一种可及时采集灾情的矿井瓦斯爆炸灾情智能探测系统

技术领域

本发明涉及煤矿安全和智能救灾技术领域，具体来说，涉及一种可及时采集灾情的矿井瓦斯爆炸灾情智能探测系统。

背景技术

矿井火灾是煤矿生产的五大灾害之一。矿井火灾的主要危害包括：产生大量的有害气体、产生高温、引起瓦斯和粉尘爆炸、毁坏设备和资源。煤矿火灾一旦发生，火灾蔓延速度快，难以控制，甚至会引起煤尘和瓦斯爆炸，造成难以预计的损失。矿井发生火灾后，受煤矿井巷空间狭小限制，人员的撤离、躲避及救援难度很大，而快速的掌握火灾现场的灾情是救援、控制火灾的重要保障。每个煤矿生产单位都制定严格的煤矿火灾预防措施，煤矿发生火灾后往往都能够控制火灾向其它巷道的蔓延，但由于矿井火灾产生大量的有毒气体及高温在井巷扩散的速度快、距离长，这对井下人员的危害极大，因此，必须对火灾现场及周围巷道环境有精准的掌握，才能保障救援人员安全，并推进救援工作的快速开展。

然而，当前煤矿生产单位缺乏实现远程、无人控制的探测装备，这为矿井火灾的救援带来了非常大阻力，在对灾情不了解的情况下，只能被迫等待救援时机，使救援工作极为被动。专利号CN105812727B公开了一种矿山井下事故现场搜救以及监控系统，其主要是为救援人员配备无线装置及应急装置，然而实际矿井发生火灾后，矿井中的灾情难以知晓，贸然让救援人员进入矿井进行搜救作业，很容易发生二次灾难，从而造成不必要的人员伤亡。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了可及时采集灾情的矿井瓦斯爆炸灾情智能探测系统，具备可准确采集矿井火灾灾情实况、分析事故情况并确定救援最佳时机的优点，进而解决现有煤矿生产单位缺乏远程、无人控制的灾情探测装备的问题。

(二)技术方案

为实现上述可准确采集矿井火灾灾情实况、分析事故情况并确定救援最佳时机的优点，本发明采用的具体技术方案如下：

一种可及时采集灾情的矿井瓦斯爆炸灾情智能探测系统，包括地上控制系统、智能无人机、机载装置、地下采集装置、探测机器人及中继装置，地上控制系统通过无线传输系统控制智能无人机，智能无人机装载机载装置；其中，智能无人机包括目标跟踪模块、计算任务分割模块、信息融合模块及运动检测模块，机载装置包括机载粉尘传感器、机载高清摄像系统、机载温度传感器、机载湿度传感器及无线传输系统。

进一步的，地上控制系统包括飞行操作模块、数据处理模块、图像显示模块及无线传输与接收模块；其中，飞行操作模块用于通过发射无线信号控制智能无人机的飞行；数据处理模块用于对机载装置、地下采集装置、探测机器人及中继装置传输的数据进行处理；图像显示模块用于显示机载高清摄像系统传输的视频画面；无线传输与接收模块用于信号的传输与接收。

进一步的，目标跟踪模块用于无人机在矿井中的智能避障，该避障方法包括以下步骤：

根据从巡检无人机上下载的电子地图来建立矿井中障碍物的最小安全空间边界线；

根据障碍物的最小安全空间边界线建立多边形柱状避障空间；

利用A-Star算法及新建立多边形柱状避障空间对无人机的电力巡检智能避障路径进行规划并传输至地上控制系统。

进一步的，A-Star算法的函数表达式如下：

f(k)＝g(k)+h(k)

其中，f(k)为地图中需要搜索节点，g(k)为地图中从起始到目前节点的代价值，h(k)为地图中在节点k的启发式代价估值，x

进一步的，计算任务分割模块用于对无人机的设备温度、CPU利用率、内存占用率以及能源状态进行判断，并根据实时网络状态和资源占用情况适应性的分配计算任务至中继装置。

进一步的，探测机器人装载有机载装置、导航系统及救援系统，且机载装置通过无线传输系统与中继装置进行通讯。

进一步的，地上控制系统将规划后的避障路径传输至探测机器人，探测机器人利用导航系统移动至瓦斯爆炸点，救援系统用于对瓦斯爆炸点的火源进行扑灭。

进一步的，地下采集装置包括一氧化碳气体传感器、瓦斯气体传感器及气压传感器，一氧化碳气体传感器用于对矿井中的一氧化碳气体含量进行检测，瓦斯气体传感器用于对矿井中的瓦斯气体含量进行检测，气压传感器用于对矿井中的气体压力进行检测。

进一步的，无线传输系统是将处理后的参数、语音、视频数据通过Wifi、TD-LTE/TD-FDD、IMT-2121与地上无线传输与接收模块进行通信。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了可及时采集灾情的矿井瓦斯爆炸灾情智能探测系统，具备以下有益效果：

(1)、本发明通过设置智能无人机、机载装置、地下采集装置及探测机器人，并配合地上控制系统，实现了对矿井的全方位探测、侦查和救援，从而使灾情探测的安全性及自动化程度更高，有利于减少人员伤亡和经济损失；另外，通过中继装置可以实现信号中转，从而保证智能无人机与地上控制系统之间信号传输的稳定性。

