一种面向未知封闭空间的自主探测基站群的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自主探测基站群，特别是涉及一种面向封闭空间的自主探测基站 群及其探测方法。
【背景技术】
[0002] 目前，对于危险工况环境下的工业领域来说，发展方向更趋于无人化、智能化。这 就要求工业机器人需要有较高的自主性。而趋于封闭空间的工况使得机器人的自主精确定 位变得更加困难，如矿井、深海、火灾现场、石油勘探、核电站等，这是因为空间的封闭使得 空间内外的信息无法得到实时交互，从而机器人无法在封闭空间中建立机身坐标系与外界 大地坐标系的关系。
[0003] 在封闭空间中传统的目标定位方法大体可分为两种：一种是利用由里程计以及陀 螺仪等惯性测量单元组成的惯性导航系统，但该系统具有很大局限性。这是因为该系统随 着时间的增加，误差会迅速增大，并且当机器人受到碰撞或者产生滑移时，累积的误差无法 消除，从而导致系统的失效。另一种是在封闭环境中布置位置已知的坐标点，通过利用图 像、无线电、红外线等方法建立机身坐标系相对于已知坐标点的关系，再解算到大地坐标系 中。但这种方法无法做到真正的自主化，由于需要人工事先布置已知定位点，所以仍然无法 将工作人员从危险封闭的环境中彻底解放出来。
[0004] 鉴于传统技术的种种缺陷，为了实现在封闭环境中的环境自主探测及机器人自主 定位，将工作人员彻底从危险、未知、封闭的工作环境中解救出来。经过不断的研宄及设 计，并经反复试验及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
【发明内容】
[0005] 技术问题：本发明的主要目的在于，针对未知、危险、封闭的空间环境下的传统机 器人定位及探测技术的种种缺陷。提出一种面向封闭空间的自主探测基站群。主要包括4 部具有探测、移动、通信等功能的自主探测基站。4部基站互相测距、通信并且定位。通过基 站依次避障前移，从而实现基站群坐标系的精确变换。与此同时，通过探测模块可以实时感 知周围环境并储存在工业硬盘中。当空间探测完成后将环境信息带回起始点。本发明旨在 实现封闭空间的无人化探测以及封闭空间中的目标机器人的跟踪与导航。
[0006] 技术方案：本发明的目的是这样实现的：该系统包括四个可自主移动的探测基 站，每个探测基站由1个基架、7个支撑柱、1个支撑板、1套移动装置、5个红外热成像仪、 1个单片机、2套防撞击保护装置（包括前部保护装置及顶部保护装置）、9个碰撞检测器、 1个陀螺寻北仪、1个气体探测器、1套超宽带无线电模块、1个CCD图像传感器、2个探照光 源、1个工业硬盘、2个本安电池组成。
[0007] 所述的基架由6根角钢焊接而成。7根支撑柱由螺栓固定在基架上，其中，4根用 来连接支撑板，2根用来连接前部防撞击保护装置，1根用来连接红外热成像仪。
[0008] 所述的移动装置由2个电机固定板、2个电机支架、2个步进电机、2个联轴器、2 个橡胶轮胎、1个万向轮支撑架以及1万向轮构成。其中，电机固定板通过螺栓螺母机构安 装在基架上，电机支架固定在电机固定板上，步进电机焊接在电机固定板上。橡胶轮胎通过 联轴器与步进电机相连接。
[0009] 所述的5个红外热成像仪固定在机身前方的支撑柱上，并且成一定角度分布，可 扩大探测区域。前部的防撞击保护装置通过减震弹簧与2个支撑柱连接。9个碰撞检测器 安装在防撞击保护装置前方，可检测来自机身前方各角度的碰撞。
[0010] 所述的支撑板通过4跟支撑柱固定在基架上。C⑶图像传感器、单片机、超宽带模 块安装在支撑板的上侧，工业硬盘及超宽带天线安装在支撑板的下侧。所述的2个探照光 源安装在CCD图像传感器的两侧，为图像的采集提供光源。
