煤礦井下搜救機(jī)器人研究

1 課題研究背景

　　災(zāi)難應(yīng)急搜索和救援機(jī)器人（Search And Rescue Robot）是自然災(zāi)害、事故等突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，代替搜救人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行搜救探測(cè)任務(wù)的移動(dòng)機(jī)器人。該類機(jī)器人可以遠(yuǎn)程操控或采用自主的方式深入到復(fù)雜、危險(xiǎn)、不確定的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，探測(cè)未知環(huán)境信息，搜索和營(yíng)救被困者。搜救機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)朝實(shí)用化發(fā)展的一個(gè)重要分支和新的研究領(lǐng)域，具有重要的社會(huì)價(jià)值。

　　搜救機(jī)器人可以應(yīng)用于許多救援場(chǎng)合，比如地震、泥石流、臺(tái)風(fēng)、洪水、礦難、消防、危險(xiǎn)物排除、野外勘察等。當(dāng)災(zāi)難或事故發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜惡劣，充滿未知和不確定性的因素，嚴(yán)重威脅搜救人員的生命安全，給搜救工作的部署和實(shí)施帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。而災(zāi)難發(fā)生后的48小時(shí)是實(shí)施營(yíng)救的關(guān)鍵時(shí)間，否則超過(guò)48小時(shí)被困者生還的可能性就變得很小。因此搜救機(jī)器人的研究具有重要的實(shí)用價(jià)值和社會(huì)意義，近年來(lái)受到了美國(guó)、日本、澳大利亞、中國(guó)等國(guó)家的高度重視。

　　本課題的研究目標(biāo)，是研發(fā)一種以主從式遙操作為主并具備一定自主能力的穩(wěn)定、可靠的煤礦井下移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人平臺(tái)，該平臺(tái)的主要任務(wù)定位為煤礦井下危險(xiǎn)區(qū)域的環(huán)境探測(cè)，包括環(huán)境溫度、氣體組成與含量（CO，CH4，O2，H2S等）探測(cè)，以及現(xiàn)場(chǎng)視頻及音頻的采集與實(shí)時(shí)上傳；對(duì)于這些危險(xiǎn)區(qū)域我們定位于有限目標(biāo)環(huán)境的有限參數(shù)探測(cè)，因?yàn)槊旱V事故種類繁多，情況復(fù)雜，我們不可能指望通過(guò)一兩種復(fù)雜的機(jī)構(gòu)適應(yīng)所有的井下環(huán)境，特別是對(duì)于像冒頂、塌方等極度復(fù)雜的環(huán)境或者透水等特殊環(huán)境的探測(cè)，必須采用專用的機(jī)構(gòu)與技術(shù)來(lái)解決；因此，本平臺(tái)主要針對(duì)如瓦斯突出、局部火災(zāi)、爆炸或坍塌，而具有可進(jìn)入條件的災(zāi)害環(huán)境進(jìn)行探測(cè)。另外，作為一款搜救機(jī)器人平臺(tái)本系統(tǒng)預(yù)留了可以加載如機(jī)械臂等末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的接口，從而為完成更加復(fù)雜和更有效的救援工作提供必要的技術(shù)支撐，也可以為該平臺(tái)在其他搜索與救援領(lǐng)域(如地震、泥石流、火災(zāi)等其他災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng))的應(yīng)用提供重要的技術(shù)儲(chǔ)備。

　　2 搜救機(jī)器人研究進(jìn)展

　　應(yīng)急災(zāi)難搜索和救援機(jī)器人的研究起步于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過(guò)1995年的美國(guó)俄克拉荷馬州爆炸案以及日本神戶大地震，搜救機(jī)器人才逐漸被作為機(jī)器人學(xué)的人道主義應(yīng)用研究被重視起來(lái)。

