矿山灾害预警、侦查和救援机器人集群系统
技术领域
本实用新型属于矿山开采设备技术领域，具体涉及一种矿山灾害预警、侦查和救援机器人集群系统。
背景技术
我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤矿开采中瓦斯爆炸、涌水、火灾等事故频繁发生，严重危害工作人员生命安全、制约煤炭作业发展。在矿山作业时，如果能对矿山前方灾害进行超前探测将极大地减弱甚至避免灾害造成的人员伤亡和财产损失。矿山灾害发生后，目前的主要救援手段还是依赖人工救助，由于灾后环境复杂恶劣、空间狭窄、充满有毒和易燃易爆气体等，并且随时可能发生二次灾害，严重威胁救援人员生命安全，对抢夺矿井黄金救援时间提出巨大挑战。因此，研制适用于复杂恶劣环境的矿井探测机器人实现事故灾害后的快速侦察和探测以提高救援效率、抢夺救援时机并降低人员伤亡迫在眉睫。
对此，国家也出台多项战略支撑文件对矿山安全作业进行了部署，例如2019年煤监局发布《矿藏机器人重点研发名录》，包含重点研制掘进、采煤、安控和救援等5类38种矿藏机器人，聚焦关键岗位和危险岗位，机械化换人/自动化换人；国家生产安全监督局也提出煤炭智能化开采；国家科技部：“十三五”重点研发计划提出重点攻关智能开采技术与侦查装备；中国制造2025对机器人重点领域、突破机器人关键技术进行了重点部署；十三五规划也同步提出推进机器人创新和产业化。
当前现有的技术方案主要针对某一功能性的矿山安全作业，包括：采用井下探测装置进行常规的灾害监控、井下环境的监测等，由于技术原因，目前还尚未见到采用立体式的灾害预测、井下侦查以及救援的系统或装置。而采用部分系统化功能的矿山灾害超前预警系统，多采用固定式探头传感器的方法。
例如，(1)在矿山灾害预警技术领域，申请号为201010136462.8的专利公开了一种远程控制矿井掘进工作面超前探测预报的系统及方法，申请号为201310045425.X的专利公开了掘进灾害超前探测系统及方法。(2)在井下侦查救援技术领域，申请号为201010146118.7的专利公开了矿用子母机器人救灾探测系统，申请号为201010237464.6的专利公开了矿井自主智能探测多机器人系统。(3)在矿山侦查探测系统技术领域，申请号为201610207904.0的专利公开了矿山隐蔽灾害实时主动探测与被动监测一体化系统及方法，申请号为201711436962.1的专利公开了一种移动式电磁辐射定位探测及预警矿山动力灾害的方法等。
矿山灾害预警、井下侦查以及灾害救援的装置或技术手段单一，无法实现联合部署作业，极大地阻碍着我国矿山开采的自动化和智能化水平，同时也威胁着我国采矿业的安全生产。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种矿山灾害预警、侦查和救援机器人集群系统。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：矿山灾害预警、侦查和救援机器人集群系统，包括井下超前探测机器人、井下侦查机器人、地表侦查探测机器人、空中探测机器人、井下救援机器人、地面控制站、远程指挥站，井下超前探测机器人、井下侦查机器人、地表侦查探测机器人、空中探测机器人、井下救援机器人均与地面控制站无线通讯连接，地面控制站与远程指挥站无线通讯连接。
具体地，所述井下超前探测机器人包括第一移动平台、第一通讯组件、探测机械臂组件、多点旋转式探测组件、矩阵式超前探测模组，井下超前探测机器人通过第一通讯组件与地面控制站无线通讯，第一移动平台为履带式移动平台，内部设置有驱动控制组件，第一移动平台上部设置有第一通讯组件，且驱动控制组件连接第一通讯组件、探测机械臂组件，探测机械臂组件的下端面设置在第一移动平台的上端前侧，探测机械臂组件的上端安装固定有多点旋转式探测组件，多点旋转式探测组件上设置有矩阵式超前探测模组。
