CN111093150A - 一种井工定位及通信*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及提供一种井工定位及通信***，包括地面监控中心、井下GPS基准点，定位通信机器人、轨道、定位标签、网络基站、能源站；所述地面上设置监控中心，井下设备及人员的信息通过定位通信机器人及网络传输到地面监控中心，地面人员查询井下设备的运行信息及位置，通过定位通信机器人可以对井下所有设备进行远程的定位、远程遥控及信息传输，并对井下运行的多个定位通信机器人进行任务规划。本发明具有低成本的特点，可以提供不同精度的定位信息，高效的完成对井下各类设备及人员的定位，同时对井下工作设备的信息进行采集传递，操作人员在远程操控中心控制，可以了解所有设备及人员的运行状态，是实现井工自动化开采的基础。

Description

一种井工定位及通信***

技术领域

本发明涉及井工的定位和通信技术领域，尤其涉及一种井工定位及通信***。

背景技术

我国是煤炭的开采与消费大国，其中综合机械化采掘及运输占比很大，并逐年大幅提高。近年来，据统计煤矿在役掘进机约6000台，在役综采成套设备约3000套，在役防爆运输车辆约20000台，井下固定设备及工作人员多达数十万，绝大部分设备都是由工人直接操作。煤矿井下环境恶劣、地质复杂，已经成为人员劳动强度最大的区域。

由于煤矿井下工作环境差，危险性大，人工操作局限性很大，因此采掘及运输设备的自动化作业是发展的必然趋势。2019年1月，国家煤矿安全监察局公告了《煤矿机器人重点研发目录》，其中包括掘进、采煤、运输、安控及救援五大类机器人，共涉及三十八中煤矿机器人，其中这三十八种机器人共有的技术就是精确定位及信息交互技术。要想实现采掘及运输设备的自动化作业和井下人员的工作安全性，主要解决的就是在巷道或隧道中对各类设备和工作人员的定位和定姿、设备的运行信息传输及监控等问题。

在关于井工设备的定位定向的专利申请文件中，都需要在巷道中设置固定或者可移动的参考标记或者基站，需要人工固定参考标记或者通过多个无线定位基站机器人、通过点测来参与设备的导航过程，仍然存在工作效率低、速度慢、维护困难、实时连续测量受限等问题，无法实现设备完全的自主连续导航定位定向。而且井工设备的定位定向只针对于某一个固定设备，对于井工开采下的掘进、采煤、运输、安控、救援设备及工作人员没有形成类似于地面上“全球定位***”的***。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有定位技术成本高，定位分散及不精确的不足，提供一种统一、高效、低成本的井工定位及通信***，类似“全球定位***”，实现井工各类装备及人员的定位及通信。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种井工定位、通信***，包括：地面监控中心、井下GPS基准点，定位通信机器人、轨道、定位标签、网络基站、能源动力站；地面监控中信通过无线通信的方式连接定位通信机器人，井下设备及人员的信息通过定位通信机器人及无线网络传输到地面监控中心，地面人员查询井下设备的运行信息及位置，通过定位通信机器人对井下所有设备进行远程的定位、远程遥控及信息传输，并对井下运行的多个定位通信机器人进行任务规划；所述井下GPS基准点，为全部的定位机器人提供初始全球地理位置基准点；所述定位通信机器人用于定位井下移动设备、人员及固定设备，根据井下工作设备的需求，提供高、中、低精度的定位信息，同时具有同设备及人员之间进行通信功能，该定位通信机器人在井下全部行走在轨道上；所述轨道架设在巷道中；所述网络基站布置在巷道中；所述能源动力站设置于轨道上指定位置，为定位通信机器人进行能源补充；网络基站设置于轨道上指定位置，为定位通信机器人提供与地面监控中心联络的无线通信网络；定位标签贴附于井下移动设备、人员及固定设备，与定位通信机器人通过无线通信方式建立连接以进行定位。

进一步地，定位通信机器人包括机器人本体、定位组件、主控模块、能源模块、位置检测组件以及无线通讯模块；所述定位组件、主控模块、能源模块、位置检测组件以及无线通讯模块均安装于所述机器人本体上；所述机器人本体上还设置了用于驱动机器行动的驱动轮组和支撑滑轮组，所述支撑滑轮组用于将机器人本体支撑在轨道上，驱动轮组用于驱动机器人本体在轨道上移动；所述无线通讯模块连接主控模块，用于与设备与设备之间、设备与网络基站进行信息通信，实现主控模块与设备及地面监控中心之间的信息交互；所述能源模块连接机器人本体、主控模块、检测组件以及无线通讯模块以进行能源供应。