　　隨后的十幾年時(shí)間里搜救機(jī)器人的技術(shù)不斷發(fā)展，但仍多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室階段，參加實(shí)際救援行動(dòng)并發(fā)揮重要作用的實(shí)例很少。搜救機(jī)器人第一次大規(guī)模參與到現(xiàn)場(chǎng)救援的應(yīng)用案例發(fā)生在美國(guó)911事件后，當(dāng)時(shí)有Talon、Solem、PACKBOT、VGTV、MicroTracs、SPAWARUrbot等六種軍方和研究所的機(jī)器人參與了救援工作，如圖1所示。在這次救援任務(wù)中，機(jī)器人系統(tǒng)的主要任務(wù)包括:在廢墟中搜索可能有幸存者的空間，并監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)變化，防止發(fā)生倒塌危及現(xiàn)場(chǎng)救援人員。搜救工作主要分為兩個(gè)階段，在第一階段的的工作中,機(jī)器人并不是過(guò)度深入廢墟現(xiàn)場(chǎng),而是在人不便于接近的地方起到輔助作用。第二階段的工作重點(diǎn)是清理現(xiàn)場(chǎng)建筑殘骸,并為分析世貿(mào)中心塔樓倒塌的原因提供依據(jù)。在這一階段中，隨著操作人員熟練程度的增加以及現(xiàn)場(chǎng)積累的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)越性逐漸表現(xiàn)出來(lái)。機(jī)器人通過(guò)深入現(xiàn)場(chǎng)近距離偵察、攝像,從而確定殘存墻體的穩(wěn)定性和發(fā)生倒塌的可能性；同時(shí)，機(jī)器人通過(guò)自身攜帶的不同類型探測(cè)器,測(cè)量一氧化碳、硫化氫、揮發(fā)性有機(jī)物的濃度和現(xiàn)場(chǎng)溫度,形成現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境危險(xiǎn)情況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)十幾名不同專業(yè)、不同領(lǐng)域的專家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，并研究、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的救援工作,大大加快了工作進(jìn)度,并保證了人員的安全,體現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在此次救援過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了機(jī)器人系統(tǒng)的一些問(wèn)題，如防水能力、耐熱能力、防震及其他抗惡劣環(huán)境能力的不足，以及機(jī)器人自身狀態(tài)感知及環(huán)境描述方法的不足。總之，這次救援任務(wù)是人類歷史上由救援機(jī)器人參與的規(guī)模最大、也是較為成功的一次救援，在這次救援過(guò)程中，工程技術(shù)人員和現(xiàn)場(chǎng)專家積累了大量的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行災(zāi)難救援工作的寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后搜救機(jī)器人的研究來(lái)說(shuō)是一筆巨大的財(cái)富。



　　此后美國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)的搜救機(jī)器人開(kāi)始逐漸參與實(shí)際災(zāi)害救援行動(dòng)，通過(guò)與災(zāi)害應(yīng)急部門(mén)的緊密合作，不斷積累實(shí)際救災(zāi)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)搜救機(jī)器人的性能，以提高機(jī)器人對(duì)搜救環(huán)境的適應(yīng)能力。

　　經(jīng)過(guò)幾年的研究和改進(jìn)，搜救機(jī)器人再次用于美國(guó)加州小鎮(zhèn)拉•肯奇塔泥石流和“卡特里娜”颶風(fēng)災(zāi)害的搜救過(guò)程。拉•肯奇塔泥石流災(zāi)害造成大量的房屋坍塌和煤氣泄漏，Inuktun公司專門(mén)為救災(zāi)應(yīng)用設(shè)計(jì)改進(jìn)的機(jī)器人VGTV-Xtreme被派往現(xiàn)場(chǎng)，但由于履帶脫落使搜救機(jī)器人無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。同年在美國(guó)歷史上最嚴(yán)重的自然災(zāi)害“卡特里娜”颶風(fēng)襲擊后的救援中，VGTV-Xtreme發(fā)揮了重大作用。另外國(guó)際上為促進(jìn)搜救機(jī)器人研究的進(jìn)展，也設(shè)有專門(mén)的搜救機(jī)器人大賽RoboCup Rescue。

　　我國(guó)的搜救機(jī)器人研究起步較晚，但最近幾年發(fā)展較快，引起越來(lái)越多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、廣東衛(wèi)富公司等都研制了各自的搜救機(jī)器人系統(tǒng)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)與清華大學(xué)等幾家機(jī)構(gòu)也研制了用于煤礦井下救援的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)。但目前國(guó)內(nèi)的搜救機(jī)器人大多仍處于原理樣機(jī)的研究上，或局限在室外危險(xiǎn)物排除這種應(yīng)用案例的應(yīng)用上，尚未有機(jī)器人參與到礦難、地震、建筑物坍塌等實(shí)際災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)救援的報(bào)道。在2010年4月2日王家?guī)X透水事故發(fā)生的過(guò)程中，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的水下機(jī)器人曾被帶到現(xiàn)場(chǎng)，試圖參與透水現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)任務(wù)，雖然最終沒(méi)有采用，但也不失為一次有益的嘗試，為透水事故探測(cè)救援積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