[0011] 所述的顶部防撞击保护装置包括3个减震液压油缸及1个橡胶材质的保护盔。其 中，减震液压油缸安装在支撑板上方，油缸的一端连接支撑板，另一端连接橡胶保护盔。从 而保护机身免受来自顶部的撞击。
[0012] 所述的面向封闭空间的自主探测基站群，其特征是：自主探测基站包括5部分探 测模块，包括CCD图像传感器、红外热成像仪、碰撞传感器、陀螺寻北仪及气体传感器。各模 块通过电路与单片机相连接并且进行双向通信。单片机分别控制左右步进电机，步进电机 与橡胶轮胎通过机构相连。超宽带无线电模块与单片机通过电路相连接，并可进行双向通 信。超宽带无线电模块内又包括：1个微处理器、1个铷原子钟、1个通信电路、1个脉冲电 路，超宽带天线与超宽带无线电模块通过机构相连。单片机与工业硬盘通过电路相连接，并 且可以将处理过后的坐标信息、图像信息、碰撞信息、气体信息、红外热成像信息传输进入 工业硬盘。本安电池可以为单片机、步进电机、探照光源、工业硬盘及超宽带无线电模块提 供电力支持。
[0013] 所述的面向封闭空间的自主探测基站群的自主探测方法是：
[0014] (1)将4部自主探测基站放置在封闭空间入口处，并设定空间坐标系基准，与此同 时，确定各基站初始位置坐标。
[0015] (2)启动空间自主探测程序。
[0016] (3)打开探测基站群所有探测模块，启动第一部基站移动装置，当碰撞检测器接收 到前方的碰撞信号时，反馈给单片机，单片机通过控制左右步进电机进行避障移动。
[0017] (4)当第一部自主探测基站移动完成后，启动超宽带无线电通信模块，通过发射超 宽带无线电脉冲信号对其他三部静止的基站进行测距，将测得的距离信息通过微处理器解 算成坐标位置信息。与此同时，将探测模块获得的环境信息与位置坐标信息一同传输至工 业硬盘中储存。
[0018] (5)同理，其余三部自主探测基站按照探测程序依次向前移动并探测。每次只允许 一部基站移动，其它基站保持静止，从而实现坐标系的连续平移。
[0019] (6)当空间探测完成后，自主探测基站群按照已获得的坐标位置信息返回到空间 入口处。
[0020] 所述的面向封闭空间的自主探测基站群可用于封闭空间的环境探测，此外还可用 于封闭空间内的目标跟踪与导航。并且，移动机构不限于轮式行走机构，还可应用至深空空 间、深海空间、深地空间自主探测。
[0021] 本发明面向未知封闭环境的自主探测基站群与现有技术对比，具有明显的有点与 有益效果。借由上述技术方案，本发明提供的自主探测基站群可达到相当的技术进步性及 实用性性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
[0022] (1)本发明利用4部具有探测、移动、通信功能的自主探测基站建立局域空间内的 机身坐标系。解决了封闭空间下目标自主定位的难题。将工作人员从未知、危险、封闭的工 作环境中彻底解放出来。
[0023] (2)本发明的自主探测基站群的通信模块采用超宽带无线电技术，利用高精度的 铷原子钟以及3. 6-10. 2Ghz的超宽带无线电，采用信号双向飞行时间测距发，大大提高了 系统定位精度，在检测范围内，系统定位误差可控制在lcm。
[0024] (3)本发明的自主探测基站群通过步进电机控制橡胶轮胎，使得自主基站群可以 自主移动并自主探测，同时通过基站间的尚精度定位，从而完成基站群坐标系的如移。并 且，当基站群发生碰撞或者滑移时，通过基站间的相互定位，可以消除由碰撞或滑移产生的 误差，大大提高了系统定位精度。
[0025] (4)本发明的自主探测基站群探测模块中，C⑶图像传感器可实时获取周围环境 的图像信息，当光线条件差时，可开启探照光源。红外热成像仪可实时获取周围环境的红 外热像图。气体传感器可探测环境中的空气成分。陀螺寻北仪可矫正基站群的行进路线。 碰撞传感器可感知前方的障碍物，并通过步进电机控制橡胶轮胎进行避障移动。
[0026] (5)本发明的自