进一步地，定位组件由高、中、低三种定位精度的传感器组成；高定位精度的传感器包括全站仪、惯性导航、激光雷达，用于为井下重要采掘、运输装备提供厘米级的定位；中定位精度的传感器包括毫米波雷达，用于为井下辅助采掘装备提供分米级的定位；低定位精度定位采用电磁波探测方式，定位组件中的发射器发射无线电波，安装有接收器的设备或工作人员接收到发射器的信号，并返回给发射器，确定固定设备及人员工作区域，为固定设备及人员提供米级的定位。

进一步地，驱动轮组包括驱动轮和驱动源，驱动源是电机或发动机，用于调节驱动轮的速度。

进一步地，位置检测组件为高速摄像机，高速摄像机拍摄轨道上的标签，确定机器人当前所在的位置。

进一步地，主控模块包括驱动源控制器、数据采集及存储单元和主运算器；其中驱动源控制器用于控制驱动元件工作；数据采集及存储单元用于将检测组件的位置信息进行采集并存储，通过主运算器的计算，确定定位机器人的位置，同时采集及存储已经通过定位的移动设备、固定设备的运行信息和位置信息，采集及存储人员的位置信息。

进一步地，无线通讯模块用于接收井下设备的运行信息、向网络基站传输井下设备的运行及位置信息、人员的位置信息，通过网络基站传输来自地面监控中心的命令，同时接收其他定位通信机器人的位置信息，防止轨道上行进的定位通信机器人发生碰撞。

进一步地，能源模块根据配置不同的驱动源来确定，采用电机驱动，能源模块包括可充电电池及电池管理***，将电池信息实时传递给主控模块，确定定位通信机器人的剩余行驶里程，进行电池充电管理，并监测电池电量情况，根据电池的剩余电量，判断是否需要到能源动力站处充电；采用发动机驱动，能源模块包括油箱、发电机、可充电电池及电池管理***，发动机驱动轮组的同时，带动发电机发电，发电机给电池充电，将油位信息通过油位传感器实时传递给主控模块，确定定位通信机器人的剩余行驶里程，根据剩余油量，判断是否需要到能源动力站处加油。

进一步地，轨道为一条，在固定位置处设置错车轨道，定位通信机器人通过错车轨道更换运动方向或者相互避车；轨道架设在巷道的顶部，进行巷道铺网锚护时同时安装轨道，在轨道上设置用于标记位置的标签，通过识别标签确定定位通信机器人在巷道中的位置。

进一步地，定位标签分为三类：一类高精度定位标签，是井下重要采掘、运输设备上使用的定位标签，定位精度为厘米级；一类中精度定位标签，是井下辅助采掘、运输设备上使用的定位标签，定位精度为分米级；一类是低精度定位标签，是井下固定设备和工作人员佩戴的接收器标签，定位精度为米级。所述定位通信机器人的位置确定后，通过安装在井下移动设备上的定位标签，可以确定井下移动设备的绝对位置和姿态，为移动设备提供精确的定位信息，可进一步的对井下移动设备的航向、姿态进行标定；定位通信机器人上的发射器一直发射无线电波，通过固定设备和井下工作人员佩戴的接收器标签的反馈，就可以确定它们的工作区域。

进一步地，需要高精度定位的井下移动设备包括：掘进机、采煤机、盾构机、掘锚机、连采机、锚杆机、探水钻孔机、防突钻孔机、防冲钻孔机、超前支架、搬运机、车场推车机、巷道清理机、井下防爆车辆、工作面巡检机、管道巡检机、自动排水机、密闭砌筑机、管道安装机、皮带巡检机、巷道巡检机等；需要中精度定位的井下移动设备包括：喷浆机、填充支护机、破碎机、煤仓清理机、水仓清理机、选矸机、巷道冲尘机、通风监测机、危险气体巡检机；需要低精度定位的井下固定设备包括：定位通信机器人定位的井下固定设备包括供电的主变压器、供配电开关柜、电缆、中央水泵房及采区水泵房的水泵、空压机、风机。

进一步地，轨道上布置多个定位通信机器人，不停的在轨道上快速移动，同时对上述不同工作面的设备、人员进行定位，并对设备的信息进行传输。

进一步地，定位通信机器人将定位组件更换为图像采集模块、危险气体检测模块、通风检测模块等，使它成为一个特定功能的机器人，运行在轨道上，实现对工作面和巷道的监测。

进一步地，进行设备及人员的定位信息一般在一定的时间内提供一次，特别是进行移动设备，定位标定一段时间内，设备可自行工作一段时间；定位通信机器人不是一直跟着一个设备在行走，根据安排和调度，自行在巷道内对多个设备及人员进行自动的定位。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明的井工的定位及信息传输***，类似地面上的全球定位***，建立了低成本的井工全面的定位及信息传输***，解决了目前只能针对单独设备的定位问题，定位通信机器人快速地穿梭在轨道上，可以高效的完成对井下各类设备及人员的定位并传输设备运行信息，同时对井下工作设备的信息进行采集传递。操作人员只需在远程操控中心控制，无需到现场检测，节省了人工。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是井工定位通信***示意图。