　　3 煤礦井下搜救機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

　　在設(shè)計(jì)救災(zāi)機(jī)器人時(shí),應(yīng)從系統(tǒng)總體要求出發(fā),考慮救災(zāi)機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性,協(xié)調(diào)各分系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)聯(lián),開(kāi)展頂層設(shè)計(jì),研究綜合集成關(guān)鍵技術(shù).在設(shè)計(jì)救災(zāi)機(jī)器人過(guò)程中應(yīng)充分注重關(guān)鍵技術(shù)。

　　3.1運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)載體，直接影響到機(jī)器人的通過(guò)性和地形適應(yīng)能力。煤礦搜救機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)應(yīng)盡可能適應(yīng)多種復(fù)雜的井下地形條件，如廢墟、泥地、沙地、臺(tái)階、陡坡、壕溝等，即具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力；除此之外，還要具有一定的運(yùn)動(dòng)速度和良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)穩(wěn)定性，盡可能減少傾覆或翻滾的可能[]。目前的搜救機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)種類較多，如輪式、履帶式、蛇形移動(dòng)機(jī)構(gòu)等，不同的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)決定了各自的運(yùn)動(dòng)能力。輪式機(jī)器人速度快、效率高，但越障能力較差，復(fù)雜地形適應(yīng)能力有限；履帶式越障能力強(qiáng)，但存在速度慢、運(yùn)動(dòng)效率較低的缺點(diǎn)；蛇形機(jī)器人可以鉆進(jìn)狹小的空間，利用頭部安裝的攝像頭傳回圖像信息，但也存在速度慢、機(jī)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)；足式機(jī)器人，如四足、六足等具有適應(yīng)地形能力強(qiáng)的特點(diǎn),能越過(guò)大的壕溝和臺(tái)階,但目前大部分足式機(jī)構(gòu)存在速度慢、效率較低的特點(diǎn);輪腿復(fù)合式機(jī)器人具有履帶機(jī)器人的地形適應(yīng)能力和輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，但也存在結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜體積較為龐大等缺點(diǎn);此外受到自然界生物的啟發(fā)，各種特殊的仿生機(jī)構(gòu)機(jī)器人也展現(xiàn)了美好的前景[]。綜合考慮煤礦井下的地形環(huán)境和事故發(fā)生后可能存在的實(shí)際情況，采用具有較強(qiáng)地形適應(yīng)能力的帶輔助臂的復(fù)合履帶方式是一種相對(duì)理想的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該方式在具有較強(qiáng)地形適應(yīng)能力的同時(shí)，可以保持較小的體積，能夠穿過(guò)相對(duì)狹窄的空間。

　　除了上述需要考慮的因素之外，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)必須可靠，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的環(huán)境。比如煤礦搜救機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)必須重點(diǎn)考慮防爆、防水、耐高溫等。履帶機(jī)器人也容易發(fā)生履帶出軌脫落，導(dǎo)致機(jī)器人寸步難行。除了靈活的運(yùn)動(dòng)能力和可靠性設(shè)計(jì)外，搜救機(jī)器人還應(yīng)考慮便攜性。為了應(yīng)對(duì)突發(fā)的礦難事故，提高搜救效率，搜救機(jī)器人應(yīng)該具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力，必須在第一時(shí)間投放現(xiàn)場(chǎng)。搜索完一個(gè)目標(biāo)地點(diǎn)，能盡快轉(zhuǎn)移到下一搜救地點(diǎn)。體積過(guò)于龐大，除了具有更高的能耗和大大減小了平臺(tái)通過(guò)能力之外，其運(yùn)輸過(guò)程也會(huì)給救援工作帶來(lái)困難。

　3.2感知系統(tǒng)