(2)、通过在智能无人机内部设置目标跟踪模块，可以实现在发生灾情后对矿井进行探测并规划出合理的避障路径，从而保证无人机的正常飞行，并通过将避障路径发送至探测机器人，从而探测机器人可以精准且快速的移动至瓦斯爆炸点，并对灾情进行有效控制，进而有效的避免二次灾难的发生，降低财产损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的可及时采集灾情的矿井瓦斯爆炸灾情智能探测系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的可及时采集灾情的矿井瓦斯爆炸灾情智能探测系统中地上控制系统工作流程示意图；

图3是根据本发明实施例的可及时采集灾情的矿井瓦斯爆炸灾情智能探测系统中无线传输系统工作流程示意图；

图4是根据本发明实施例的可及时采集灾情的矿井瓦斯爆炸灾情智能探测系统中无人机避障方法流程示意图。

图中：

1、地上控制系统；101、飞行操作模块；102、数据处理模块；103、图像显示模块；104、线传输与接收模块；2、智能无人机；201、目标跟踪模块；202、计算任务分割模块；203、信息融合模块；204、运动检测模块；3、机载装置；301、机载粉尘传感器；302、机载高清摄像系统；303、机载温度传感器；304、机载湿度传感器；305、无线传输系统；4、地下采集装置；401、一氧化碳气体传感器；402、瓦斯气体传感器；403、气压传感器；5、探测机器人；501、导航系统；502、救援系统；6、中继装置。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种可及时采集灾情的矿井瓦斯爆炸灾情智能探测系统。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-4所示，根据本发明实施例的可及时采集灾情的矿井瓦斯爆炸灾情智能探测系统，包括地上控制系统1、智能无人机2、机载装置3、地下采集装置4、探测机器人5及中继装置6，且智能无人机2、机载装置3及探测机器人5均经过防爆处理，地上控制系统1通过无线传输系统控制智能无人机2，智能无人机2装载机载装置3；其中，智能无人机2包括目标跟踪模块201、计算任务分割模块202、信息融合模块203及运动检测模块204，机载装置3包括机载粉尘传感器301、机载高清摄像系统302、机载温度传感器303、机载湿度传感器304及无线传输系统305。

借助于上述方案，本发明通过设置智能无人机2、机载装置3、地下采集装置4及探测机器人5，并配合地上控制系统1，实现了对矿井的全方位探测、侦查和救援，从而使灾情探测的安全性及自动化程度更高，有利于减少人员伤亡和经济损失；另外，通过中继装置6可以实现信号中转，从而保证智能无人机2与地上控制系统1之间信号传输的稳定性。

在一个实施例中，地上控制系统1包括飞行操作模块101、数据处理模块102、图像显示模块103及无线传输与接收模块104；其中，飞行操作模块101用于通过发射无线信号控制智能无人机2的飞行；数据处理模块102用于对机载装置3、地下采集装置4、探测机器人5及中继装置6传输的数据进行处理；图像显示模块103用于显示机载高清摄像系统302传输的视频画面；无线传输与接收模块104用于信号的传输与接收。

在一个实施例中，目标跟踪模块201用于无人机在矿井中的智能避障，该避障方法包括以下步骤：

S1、根据从巡检无人机上下载的电子地图来建立矿井中障碍物的最小安全空间边界线；

S2、根据障碍物的最小安全空间边界线建立多边形柱状避障空间；

S3、利用A-Star算法及新建立多边形柱状避障空间对无人机的电力巡检智能避障路径进行规划并传输至地上控制系统1。

在一个实施例中，所述A-Star算法的函数表达式如下：

f(k)＝g(k)+h(k)

其中，f(k)为地图中需要搜索节点，g(k)为地图中从起始到目前节点的代价值，h(k)为地图中在节点k的启发式代价估值，x

在一个实施例中，计算任务分割模块202用于对无人机的设备温度、CPU利用率、内存占用率以及能源状态进行判断，并根据实时网络状态和资源占用情况适应性的分配计算任务至中继装置6。

在一个实施例中，探测机器人5装载有机载装置3、导航系统501及救援系统502，且机载装置3通过无线传输系统305与中继装置6进行通讯。

在一个实施例中，地上控制系统1将规划后的避障路径传输至探测机器人5，探测机器人5利用导航系统501移动至瓦斯爆炸点，救援系统502用于对瓦斯爆炸点的火源进行扑灭。

在一个实施例中，地下采集装置4包括一氧化碳气体传感器401、瓦斯气体传感器402及气压传感器403，一氧化碳气体传感器401用于对矿井中的一氧化碳气体含量进行检测，瓦斯气体传感器402用于对矿井中的瓦斯气体含量进行检测，气压传感器403用于对矿井中的气体压力进行检测。

在一个实施例中，所述无线传输系统305是将处理后的参数、语音、视频数据通过Wifi、TD-LTE/TD-FDD、IMT-2121与地上无线传输与接收模块104进行通信。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明通过设置智能无人机2、机载装置3、地下采集装置4及探测机器人5，并配合地上控制系统1，实现了对矿井的全方位探测、侦查和救援，从而使灾情探测的安全性及自动化程度更高，有利于减少人员伤亡和经济损失；另外，通过中继装置6可以实现信号中转，从而保证智能无人机2与地上控制系统1之间信号传输的稳定性。

此外，通过在智能无人机2内部设置目标跟踪模块201，可以实现在发生灾情后对矿井进行探测并规划出合理的避障路径，从而保证无人机的正常飞行，并通过将避障路径发送至探测机器人5，从而探测机器人5可以精准且快速的移动至瓦斯爆炸点，并对灾情进行有效控制，进而有效的避免二次灾难的发生，降低财产损失。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。