本发明涉及矿井灾变后应急救援领域，主要涉及无线网络技术、多无人机协同控制和信息采集技术等。
背景技术：
在危险场合作业时，采用机器人替代人员作业是当前的一个新的发展方向。世界上许多国家研制出应急通信飞行器、反恐防爆飞行器、飞行器等，煤矿井下探测救援飞行人也有部分的研究。由于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。常用的履带式机器人因其本身结构限制，无法翻越障碍物而无法继续前进的弊端。飞行器具有小型化、高机动性、便携性的特点，在矿井发生事故后，可以将飞行器投送到巷道内，实现井下环境快速侦测，但是井下灾后环境复杂，飞行器在井下前进困难且容易发生“炸机”。因此研究复杂环境下的飞行器自主保护等相关技术十分重要。
随着各类矿井生产的机械化、信息化和智能化程度的提高，当前各类事故发生率均大幅下降。但是井下工作环境复杂，仍然无法保障事故的零发生。当井下发生瓦斯爆炸和火灾等事故后，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。而且事故发生后，井下通信系统损坏较多，巷道内原有的通信系统一般都无法正常使用，作为井下侦查飞行器必须自带无线通信系统进行数据通信。目前井下无线传感器网络已得到较广泛的应用，无线传感器网络通信具有成本低、组网灵活方便等特点，但通信距离受发射功率和空间阻挡等因素影响，直接影响井下飞行器的工作距离。为了及时掌握井下事故现场情况，减少事故人员伤亡，研究井下多飞行器快速环境侦测的无线数据传输技术十分必要。
技术实现要素：
鉴于上述井下救援的复杂情况，提出一种基于mesh网络的井下多飞行器协同救援方法及系统，采用多架飞行器协同救援，可以及时掌握井下事故现场情况，减少事故人员伤亡，解决事故发生后，飞行器自带无线通信系统进行数据通信，而飞行器的工作距离受限，且在进行前进困难的问题。
一种基于mesh网络的矿井灾后多飞行器协同救援方法，其特征在于：用于协同救援的飞行器均携带有组网模块和网络节点模块，所述的协同救援方法步骤如下：
(1)对飞行器进行编号、地址配置和飞行测试，并使每个飞行器所携带的组网模块都有不同的地址；
(2)对进入巷道的飞行器启动行进搜索，采集灾变环境中的巷道信息，并对被困矿工进行目标搜索，确定被困矿工的位置；
(3)对mesh网络的信号强度值进行采集，采集最近的网络节点模块的无线信号强度，并判断所述无线信号强度值是否小于设定阈值，如果小于，则顺序执行步骤(4)，否则返回步骤(2)；
(4)启动飞行器的组网模块，搜索最近的mesh网络节点，并形成到救援指挥中心的最佳路由，同时向mesh网络发送跟进指令，救援指挥中心接收到跟进指令后，分析和响应跟进指令，并向飞行器到救援指挥中心的路径上的所有跟进飞行器发送协同跟进指令；
(5)判断mesh网络节点模块的信号强度值rssi是否大于设定阈值，如果大于，则进入步骤(6)，否则返回步骤(4)；
(6)判断飞行器行进过程中是否遇到多条行进路径，如果没有，则返回步骤(2)；如果遇到，则将现场搜救数据发送至救援指挥中心，救援指挥中心对数据分析和处理后，通过mesh网络向所有飞行器发出协同搜救命令，参与搜救的飞行器通过所携带的组网模块接收到协同搜救命令后，执行协同搜救任务；
(7)在协同救援过程过，根据救援工作的需要，每个飞行器需要选择是否继续执行搜救任务，如果飞行器将搜救数据上传到救援指挥中心，救援指挥中心对数据信息进行处理后，发送是否继续搜索指令，如果接收到继续搜索指令，则返回执行步骤(2)，否则进入返航状态，搜救结束。
进一步地，根据本发明所述的一种基于mesh网络的矿井灾后多飞行器协同救援方法，所述的飞行器对被困矿工进行目标搜索的方法是：
(a)飞行器的目标识别模块通过无线收发器将搜索载波信号经发射天线向外不断发送，矿工携带的定位终端在接收到搜索载波信号后，将定位终端中的载有目标识别码的信息发射出去；
(b)目标识别模块的无线收发器接收到定位终端发来的载波信号后，飞行器携带的网络节点模块启动工作，并将当前搜索数据通过mesh网络发送出去；
(c)救援指挥中心接收到的该搜救数据后，通过对数据的分析和处理，完成对井下矿工的准确定位。
进一步地，根据本发明所述的一种基于mesh网络的矿井灾后多飞行器协同救援方法，所述组网模块的组网方法是：