具体地，所述多点旋转式探测组件为多自由度的云台，能带动矩阵式超前探测模组实现空间方位和角度变换，多点旋转式探测组件包括探测本体、旋转驱动电机、防护壳体，探测本体为圆柱体结构，探测本体前端设置矩阵式超前探测模组，探测本体的后端与旋转驱动电机的输出轴连接，旋转驱动电机设置在防护壳体的内部，旋转驱动电机输出轴的轴心与防护壳体的轴心平行，防护壳体设置在探测机械臂组件上端。
具体地，所述矩阵式超前探测模组包括数据采集处理和解析模块、超前探测模块，超前探测模块设有多组，每组超前探测模块包括发射模组和接收模组，发射模组的内部包含发射调理电路，发射调理电路与数据采集处理和解析模块连接，用以发射模组的信号调制发射，接收模组的内部包含接收调理电路，接收调理电路与数据采集处理和解析模块连接，用以信号的解调接收、分析和处理。
进一步地，所述多组超前探测模块中的一部分设置于多点旋转式探测组件中探测本体的最前端端面上，另一部分设置于多点旋转式探测组件中探测本体的外侧圆周上，多组超前探测模块发出的波频率不同。
具体地，所述井下侦查机器人包括第二移动平台、侦查传感器组、第二通讯组件，地表侦查探测机器人包括第三移动平台、地表探测传感组件、第三通讯组件，空中探测机器人包括第一空中平台、第四通讯组件、空探传感组件，井下救援机器人包括第四移动平台、第五通讯组件、救援机械臂模块，第二移动平台、第三移动平台、第四移动平台均为履带式、轮式或轮履复合式移动平台，第一空中平台为多轴飞行器；侦查传感器组、第二通讯组件设置于第二移动平台上，地表探测传感组件、第三通讯组件设置于第三移动平台上，第四通讯组件、空探传感组件设置于第一空中平台上，第五通讯组件、救援机械臂模块设置于第四移动平台上，井下侦查机器人、地表侦查探测机器人、空中探测机器人、井下救援机器人分别通过第二通讯组件、第三通讯组件、第四通讯组件和第五通讯组件与地面控制站无线连接。
具体地，所述地面控制站包括第六通讯组件、显示和控制组件、数据分析和决策模块，第六通讯组件连接数据分析和决策模块模块，显示和控制组件与数据分析和决策模块连接，第六通讯组件与井下超前探测机器人中的第一通讯组件、井下侦查机器人中的第二通讯组件、地表侦查探测机器人中的第三通讯组件、空中探测机器人中的第四通讯组件和井下救援机器人中的第五通讯组件无线通讯连接。
具体地，所述远程指挥站包括第七通讯组件、显示组件和控制器，第七通讯组件与地面控制站中的第六通讯组件通讯连接，第七通讯组件、显示组件均与控制器连接，第七通讯组件通过网络中继通讯系统与地面控制站中的第六通讯组件通讯。
本实用新型具有以下有益效果：本实用新型通过采用多点旋转式探测组件实现对矿山掘进面前端以及周围灾情参数的实时探测，配合发射不同频率波形的矩阵式超前探测模组，实现对定点探测区域的多频探测，探测精度更高，鲁棒性更强。采用集群式的井下超前探测机器人、井下侦查机器人、地表侦查探测机器人、空中探测机器人、井下救援机器人，配合地面控制站和远程指挥站，实现了对矿山的全方位立体系统超前探测、侦查和救援，矿山安全作业性更高、自动化程度更高，有利于降低甚至避免矿山灾害，减少人员伤亡和经济损失。
附图说明
图1是本实用新型机器人集群系统整体立体结构示意图。
图2是本实用新型井下超前探测机器人主视图。
图3是本实用新型井下侦查机器人的立体图。
图4是本实用新型地表侦查探测机器人的立体图。
图5是本实用新型空中探测机器人的立体图。
图6是本实用新型井下救援机器人。
图7是本实用新型地面控制站的立体图。
图8是本实用新型远程指挥站的立体图。
图9是本实用新型多点旋转式探测组件和矩阵式超前探测模组的结构示意图。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例，对本实用新型的技术方案做进一步描述，但是本实用新型的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本实用新型构思的改变或等同替代均包括在本实用新型的保护范围之内。