　　搜救機(jī)器人的主要功能包括搜索探測(cè)與救援，但目前世界各國(guó)搜救機(jī)器人的研究還大多集中于環(huán)境探測(cè)和幸存者搜尋的功能上。由于環(huán)境極度復(fù)雜，受困人員本身面臨的困難復(fù)雜多樣，對(duì)人員的救援工作目前還是一件非常困難的事情，因此，環(huán)境探測(cè)與人員搜索任務(wù)是目前搜救機(jī)器人的主要功能，其搜索與探測(cè)能力主要取決于其自身攜帶的傳感器的類型與應(yīng)用情況。作為搜救機(jī)器人的感知系統(tǒng)，傳感器必須具備信息采集、信息存儲(chǔ)與分析以及信息傳輸?shù)裙δ?同時(shí)要求其具有較小尺寸、足夠的分辨率和響應(yīng)時(shí)間，以及很好的穩(wěn)定性和可靠性等特點(diǎn)。

　　對(duì)環(huán)境的探測(cè)主要目的首先是讓搜救人員實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的了解事故后井下的綜合環(huán)境情況，評(píng)估井下環(huán)境對(duì)幸存人員及搜救人員生命及健康的影響，考慮指派救護(hù)隊(duì)員下井完成救援任務(wù)的可行性，以及為制定科學(xué)高效的救援方案提供必要的、可靠的井下環(huán)境參數(shù)信息。這就需要對(duì)井下的溫度、氣體組成情況如氧含量、有毒氣體含量、可燃?xì)怏w含量，以及井下的地形及地質(zhì)結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行探測(cè)。其次，在進(jìn)行環(huán)境探測(cè)的同時(shí)，當(dāng)機(jī)器人深入事故現(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)該具有對(duì)幸存人員進(jìn)行搜索定位及人員情況的初步探測(cè)能力。最后，為保證機(jī)器人能夠安全、有效的完成探測(cè)任務(wù)，機(jī)器人應(yīng)該具有其自身情況及所處環(huán)境的感知能力，如機(jī)器人本體的姿態(tài)、溫度、電池電量等本體參數(shù)，以及環(huán)境中的障礙物、火區(qū)、水區(qū)等危險(xiǎn)環(huán)境和機(jī)器人所處的位置等信息。

　　目前對(duì)于部分環(huán)境探測(cè)與感知的傳感器是比較成熟的，如溫度感知、氧含量傳感器、可燃?xì)怏w探測(cè)器、有毒氣體探測(cè)器等，這些傳感器體積小巧、探測(cè)精度高、集成度好，基本能夠滿足井下環(huán)境探測(cè)的需求；對(duì)于井下地形與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測(cè)主要依靠視覺(jué)系統(tǒng)或與視覺(jué)系統(tǒng)相配合使用的距離、位置等傳感器如聲納探測(cè)器、激光測(cè)距儀等；對(duì)人員的搜索定位有生命探測(cè)儀、熱成像儀等設(shè)備；機(jī)器人自身狀態(tài)的感知主要依靠里程計(jì)、慣性系統(tǒng)以及姿態(tài)傳感器等感知單元，完成機(jī)器人位置及姿態(tài)的感知以及為導(dǎo)航及運(yùn)動(dòng)控制提供必要的數(shù)據(jù)。

　　此外，井下環(huán)境特別是事故后的井下環(huán)境情況復(fù)雜，極有可能出現(xiàn)濃煙、灰塵等惡劣情況，在這種環(huán)境下很多傳感器特別是視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)受到嚴(yán)重的影響。而遠(yuǎn)紅外探測(cè)器具有很好的穿透煙霧進(jìn)行探測(cè)的能力，并且可以同時(shí)獲得被測(cè)物體表面的輻射溫度，因此采用遠(yuǎn)紅外成像儀進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境的探測(cè)既可以作為可見(jiàn)光視覺(jué)系統(tǒng)的補(bǔ)充，又可以通過(guò)對(duì)一些特殊物體表面輻射溫度的測(cè)量實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別，如人體、著火點(diǎn)、水域等。其他的特殊情況也可能導(dǎo)致不同的傳感器失效，因此采用多種傳感器進(jìn)行探測(cè)并對(duì)多種信息進(jìn)行融合處理是有效的解決方案。多傳感器的信息融合是把不同位置的多個(gè)同類型或不同類型的傳感器提供的局部環(huán)境的不完整信息加以綜合，消除信息之間的冗余和矛盾，以形成對(duì)環(huán)境相對(duì)完整和一致的描述，提高智能決策的速度和準(zhǔn)確性。多傳感器融合的常用方法有：加權(quán)平均法、貝葉斯估計(jì)、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理法以及帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則。