(a)飞行器在搜索前进的过程中，同时监测最近的跟进飞行器携带的组网模块的信号强度，当信号强度低于设定的信号阈值时，飞行器的组网模块启动工作，搜索最近的网络节点，并形成到救援指挥中心的最佳路由，并通过mesh网络向救援指挥中心发送跟进指令；
(b)救援指挥中心接收到跟进指令后，分析和响应跟进指令，并向飞行器到救援指挥中心路径上的所有跟进飞行器发送协同跟进指令；
(c)各路径上的跟进飞行器的网络节点模块依次接收并响应协同跟进指令，同时监测最近的跟进飞行器携带的组网模块的信号强度，当信号强度高于设定的信号阈值时，跟进飞行器结束指令和所携带的组网模块进入休眠模式。
(d)重复以上(a)、(b)、(c)的工作过程，在不断搜救前进与监测过程中，使得应急救援的网络覆盖范围随飞行器搜索范围扩大而扩大。
进一步地，根据本发明所述的一种基于mesh网络的矿井灾后多飞行器协同救援方法，所述的目标识别模块包括矿用读卡器和无线收发器，定位终端包括电子标签或人员标识卡，所述目标识别模块通过无线收发器与定位终端通信连接。
本发明还提供了一种基于mesh网络的矿井灾后多飞行器协同救援系统，所述救援系统包括位于救援指挥中心的飞行器控制终端设备、位于井下的多架用于协同救援的飞行器，以及被困矿工随身携带的定位终端，每架飞行器上均安装有数据采集模块、mesh网络组网模块以及目标识别模块；
所述飞行器控制终端设备通过mesh网络与各飞行器通信连接，用于接收各飞行器上传的搜救数据；
所述目标识别模块通过mesh网络连接飞行器控制终端设备，且所述目标模块与定位终端通信连接，所述目标识别模块用于采集井下矿工位置信息，并通过mesh网络传输至救援指挥中心，确定被困矿工的位置；
所述数据采集模块通过mesh网络连接飞行器控制终端设备，所述数据采集模块用于采集井下灾变现场环境参数，并通过mesh网络传输至救援指挥中心；
在搜救的过程中，各飞行器之间通过组网模块进行实时组网，保证各个飞行器之间，以及飞行器与救援指挥中心之间的通信联络，使井下搜救范围随着多飞行器的不断推进而逐步扩大；通过mesh网络的覆盖实现多飞行器之间的协同目标搜索，实现井下搜救环境信息实时共享。
进一步地，根据本发明所述的一种基于mesh网络的矿井灾后多飞行器协同救援系统，所述数据采集模块包括环境参数采集设备，所述的环境参数采集设备包括：红外摄像机、o2传感器、co传感器、瓦斯传感器、co2传感器。
进一步地，根据本发明所述的一种基于mesh网络的矿井灾后多飞行器协同救援系统，所述组网模块包括网络节点模块和集中器模块，参与救援的飞行器数目至少有2架，且至少有一架飞行器携带集中器模块，且至少有一个集中器模块与救援指挥中心直接相连。
进一步地，根据本发明所述的一种基于mesh网络的矿井灾后多飞行器协同救援系统，飞行器采用多旋翼飞行移动方式，且飞行器均为本质安全型设备，同时具有自主避障飞行和救援指挥中心遥控飞行功能。
所述系统主要有以下优点：
本发明采用的mesh网络具有低功耗、低成本、网络容量大、多级路由、节点任意移动、自适应速率、健壮和自愈性好等特点。在井下应急救援中能够进入搜救现场后实现快速组网，同时根据mesh网络的优点，能够将搜救的被困矿工的位置信息和现场环境参数上传到救援指挥中心，以及实现飞行器之间，以及飞行器与救援指挥中心的搜救数据实时共享，进而实现多机协同搜救和快速救援的目的。
附图说明
图1为本发明的系统实施方式示意图。
图2为本发明的旋翼飞行器的结构示意图。
图3为本发明的飞行器的主控板结构示意图。
图4为本发明的系统工作主流程图。
图5为本发明的协同救援子系统工作流程图。
图6为本发明的目标搜索子系统工作流程图。
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，下面将结合说明书附图对本发明的一种基于mesh网络的矿井灾后多飞行器协同救援系统做进一步详细的描述。
救援方法实施例：
如图4所示，本发明的基于mesh网络的矿井灾后多飞行器协同救援方法，具体救援过程如下：
1.(401)在飞行器进入井下巷道执行搜救任务之前，对飞行器进行编号、地址配置和飞行测试，并使每个飞行器所携带的组网模块都有不同的地址。
2.(402)对进入巷道的飞行器启动行进搜索，采集灾变环境中的巷道信息，并对被困矿工进行目标搜索，确定被困矿工的位置。