矿山灾害预警、侦查和救援机器人集群系统，包括井下超前探测机器人1、井下侦查机器人2、地表侦查探测机器人3、空中探测机器人4、井下救援机器人5、地面控制站6、远程指挥站7，如图1所示。井下超前探测机器人1、井下侦查机器人2、地表侦查探测机器人3、空中探测机器人4、井下救援机器人5均与地面控制站6无线通讯连接，地面控制站6与远程指挥站7无线通讯连接。
如图2所述，井下超前探测机器人1包括第一移动平台11、第一通讯组件12、探测机械臂组件13、多点旋转式探测组件14、矩阵式超前探测模组15。第一移动平台11为履带式移动平台，可以实现在复杂地面的移动功能，内部设置有驱动控制组件，且驱动控制组件连接第一通讯组件12、探测机械臂组件13，第一移动平台11上部设置有第一通讯组件12，探测机械臂组件13的下端面设置在第一移动平台11的上端前侧，探测机械臂组件13的上端安装固定有多点旋转式探测组件14，多点旋转式探测组件14上设置有矩阵式超前探测模组15。第一通讯组件12可发射和接收无线电磁信号，井下超前探测机器人1通过第一通讯组件12与地面控制站6无线通讯。
多点旋转式探测组件14为多自由度的云台，能带动矩阵式超前探测模组15实现空间方位和角度变换，从而实现对不同角度或方向的环境参数进行探测。如图9所示，多点旋转式探测组件14包括探测本体141、旋转驱动电机142、防护壳体143，探测本体141为圆柱体结构，探测本体141前端设置矩阵式超前探测模组15，探测本体141的后端与旋转驱动电机142的输出轴连接，旋转驱动电机142设置在防护壳体143的内部中间位置处，旋转驱动电机142输出轴的轴心与防护壳体143的轴心平行，当旋转驱动电机142工作时，可带动本体上的矩阵式超前探测模组15旋转作业，实现采用不同频率的超前探测模块152对矿山环境中同一位置处的参数进行探测测量。防护壳体143设置在探测机械臂组件13上端。防护壳体143内部采用隔爆隔热处理，保证多点旋转式探测组件14具备在矿山高危灾害下使用。
进一步的，对于多点旋转式探测组件14的防护等级，典型的为防水IP67，防爆等级Exd(ib)IMb。
如图9所示，矩阵式超前探测模组15包括数据采集处理和解析模块151、超前探测模块152，超前探测模块152设有多组，分别记为：第一超前探测模块152-1、第二超前探测模块152-2、……、第n超前探测模块152-n，超前探测模块152可根据现场实际需要进行设置，n≥1。
每组超前探测模块152包括发射模组和接收模组，对于任意第x个超前探测模块152-x，均包含：发射模组152-x-a和接收模组152-x-b。其中发射模组152-x-a用于发射特定波长的探测信号，发射模组152-x-a的内部包含发射调理电路，发射调理电路与数据采集处理和解析模块151连接，用以实现发射模组的信号调制发射功能。接收模组152-x-b用于接收特定波长的探测发射信号，接收模组152-x-b的内部包含接收调理电路，接收调理电路与数据采集处理和解析模块151连接，用以实现信号的解调接收、分析和处理功能。
进一步的，对于n个超前探测模块152中，部分探测模组设置于在多点旋转式探测组件14中探测本体141的最前端端面上，部分探测模组设置于多点旋转式探测组件14中探测本体141的前端外侧圆周上。
进一步的，对于任意n个超前探测模块151-1～152-n，不同的超前探测模块发出的波频率不同，通过发射不同波形的探测信号，经周围环境反射后，接受到的波形变化也不同，可实现对环境的高精准探测，具体方法为：
当机器人进行对掘进面前端或周围的环境灾害参数进行侦查时，假设第x个超前探测模块152-x中的发射模组152-x-a发射频率为f1的波形对A区域进行探测，此时波形经过探测A区域后反射回来第一组待分析处理信号F1，该信号被第x个超前探测模块中的接收模块152-x-b接收，并传输至数据采集处理和解析模块151解析处理；