　　3.3可視化人機(jī)交互與遙操作

　　為了使井下機(jī)器人更加靈活的工作，需要使操作者具有一個(gè)簡(jiǎn)單方便而功能齊全的操作平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)除了用于對(duì)機(jī)器人的操作外，還能夠?qū)Σ杉母鞣N信息以及機(jī)器人本體的姿態(tài)和位置信息進(jìn)行直觀的顯示，通過(guò)各種不同的方式保證機(jī)器人的可靠運(yùn)行。

　　3.4機(jī)器人防爆及控制系統(tǒng)抗惡劣環(huán)境技術(shù)

　　由于機(jī)器人工作在井下，而且更多地是在含有瓦斯等易燃、易爆氣體的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)工作，因此防爆設(shè)計(jì)必不可少且尤為重要?？刂葡到y(tǒng)不僅要進(jìn)行本安設(shè)計(jì)，還要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，防水、防酸霧、防灰塵等三防設(shè)計(jì)，抗震動(dòng)和抗沖擊設(shè)計(jì)及抗干擾設(shè)計(jì)等抗惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)。

　　現(xiàn)場(chǎng)的塵土、煙霧和散落的廢墟都會(huì)增加救災(zāi)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的難度.同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)的高溫也不利于機(jī)器人的使用,甚至可能出現(xiàn)履帶或輪胎被高溫熔化并發(fā)生燃燒等現(xiàn)象.因此,在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意機(jī)器人的防塵能力和耐熱性,還要考慮它的防水、防爆、防腐蝕、防電磁干擾、抗熱輻射等功能.此外,復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境還對(duì)機(jī)器人的控制線提出了新的要求,鋒利的金屬殘片或其它殘骸對(duì)控制線產(chǎn)生了威脅,所以在選擇控制線時(shí)必須考慮它的堅(jiān)固性。

　　3.5機(jī)器人井下自主導(dǎo)航定位及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

　　救災(zāi)機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中,應(yīng)當(dāng)避免危險(xiǎn)的環(huán)境和防止產(chǎn)生更多的危險(xiǎn),這就要求機(jī)器人必須具有導(dǎo)航能力;其次,為了向救災(zāi)中心提供幸存者的位置,機(jī)器人必須能夠確定自身位置,完成任務(wù)后回到救災(zāi)中心,這要求機(jī)器人具有定位和路徑規(guī)劃能力.救災(zāi)機(jī)器人的導(dǎo)航方式可分為:基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導(dǎo)航、基于各種導(dǎo)航信號(hào)的陸標(biāo)導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航和味覺(jué)導(dǎo)航等。定位能確定機(jī)器人在二維工作環(huán)境中相對(duì)于全局坐標(biāo)的位置,可分為慣性定位、陸標(biāo)定位和聲音定位等.路徑規(guī)劃是根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息,按照某一性能指標(biāo)搜索一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無(wú)碰撞路徑,并且實(shí)現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋,可分為兩種類型:環(huán)境信息完全掌握的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的局部路徑規(guī)劃.此外,GPS能對(duì)全球表面任何地點(diǎn)及近地空間提供實(shí)時(shí)高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。救災(zāi)機(jī)器人可采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)與電子地圖結(jié)合的方式,隨時(shí)提供救災(zāi)機(jī)器人的方位,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位的可視化.

