[00316825]基于四旋翼无人机矿山巡检

技术成果介绍：

本项目以无人机为载体，搭载传感器实现矿山井下自主SLAM、避障和导航，实现无人机的自主巡检。矿山井下为无GPS定位环境，而且充满粉尘、无光照，地面凹凸不平，工作环境动态变化快，基于视觉的SLAM或 者光流等直接失效，而且基于其他无线电或者节点等定位方式成本较高，而且可扩展性较差。本项目依据低成 本的360度单线激光雷达和直线激光测距仪的SLAM定位和导航，实现无人机在矿山井下的自主定位与导航避 障，依靠其搭载的低功耗的嵌入式电脑实时分析航行任务以及航行路线上的静态以及动态障碍物达到智能化的 任务模式。机载的巡检传感器在飞行过程中记录周围各技术参数，待飞行任务完成后导入上位机，基于故障分 析算法轻松应对大量巡检数据，而且故障识别错误远远低于人工目测经验。此平台具有操作方便、巡检效率 高、扩展性强等优点。

主要技术指标及优势：

主要技术指标： 在井工煤矿地下环境，无人操作，自主飞行到达预设的地点，自主避免与人和设备碰撞；

1.无 GPS自主定位，里程误差30cm；

2.自主避障距离：3m范围，躲避直径50cm的障碍物；

3.自主避障反应时间：3m范围，动态避障响应时间＜200ms；

4.自主飞行速度：3m/s；

5.续航3km，飞行时间25min。

主要优势：

1. 已有长期的研究基础，并形成大量技术成果积累。以建设国内外一流的智能无人系统开发平台为目标， 现已建立无人机自主导航测试平台、控制硬件仿真平台、无人系统的各类算法仿真平台等等。已研制的无人机综合飞行测控平台，如下图所示。平台包括支持上、下行遥测遥控无线传输链路的特殊定制飞控板、通用载荷 荷载平台和通用碰撞防护支撑平台。

   
   

2. 开发稳定的室内无GPS自主导航定位方案。通过机载激光雷达传感器和IMU组建的惯导系统，实现无人机在无GPS或GPS中断环境下的自主导航定位，该系统自主定位算法，分为以下两个部分：

   1）测量过程：提取环境建筑或巷道稳定特征，对IMU数据进行预积分。

   2）初始化及激光惯导融合：通过激光雷达测量周围环境特 征构建点云信息，解算出无人机的位置变换矩阵，再结合IMU预积分得到尺度等参数的初始估计。整体方案如下图所示：

   
   

   本方案提出的自主飞行无人机平台，整体系统可以分为飞控模块、机载处理器模块、传感器、通信链路模块，以及地面站、遥控器等外部设备。 无人机系统包括飞控、机载电脑和传感器，传感器通过USB串口数传方式连接在机载电脑，机载电脑收集传感器数据进行算法层面应用处理，机载电脑基于Linux系统下的ROS环境，以节点的方式发布话题供飞控订 阅。飞控端与机载电脑采用MavLink协议通信，并反馈无人机的状态给机载电脑，使其做出下一步控制命令的调整。

知识产权：

1. 专利名称：无人机某设备及存储介质，申请号：201710****3.2

2. 专利名称：无人机某设备及存储介质，申请号：2017106****0.4

3. 专利名称：无人某方法、装置、无人机及存储介质，申请号：2017106****8.2

4. 专利名称：无人机导航方法、某存储介质，申请号：2017106****8.6

5. 专利名称：无人机的目标跟踪方法、某存储介质， 申请号：2017107****4.7

6. 专利名称：基于某无人机姿态解算算法，申请号：2018113****1.3

7. 专利名称：基于某光流相融合的障碍物检测，申请号：2019101****4.0

8. 专利名称：红外视觉和某组合的生命搜索策略，申请号：2019101****7.0

9. 专利名称：一种某人机交互系统及方法，申请号：2019101****5.4

主要应用领域：该矿山巡检无人机主要应用在矿井下，实现对矿井中运输机器轨道的断痕、异物的检测，并反馈位置。

市场经济效益及需求预测：

国家煤监局公布《煤矿机器人重点研发目录》，第一次明确提出，聚焦关键岗位、危险岗位，重点研发应 用掘进、采煤、运输、安控和救援五大类、38种煤矿机器人。无人机作为空中特种机器人，具有体积小、灵活 性高、可靠性高等特点，搭载高清摄像头，应用于复杂的矿井中巡检，其效率比地面机器人更高、避障及路径

产业化需求及生产条件：

1. 生产条件 无人机零部件设计及生产，无人机架，传感器扩展架，保护外壳等配件，满足材料强度大和质量轻要求， 保证无人机飞行安全性和整体结构性能最优。无人机软件开发，涉及自主导航定位算法、避障算法以及路径规 划算法等软件系统开发，保证无人机飞行安全性及在特定环境的鲁棒性。

2. 设备 无人机测试场地，新搭建150平方米检验测试场地，配置VICON高精度动作捕捉系统，实时监测无人机飞 行状态及精度，以便调整优化无人机各项参数设置。新建场地四周和顶部搭建防撞网，累计加装300平方米防护 网，保障测试人员安全。

3. 资金 无人机零部件材料费用，包括无人机碳纤维机架、飞控、电机电调电池等动力装置、双目视觉摄像头和激 光雷达等传感器、机载CPU处理器以及线材等购置费用，共 2万元。 开发管理费用，包括试验场地管理费、系统软件开发设计费、结构设计费、办公设施购置费等，共50万元。