同时，驱动控制组件继续控制多点旋转式探测组件4中的旋转驱动电机142旋转，带动矩阵式超前探测模组15旋转，此时第y个超前探测模块152-y中的发射模组152-y-a发射频率为f2的波形对A区域进行探测，此时波形经过探测A区域后反射回来第二组待分析处理信号F2，该信号被第y个超前探测模块中的接收模块152-y-b接收，并传输至数据采集处理和解析模块151解析处理；依次进行循环，对多组发射回来的信号进行依次对比分析，将有利于获取对A区域的精准参数分析。
如图3所示，井下侦查机器人2包括第二移动平台21、侦查传感器组22、第二通讯组件23，第二移动平台21根据实际情况可以为履带式、轮式或轮履复合式移动平台结构，侦查传感器组22、第二通讯组件23设置于第二移动平台21上，侦查传感器组22用于对井下作业设备进行监控、对环境参数进行参数采集探测，进一步的，为了使井下侦查机器人2能够对井下环境参数和作业设备状态进行侦查探测，其中侦查传感器组22可为各类气体传感器和视觉采集装置等。井下侦查机器人2通过第二通讯组件23与地面控制站6无线连接。
地表侦查探测机器人3包括第三移动平台31、地表探测传感组件32、第三通讯组件33，如图4所示。第三移动平台31根据实际情况可以为履带式、轮式或轮履复合式移动平台结构，地表探测传感组件32、第三通讯组件33设置于第三移动平台31上，地表探测传感组件32对地面矿山参数进行探测和监控，地表侦查探测机器人3通过第三通讯组件33与地面控制站6无线连接。
空中探测机器人4包括第一空中平台41、第四通讯组件42、空探传感组件43，如图5所示。第四通讯组件42、空探传感组件43设置于第一空中平台41上，空探传感组件43从空中利用电磁和光学等传感器对矿山进行探测和监控，空中探测机器人4通过第四通讯组件42与地面控制站6无线连接。
井下救援机器人5包括第四移动平台51、第五通讯组件52、救援机械臂模块53，如图6所示。第五通讯组件52、救援机械臂模块53设置于第四移动平台51上，救援机械臂模块53可实现对前方障碍物等的清除，实现快速救援，井下救援机器人5通过第五通讯组件52与地面控制站6无线连接。
如图7所示，地面控制站6包括第六通讯组件61、显示和控制组件62、数据分析和决策模块63，第六通讯组件61设置在地面控制站6的最上端，第六通讯组件61连接数据分析和决策模块63模块，显示和控制组件62用以实现将接收的信息显示并通过外部干预指令施加至该组件上，显示和控制组件62与数据分析和决策模块63连接。第六通讯组件61与井下超前探测机器人1中的第一通讯组件12、井下侦查机器人2中的第二通讯组件23、地表侦查探测机器人3中的第三通讯组件33、空中探测机器人4中的第四通讯组件42和井下救援机器人5中的第五通讯组件52无线通讯连接。
如图8所示，远程指挥站7包括第七通讯组件71、显示组件72和控制器，第七通讯组件71设置在远程指挥站7的顶端，第七通讯组件71与地面控制站6中的第六通讯组件61通讯连接，第七通讯组件71、显示组件72均与控制器连接，显示组件72用以显示从地面控制站6发射传输过来的信息。
进一步的，为保证第六通讯组件61与第七通讯组件71实现通讯，还应至少包含网络中继通讯系统，第七通讯组件71通过网络中继通讯系统与地面控制站6中的第六通讯组件61通讯。网络中继通讯系统可以是4G、5G基站、铱星通讯卫星或其它可远程通讯的设备或装置等。
上述矿山灾害预警、侦查和救援机器人集群系统的作业方法如下：
(1)当矿山常规作业时：