图2是掘进面定位通信图。

图3是轨道布置示意图。

图4是轨道示意图。

图5是定位通信机器人正视图。

图6是定位通信机器人侧视图。

1.设备标签 2.轨道 3.定位通信机器人 4.人员标签 5.巷道 2-1.错车轨道 2-2.主轨道 3-1.驱动轮 3-2.驱动电机 3-3.支撑轮 3-4.定位组件 3-5.能源模块 3-6.发射器 3-7.高速摄像机 3-8.机器人本体 3-9.主控模块 3-10.无线通信模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此外所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都将属于本发明保护的范围。

图1至图4所示，建立一种井工定位、通信***，包括地面监控中心、井下GPS基准点，定位通信机器人3、轨道2、设备标签1、人员标签4、网络基站、能源动力站；所述地面上设置监控中心，井下设备及人员的信息通过定位通信机器人3及网络传输到地面监控中心，地面人员可以查询井下设备的运行信息及位置，通过定位通信机器人3可以对井下所有设备进行远程的定位、远程遥控及信息传输，并对井下运行的多个定位通信机器人3进行任务规划；所述井下GPS基准点，为全部的定位通信机器人3提供初始全球地理位置基准点；所述定位通信机器人3能够定位井下移动设备、人员及固定设备，根据设备需求，提供高、中、低精度的定位信息；所述定位通信机器人3布置多个，全部行走在轨道2上；所述轨道2架设在巷道5中，轨道为一条钢轨，在固定位置处设置错车轨道2-1，定位通信机器人3通过错车轨道2-1更换运动方向或者相互避车。轨道2架设在巷道5的顶部，进行巷道铺网锚护时同时安装轨道，在轨道2上设置用于标记位置的定位标签，通过识别定位标签确定定位通信机器人3在巷道5中的位置；所述网络基站布置在巷道5中，网络基站之间通过有线或无线方式连接，网络基站与地面监控中心采用有线连接方式，保证信息及时高效的传输；所述能源动力站为定位通信机器人3进行能源补充。轨道2上布置多个定位通信机器人3，不停的在轨道2上快速移动，可以同时对上述不同工作面的设备、人员进行定位，并对设备的信息进行传输。

井工定位通信***进行设备及人员的定位信息一般在一定的时间内提供一次即可，特别是对于移动设备，定位标定一段时间内，设备可自行工作一段时间；定位通信机器人不是一直跟着一个设备在行走，根据安排和调度，自行在巷道内对多个设备及人员进行自动的定位。

定位标签分为三类：一类高精度定位标签，是井下重要采掘、运输设备上使用的定位标签，定位精度为厘米级；一类中精度定位标签，是井下辅助采掘、运输设备上使用的定位标签，定位精度为分米级；一类是低精度定位标签，是井下固定设备和工作人员佩戴的接收器标签，定位精度为米级。所述定位通信机器人的位置确定后，通过安装在井下移动设备上的定位标签，可以确定井下移动设备的绝对位置和姿态，为移动设备提供精确的定位信息，可进一步的对井下移动设备的航向、姿态进行标定。定位通信机器人上的发射器一直发射无线电波，通过固定设备和井下工作人员佩戴的接收器标签的反馈，就可以确定它们的工作区域。

上述高精度定位的井下移动设备包括：掘进机、采煤机、盾构机、掘锚机、连采机、锚杆机、探水钻孔机、防突钻孔机、防冲钻孔机、超前支架、搬运机、车场推车机、巷道清理机、井下防爆车辆、工作面巡检机、管道巡检机、自动排水机、密闭砌筑机、管道安装机、皮带巡检机、巷道巡检机等；需要中精度定位的井下移动设备包括：喷浆机、填充支护机、破碎机、煤仓清理机、水仓清理机、选矸机、巷道冲尘机、通风监测机、危险气体巡检机等；需要低精度定位的井下固定设备包括：定位通信机器人定位的井下固定设备包括供电的主变压器、供配电开关柜、电缆、中央水泵房及采区水泵房的水泵、空压机、风机等。

以掘进工作面为例，定位通信机器人可以测量掘进机的绝对位置和姿态。定位通信机器人可以在轨道上移动，通过无线通讯模块连接掘进机控制器组件，两者之间进行信息通信，完成定位通信机器人数据和掘进机数据的交互。在轨道上已经设置了用于标记位置的标签，通过识别标签可以确定定位通信机器人在巷道中的位置。定位通信机器人位置确定后，通过定位通信机器人上的自动全站仪和安装在掘进机机身上的棱镜组标签，可以确定掘进机的绝对位置和姿态，并发送给掘进机的控制器组件，掘进机控制器组件利用全站仪测量的掘进机位置和姿态，对掘进机的导航组件进行标定，保证掘进机导航组件的精度，最终保证掘进机运行时的航向和姿态精度。同样的定位过程也适用于井下其他的移动设备。