3.(403)对mesh网络的信号强度值进行采集，采集最近的mesh网络节点模块的无线信号强度。
4.(404)判断mesh网络节点模块的信号强度值rssi是否小于设定阈值，如果满足则顺序执行(405)，否则执行(402)。
5.(405)当信号强度小于设定阈值时，飞行器的组网模块启动工作，搜索最近的网络节点，并形成到救援指挥中心的最佳路由，同时向mesh网络发送跟进指令，救援指挥中心接收到跟进指令后，分析和响应跟进指令，并向飞行器到救援指挥中心的路径上的所有跟进飞行器发送协同跟进指令。跟进飞行器是指跟在第一个飞行器后面，待协同救援的飞行器。
6.(406)判断mesh网络节点模块的信号强度值rssi是否大于设定阈值，如果满足则顺序执行(407)，不满足则返回执行(405)。
7.(407)飞行器在井下进行行进搜救的过程中，需要判断井下是否遇到多条路径，如果有多条路径时，则顺序执行(408)，否则执行(402)。
8.(408)飞行器在遇到多条搜索巷道后，将现场搜救数据发送至救援指挥中心，救援指挥中心对数据分析和处理后，通过mesh网络向所有飞行器发出协同搜救命令，参与搜救的飞行器通过所携带的组网模块接收到mesh网络发来的协同搜救命令，并执行协同搜救任务。
9.(409)在协同救援过程过，根据救援工作的需要，每个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数据上传到救援指挥中心后，救援指挥中心对数据信息进行处理后，发送是否继续搜索指令，如果接收到继续搜索指令则返回执行(402)，否则顺序执行(410)。
10.(410)协同救援系统中接收到返航指令的飞行器进入返航状态。
如图5所示，本发明多飞行器协同救援的过程如下：
1.(501)在遇到多条搜索巷道后，飞行器将现场搜救数据发送至救援指挥中心，救援指挥中心对数据分析和处理后，通过mesh网络向所有飞行器发出启动协同搜救命令。
2.(502)救援指挥中心对当前巷道数据进行处理，确定当前位置的巷道数目，以及将巷道按一定规律进行编号和设置飞行器进入巷道规则(如从左到右依次进入巷道)，并通过mesh网络向参与搜救的飞行器发送巷道路径搜索指令。
3.(503)参与搜救的飞行器在接收到巷道路径搜索指令并响应指令后，依次进入多条搜救巷道中，采用同主程序中的搜救工作流程。
4.(504)飞行器搜救过程中对mesh网络的信号强度值进行采集，采集最近的mesh网络节点模块的无线信号强度。
5.(505)判断mesh网络中的附近节点模块的信号强度值rssi是否小于设定阈值，如果满足则顺序执行(506)，否则返回执行(504)。
6.(506)当某一巷道中的飞行器向救援指挥中心发送飞行器跟进请求指令后，救援指挥中心根据指令地址，判断出该飞行器所在的相应巷道编号，并设置执行跟进任务的飞行器的跟进路径。
7.(507)救援指挥中心向飞行器到救援指挥中心的路径上的所有跟进飞行器发送跟进路径指令，飞行器在接收到救援指挥中心发送的跟进指令后，响应跟进指令。
8.(508)飞行器跟进中，判断mesh网络节点模块的信号强度值rssi是否大于设定阈值，如果满足则顺序执行(509)，不满足则返回执行(507)。
9.(509)跟进路径中的救援飞行器在判断附近mesh网络信号强度值rssi大于设定阈值后，结束跟进状态。
如图6所示，本发明对被困矿工进行目标搜索，确定矿工位置的过程如下：
1.(601)在飞行器进行协同搜救的同时，飞行器通过目标识别模块，通过无线收发器将搜索载波信号经发射天线向外不断发送。
2.(602)矿工携带的定位终端在接收到搜索载波信号后，定位终端将载有目标识别码的信号发射出去，飞行器在搜救的过程中不断的采集搜索信号。
3.(603)飞行器的目标识别模块通过采集搜索信号，当判断有矿工携带的定位终端信号时，则顺序执行(504)，否则执行(501)。
4.(604)协同救援飞行器在接收到由矿工携带的定位终端发出的信号后，飞行器所携带的节点模块通过mesh网络，将被困矿工的目标信息发送到救援指挥中心。
5.(605)被困矿工的目标信息在通过mesh网络的上传过程中，需要判断是否信息上传成功，如果上传成功，则顺序执行结束命令，否则返回执行(504)。