　　位置信息是井下探測(cè)機(jī)器人必不可少的信息之一，無(wú)論是幸存人員信息，還是巷道破壞程度信息以及局部氣態(tài)環(huán)境信息，都需要一個(gè)相對(duì)精確的具體位置信息作參考。盡管操作人員可以通過(guò)前方影像數(shù)據(jù)在一定程度上進(jìn)行大體位置判斷，但這樣的定位是無(wú)精度可談的，況且在火災(zāi)等現(xiàn)場(chǎng)中，由于煙霧等原因，根本無(wú)法通過(guò)視覺(jué)圖像進(jìn)行定位。因此，采用多種傳感器進(jìn)行融合，對(duì)機(jī)器人當(dāng)前的位置進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，是十分必要的工作。

　　另外，在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化井下環(huán)境中，僅僅通過(guò)攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，是難以保證操作動(dòng)作的準(zhǔn)確性和安全性的；如何能夠保證機(jī)器人按照所規(guī)劃的路徑和發(fā)出的運(yùn)動(dòng)學(xué)指令準(zhǔn)確、高效、安全的運(yùn)動(dòng)是保證其圓滿完成探測(cè)任務(wù)的前提條件。特別是安全性問(wèn)題，表現(xiàn)得尤為突出，稍有不慎就有可能使機(jī)器人發(fā)生傾覆或者碰撞。因此，對(duì)機(jī)器人的姿態(tài)信息進(jìn)行采集，結(jié)合位置、航向等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過(guò)本地自主實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控相結(jié)合的方式對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)進(jìn)行控制，通過(guò)研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，使其可以自主的保持在安全范圍之內(nèi)，當(dāng)操作員發(fā)出可能產(chǎn)生危險(xiǎn)的指令時(shí)能夠及時(shí)制止并發(fā)出報(bào)警信息，是一個(gè)非常必要和實(shí)用的功能。

　　可見(jiàn)雖然目前存在的大部分搜救機(jī)器人采用主從操作方式，但鑒于煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜性及危險(xiǎn)性，特別是對(duì)通信系統(tǒng)的嚴(yán)酷環(huán)境，機(jī)器人具有自主導(dǎo)航及運(yùn)動(dòng)控制的能力是十分必要的功能。提高搜救機(jī)器人的智能化和自主化技術(shù)水平，也是該領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。煤礦井下是一個(gè)結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化并存的環(huán)境，而在事故發(fā)生后，則多數(shù)是非平整非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，因此，本論文針對(duì)復(fù)雜的煤礦井下環(huán)境，將煤礦井下探測(cè)機(jī)器人的自主導(dǎo)航定位及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為主要研究?jī)?nèi)容。

　　3.6非平整路面移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)

　　3.6.1適應(yīng)非平整路面的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)

　　非結(jié)構(gòu)化非平整路面環(huán)境中工作的機(jī)器人，一般是用于星際探測(cè)、野外偵察、農(nóng)業(yè)耕作、礦區(qū)作業(yè)等領(lǐng)域，國(guó)外有研究人員將這類機(jī)器人定位為野外移動(dòng)機(jī)器人(Off-Road Mobile Robots)，是較為合適的定義。

　3.6.2非平整路面移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　近年來(lái)，對(duì)于非平整路面移動(dòng)機(jī)器人定位及導(dǎo)航技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，并已經(jīng)形成了多種相對(duì)完善的方案，在星際探測(cè)、野外偵察、采礦及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域取得了一定的研究和應(yīng)用成果。