1)井下超前探测机器人1对矿井掘进面前端的灾害参数进行采集、分析：第一移动平台11带动探测机械臂组件13、多点旋转式探测组件14，通过矩阵式超前探测模组15对前端和周围灾害参数进行探测采集。第x个超前探测模块152-x中的发射模组152-x-a发射频率为f1的波形对A区域进行探测，此时波形经过探测A区域后反射回来第一组待分析处理信号F1，该信号被第x个超前探测模块中的接收模块152-x-b接收，并传输至数据采集处理和解析模块151解析处理；同时，驱动控制组件继续控制多点旋转式探测组件14中的旋转驱动电机142旋转，带动矩阵式超前探测模组15旋转，此时第y个超前探测模块152-y中的发射模组152-y-a发射频率为f2的波形对A区域进行探测，此时波形经过探测A区域后反射回来第二组待分析处理信号F2，该信号被第y个超前探测模块中的接收模块152-y-b接收，并传输至数据采集处理和解析模块151解析处理；依次进行循环，对多组发射回来的信号进行依次对比分析，将有利于获取对A区域的精准参数分析。当采集完某个方向或角度等定点区域的参数后，此时探测机械臂组件13进行角度方位变换，实现其它区域的采集，当该片区域采集完毕后，第一移动平台11带动探测机械臂组件13及矩阵式超前探测模组15等进行位置移动，依次进行另外区域的参数采集探测。当采集完毕后，将探测的参数等信息通过第一通讯组件12发送至地面控制站6中的第六通讯组件61上，并通过数据分析和决策模块63处理后显示至显示和控制组件62上。
2)在此过程中，井下侦查机器人2通过侦查传感器组22进行对井下环境参数探测侦查，对井下环境参数和作业设备状态进行侦查探测，并将采集的参数通过第二通讯组件23发送至地面控制站6中的第六通讯组件61上，并通过数据分析和决策模块63处理后显示至显示和控制组件62。类似的，地表侦查探测机器人3通过地表探测传感组件32对矿山的地表状况进行探测，并将探测的参数信息通过第三通讯组件33发送至地面控制站6中的第六通讯组件61上，并通过数据分析和决策模块63处理后显示至显示和控制组件62；空中探测机器人4通过空探传感组件43从空中对矿山参数进行采集探测，并将探测的参数信息通过第四通讯组件42发送至地面控制站6中的第六通讯组件61上。
(2)当出现矿山灾害征兆时：
井下超前探测机器人1对矿井灾害参数进行快速采集，采集和分析步骤如矿山常规作业时的步骤1)；在此过程中，井下侦查机器人2、地表侦查探测机器人3和空中探测机器人4立体协同探测，将探测的数据无线发送至地面控制站6中的第六通讯组件61并通过数据分析和决策模块63进行集中融合、分析和处理，生成灾害预测报告供地面控制指挥人员决策，同时该灾害预测报告还通过网络中继发送至远程指挥站7中，供高层决策者分析以便应对，尤其是灾害等级较高的征兆时，决策者可实施相应预先防范措施。
(3)当矿山灾害不可避免时：
此时经过步骤(2)中的决策后，井下的作业设备停止工作，井下超前探测机器人1对矿井灾害参数进行快速采集，采集和分析的步骤如矿山常规作业时的步骤1)，在条件允许的情况下，井下侦查机器人2对井下灾害现场进行侦查探测，并将采集的参数通过第二通讯组件23发送至地面控制站6中的第六通讯组件61上供地面指挥人员决策。与此同时，井下救援机器人5携带救援机械臂模块53从地面巷道下方，进入灾害现场救援，同时将灾害现场信息实时发送至地面控制站6供地面指挥人员决策；另外，救援机械臂模块53对受困人员进行施救。地面控制站6将井下超前探测机器人1、井下侦查机器人2、井下救援机器人5采集的参数进行信息融合生成灾情分析报告供地面指挥人员进行决策分析并作出对策；同时，地面控制站6还将机器人集群系统采集的参数和自身的灾情报告发送至远程指挥站7进一步供高层决策者分析决策并作出对应部署。
本实用新型不局限于上述实施方式，任何人应得知在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。
本实用新型未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