救援系统实施例：
如图1所示，本发明的救援系统包括：
1.飞行器控制终端设备(101)，位于救援指挥中心，负责控制井下飞行器，并通过mesh网络的网关(集中器)与mesh网络相连，接收井下飞行器上传的各类数据，包括红外摄像机采集的视频图像数据，数据采集模块监测到的井下灾变现场环境参数，目标识别模块接收到的井下矿工的被困位置数据；同时能够通过mesh网络向井下飞行器发送飞行控制指令和协同搜救指令。
2.安装有集中器模块的飞行器(102)，用于组成mesh网络的boot类型组网设备，本系统至少有一个集中器模块与救援指挥中心直接相连，且允许有多架携带集中器模块的飞行器与mesh网络之间同时建立网络连接，负责收发网络节点模块的数据，并连接救援指挥中心。。
3.安装有网络节点模块的飞行器(103)，用于组成mesh网络的node类型组网设备，负责将本飞行器所采集到的井下搜救现场的环境参数和搜索目标的位置信息上传到救援指挥中心和实现飞行器之间的搜救数据实时共享。
其中，安装有集中器模块的飞行器(102)和安装有网络节点模块的飞行器(103)均安装有数据采集模块以及目标识别模块，目标识别模块用于采集井下矿工位置信息，并将搜救数据通过mesh网络传输至救援指挥中心，确定携带定位终端的矿工被困位置。数据采集模块包括各类与井下现场环境搜救相关的环境参数采集设备。
飞行器携带的环境参数采集设备包括：红外摄像机、o2传感器、co传感器、瓦斯传感器、co2传感器。
本实施例的飞行器采用多旋翼飞行器，在本示例中采用四轴旋翼飞行器，飞行器结构如图2所示，包括
1.天线(201)，用于无线信号的发送和接收。
2.目标识别模块(202)，由矿用读卡器和无线收发器构成，主要用于井下目标的搜救，通过无线收发器将搜索载波信号经发射天线向外不断发送，同时接收矿工携带的定位终端中的载有目标识别码的发射信息。
3.红外摄像机(203)，用于井下黑暗环境的视频信号采集，并将视频信号数字化后编码压缩，通过mesh网络将视频图像数据传送至飞行器控制终端设备。
4.飞行器主控制器(204)，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。
5.网络节点模块或集中器模块(205)，用于组成mesh网络的boot和node两种类型的组网设备。
6.气体监测传感器(206)，用于井下灾变现场中的多种环境参数采集，并将参数数字化后，通过mesh网络采集到的数据传送至飞行器控制终端设备。
本实施例中，飞行器的主控制器如图3所示，主要包括：
1.核心处理器(301)，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从mesh网络中接收到的数据。
2.搜救信息采集器(302)，采用模块化设计，所有环境参数采集设备均为模块，具有通信接口，能够通过信号线与数据采集模块连接，获得电源供电，并将所采集的数据传输到核心处理器中。
3.电源(303)，dc电压转换均采用max1724系列电源芯片。
4.飞行控制模块(304)，包括控制飞行器的姿态传感器、电机驱动单元等，主要实现对飞行器的上升、下降、前进和悬停等姿态控制，以及实现对旋翼不同转速的控制。
5.组网模块(305)，包括网络节点模块或集中器模块，实现mesh网络的实时组网。
6.存储器(306)，包括256mnandflash、一片4mnorflash、128msdram、一片iic-bus接口的eeprom。
7.主控板(307)，飞行器控制的核心部件，板上元件包括核心处理器、存储器、电源、飞行控制模块、组网模块和搜救信息采集器等；主控板还通过各类接口连接板外的各模块或功能设备。
本发明应用于矿井发生瓦斯爆炸和火灾等事故后，尤其是针对救护队员难以到达相关区域进行抵近侦察、搜寻和救援，且井下通信系统损坏较多的事故现场的应急救援中。本发明能快速协同搜救和定位被困矿工，在飞行器行进过程中，由所携带的组网模块，使飞行器之间通过mesh网络进行实时组网，保证飞行器与控制设备的通信正常，使飞行器的搜行范围随着不断推进而扩大，并通过mesh网络的覆盖实现救援飞行器的目标搜索，最终确定携带有定位终端的矿工位置，同时将数据通过mesh网络传输至救援指挥中心，从而实现矿井发生事故后的快速救援目的。