　　目前機(jī)器人可用于定位導(dǎo)航及狀態(tài)感知的傳感器主要包括里程計(jì)、慣性導(dǎo)航單元、GPS系統(tǒng)、超聲波或聲納傳感器、激光測(cè)距傳感器、計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)等。里程計(jì)或光電編碼器是移動(dòng)機(jī)器人廣泛使用的傳感器，主要用于航位推算過(guò)程中行駛里程的計(jì)算；慣性測(cè)量單元以往常用于飛行器姿態(tài)的測(cè)量及控制，近年來(lái)逐漸應(yīng)用到地面車輛或移動(dòng)機(jī)器人的定位及姿態(tài)測(cè)量等算法當(dāng)中，特別是在與里程計(jì)、GPS相融合后組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，成為移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的重要手段；GPS系統(tǒng)作為一種絕對(duì)式位置傳感器，有著使用方便、精度較高，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，特別是通過(guò)差分計(jì)算之后，其精度更可以達(dá)到米級(jí)以下甚至更高，從而可以直接引用于機(jī)器人的定位工作，其主要問(wèn)題是在復(fù)雜環(huán)境中有可能由于建筑物或大型植被等的遮擋造成信號(hào)失鎖以及由于受到美國(guó)的控制幾乎無(wú)法作為軍事目的而使用。當(dāng)前比較常見(jiàn)的做法是將里程計(jì)、IMU以及GPS信息通過(guò)一定的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)融合(通常采用擴(kuò)展卡爾曼濾波、無(wú)味卡爾曼濾波等算法)，利用融合后的結(jié)論實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人位姿的正確估計(jì)。聲納或超聲波傳感器主要用于對(duì)機(jī)器人周圍近距離（一般5m以內(nèi)）的障礙物進(jìn)行探測(cè)，而且一般是以陣列的形式安裝在機(jī)器人本體上，以提高其探測(cè)范圍。由于其探測(cè)距離短，探測(cè)速度較慢，因而多用于低速移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)；激光雷達(dá)也是目前常用的距離測(cè)量工具，主要分為二維激光雷達(dá)或三維激光雷達(dá)，由于其測(cè)量距離遠(yuǎn)（一般達(dá)到幾十米甚至上百米），測(cè)量速度快（每秒幾十次掃描數(shù)據(jù)），被越來(lái)越多的應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境感知及環(huán)境建模的場(chǎng)合當(dāng)中。視覺(jué)系統(tǒng)是最常用的環(huán)境感知系統(tǒng)，也是人類對(duì)世界進(jìn)行感知和認(rèn)識(shí)的主要途徑，近年來(lái)特別是近2，3年來(lái)，基于視覺(jué)環(huán)境感知的研究成果層出不窮，其計(jì)算的復(fù)雜度不斷減小，工程化程度越來(lái)越高，通過(guò)視覺(jué)實(shí)現(xiàn)障礙物探測(cè)、航位及航姿推算直到路面環(huán)境建模等的研究成果也越來(lái)越多。除此之外，還有一些如毫米波雷達(dá)、紅外傳感器、力傳感器、觸覺(jué)傳感器等也應(yīng)用到不同場(chǎng)合機(jī)器人的自身或環(huán)境參數(shù)的感知上，在這里不再詳述。

　　環(huán)境重建技術(shù)是信息技術(shù)中，特別是計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)中的一個(gè)重要研究方向，對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)的研究而言，其主要用于機(jī)器人的導(dǎo)航、目標(biāo)的跟蹤與識(shí)別以及真實(shí)場(chǎng)景的重現(xiàn)等。其主要手段歷經(jīng)了從計(jì)算機(jī)視覺(jué)，到計(jì)算機(jī)視覺(jué)與激光雷達(dá)的結(jié)合，即主動(dòng)視覺(jué)的概念；近年來(lái)由于計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法及計(jì)算平臺(tái)的不斷完善，又重新回到使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)，即僅采用被動(dòng)視覺(jué)的方法上。

　　20世紀(jì)70年代中期，Marr，Barrow和Tenenbaum等一些研究者提出了視覺(jué)計(jì)算理論，其核心是從圖像恢復(fù)場(chǎng)景的三維結(jié)構(gòu)。S．Z．Barnard與M．A．Fischler系統(tǒng)的介紹了上世紀(jì)70年代中期到1981年三維視覺(jué)的研究成果，主要包括立體重建的基本方法、算法評(píng)價(jià)準(zhǔn)則以及對(duì)當(dāng)時(shí)有影響力的算法評(píng)述。70年代后期至80年代，工作于斯坦福大學(xué)的Gennery及Moravec首先將立體視覺(jué)三維重建技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航，在一臺(tái)叫做StanfordCart的平臺(tái)上，他們實(shí)現(xiàn)了其基于立體視覺(jué)的自主定位及周圍環(huán)境的三維探測(cè)。然而，鑒于其計(jì)算速度的限制及硬件平臺(tái)的缺點(diǎn)，該系統(tǒng)并不能可靠的長(zhǎng)時(shí)間工作。

　　在上世紀(jì)80年代，CMU及NASAJPL的研究人員走在了該領(lǐng)域的前沿。在80年代后期，CMU的研究人員成功的在其移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)CMU Rover上解決了立體視覺(jué)的計(jì)算速度及工程可靠性問(wèn)題(Moravec，1983)。其主要改進(jìn)在于硬件平臺(tái)的升級(jí)以及感知算法的改進(jìn)與完善，而最值得關(guān)注的工作是該團(tuán)隊(duì)的Matthies及Shafer在1987年首次提出了基于立體視覺(jué)的視覺(jué)里程計(jì)算法（Visual Odometry Algorithms），該算法第一次通過(guò)視覺(jué)方式對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡及姿態(tài)進(jìn)行了較為精確的計(jì)算。從而開(kāi)啟了通過(guò)視覺(jué)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)的算法在地球上的野外環(huán)境(Nister,2006;Agrawal,2007)以及NASA的火星探測(cè)計(jì)劃(MER)中在外星球探測(cè)機(jī)器人上的應(yīng)用(Cheng,2006)。

