当飞行器接收到搜救响应信号，启动语音模块和建立飞行器与被困人员之间的语音通信链路，同时飞行器中的无线通信模块将接收的音频数据转码后进行搜救播报。
7.(707)搜救飞行器在进行语音搜救播报后，飞行器判断是否有来自被困人员所携带的无线对讲终端的响应信号，当获取到当前被困人员的音频数据，则顺序执行(709)，否则执行(708)。
8.(708)当被困人员无音频响应信号后，救援飞行器启动距离测量模块，并用于测量飞行器与当前定位终端之间的距离，获取该遇难人员的准确位置。
9.(709)当获取被困人员的音频响应信号后，语音通信模块通过无线通信网络建立救援中心与被困人员的语音通信链路，并将音频数据上传到救援中心和接收音频数据转码后进行搜救播报。
10.(710)当语音通信结束后，救援飞行器启动距离测量模块，测量飞行器与当前幸存人员所携带的定位终端之间的距离，获取该被困人员的准确位置，同时飞行器将步骤(708)遇难人员或者幸存人员的准确位置信息上传到救援中心。
11.(711)当前的人员位置信息在通过无线网络上传后，需要判断是否信息上传成功，如果上传成功，则顺序执行(712)，否则返回执行(710)。
12.(712)在救援过程过，根据救援工作的需要，救援飞行器需要选择是否继续执行搜救任务，如果救援飞行器将搜救信息上传到救援中心后，救援中心对信息进行处理后发送继续搜索，则返回执行(704)，否则执行(713)。
13.(713)当救援飞行器得到结束搜救命令后，飞行器进入返航状态，并返回到救援中心。