　　在接下來(lái)的研究中，CMU仍然走在世界的前列。他們開(kāi)發(fā)出的Navlab移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，采用了主動(dòng)視覺(jué)的方式，將單目攝像機(jī)及一臺(tái)激光雷達(dá)相結(jié)合，作為其環(huán)境探測(cè)的解決方案，從而成功的解決了當(dāng)時(shí)采用被動(dòng)視覺(jué)在匹配及特征提取計(jì)算方面面臨巨大計(jì)算復(fù)雜度的尷尬局面。從這一時(shí)期開(kāi)始，移動(dòng)機(jī)器人才逐漸實(shí)現(xiàn)了所謂的實(shí)時(shí)自主導(dǎo)航，這主要得益于算法的不斷改進(jìn)以及計(jì)算平臺(tái)性能的大幅度提高。自90年代中期開(kāi)始的十幾年中，基于主動(dòng)式探測(cè)技術(shù)（主要是激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等）的環(huán)境感知與探測(cè)方法被較為廣泛的應(yīng)用，特別是與視覺(jué)傳感器相融合可以快速建模的特性，使其一度成為移動(dòng)機(jī)器人，特別是野外移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境建模的首選方案。

　　然而基于單目或雙目被動(dòng)視覺(jué)的環(huán)境感知及建模的研究工作一刻都未停止過(guò)，在1980后期至1990年代的過(guò)程中，Matthies在JPL的研究突破了基于場(chǎng)景的實(shí)時(shí)立體視覺(jué)算法，并于90年代后期第一次將其應(yīng)用于野外機(jī)器人的環(huán)境探測(cè)與建模當(dāng)中。自此以后，立體視覺(jué)開(kāi)始逐漸為大家所重視，真正成為機(jī)器人三維感知方向中一個(gè)具有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)。

　　近五年來(lái)，視覺(jué)感知技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人特別是野外不平整路面復(fù)雜環(huán)境下的感知與環(huán)境建模中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。其中同樣是NASA的MER計(jì)劃的成果，DemoIII自主野外探測(cè)車采用了三對(duì)立體視覺(jué)相機(jī)，一對(duì)前視立體相機(jī)，一對(duì)后視立體相機(jī)，以及一對(duì)安裝在伺服云臺(tái)上的立體相機(jī)(Matthies，2007)，在此，立體視覺(jué)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)基本功能，即視覺(jué)里程計(jì)以及路徑規(guī)劃。在火星上沒(méi)有GPS等絕對(duì)定位系統(tǒng)的情況下，采用基于立體視覺(jué)的視覺(jué)里程計(jì)算法，通過(guò)相對(duì)定位的方式，實(shí)現(xiàn)了火星車足夠的定位精度（Cheng，2005）。除此之外，采用基于立體視覺(jué)的路徑規(guī)劃方法，可以快速的感知路面的不平整（Biesiadecki和Maimone，2006），以及預(yù)測(cè)路面傾斜的變化（Angelova，2007）。與此同時(shí)，另一些研究人員也實(shí)現(xiàn)了基于單目視覺(jué)或雙目視覺(jué)的機(jī)器人位姿估算以及路面的三維重建工作，如Nister在2006年分別采用單目及雙目視覺(jué)里程計(jì)算法實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人在野外復(fù)雜環(huán)境中姿態(tài)及位置的估算，并達(dá)到了較高的精度，較好的可靠性和實(shí)時(shí)性。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　煤礦井下危險(xiǎn)區(qū)域探測(cè)的搜救機(jī)器人進(jìn)行研究為當(dāng)前煤礦開(kāi)采的提供了安全保證，文中提到的關(guān)鍵技術(shù)的解決對(duì)開(kāi)發(fā)研制高性能搜救機(jī)器人意義重大。