井下人员的定位，定位通信机器人可以在轨道上移动，在轨道上已经设置了用于标记位置的标签，通过识别标签可以确定定位通信机器人在巷道中的位置。定位通信机器人上的发射器一直发射无线电波，接收井下工作人员佩戴的接收器标签的反馈，定位通信机器人位置确定后，就可以确定井下工作人员的工作区域。同样的定位过程也适用于井下固定设备。

图5和图6所示，定位通信机器人主要包括，两个驱动轮3-1、驱动源3-2、四个支撑轮3-3、定位组件3-4、能源模块3-5、发射器3-6、高速相机3-7、机器人本体3-8、主控器模块3-9、无线模块3-10。两个驱动轮3-1、驱动电机3-2、四个支撑轮3-3、定位组件3-4、能源模块3-5、发射器3-6、高速相机3-7、主控器模块3-9、无线模块3-10固定在机器人本体3-8上。定位组件3-4采用自动全站仪，也可以采用惯性导航、激光雷达、毫米波雷达等传感器。行走轨道2为工字型，四个支撑轮3-3将机器人本体3-8挂在轨道上，并且可以沿着轨道2滚动。对称分布的两个驱动轮3-1与轨道2紧密的贴合，依靠两者的摩擦力，两个驱动轮3-1通过驱动电机3-2带动定位通信机器人在轨道2上行走。

轨道2的下表面安装位置标识，高速相机3-7拍摄位置标识传输给主控器模块3-9，主控器计算定位通信机器人的位置。驱动源3-2采用电机方式，能源模块3-5采用动力电池，为驱动源3-2、发射器3-6、高速相机3-7、主控器模块3-9、无线模块3-10提供工作电源；能源模块3-5包括可充电电池及电池管理***，将电池信息实时传递给主控器模块3-9，确定定位通信机器人的剩余行驶里程，进行电池充电管理，并监测电池电量情况。电池电量达到设定的下限值时，主控器模块3-9发出指令，使定位通信机器人运行回能源动力站进行充电。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明的井工的定位及信息传输***，类似地面上的全球定位***，建立了井工全面的定位及信息传输***，解决了目前针对单独设备的定位问题，定位通信机器人快速地穿梭在轨道上，可以高效的完成对井下各类设备及人员的定位，同时对井下工作设备的信息进行采集传递。本发明可以高效的完成对井下各类设备及人员的定位，同时对井下工作设备的信息进行采集传递，操作人员在远程操控中心控制，可以了解所有设备及人员的运行状态，是实现井工自动化开采的基础。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种井工定位及通信***，其特征在于，整个***包括：地面监控中心、井下GPS基准点，定位通信机器人、轨道、定位标签、网络基站、能源动力站；地面监控中信通过无线通信的方式连接定位通信机器人，井下设备及人员的信息通过定位通信机器人及无线网络传输到地面监控中心，地面人员查询井下设备的运行信息及位置，通过定位通信机器人对井下所有设备进行远程的定位、远程遥控及信息传输，并对井下运行的多个定位通信机器人进行任务规划；所述井下GPS基准点，为全部的定位机器人提供初始全球地理位置基准点；所述定位通信机器人用于定位井下移动设备、人员及固定设备，根据井下工作设备的需求，提供高、中、低精度的定位信息，同时具有同设备及人员之间进行通信功能，该定位通信机器人在井下全部行走在轨道上；所述轨道架设在巷道中；所述网络基站布置在巷道中；所述能源动力站设置于轨道上指定位置，为定位通信机器人进行能源补充；网络基站设置于轨道上指定位置，为定位通信机器人提供与地面监控中心联络的无线通信网络；定位标签贴附于井下移动设备、人员及固定设备，与定位通信机器人通过无线通信方式建立连接以进行定位。

2.根据权利要求1所述的一种井工定位及通信***，其特征在于，所述定位通信机器人包括机器人本体、定位组件、主控模块、能源模块、位置检测组件以及无线通讯模块；所述定位组件、主控模块、能源模块、位置检测组件以及无线通讯模块均安装于所述机器人本体上；所述机器人本体上还设置了用于驱动机器行动的驱动轮组和支撑滑轮组，所述支撑滑轮组用于将机器人本体支撑在轨道上，驱动轮组用于驱动机器人本体在轨道上移动；所述无线通讯模块连接主控模块，用于与设备与设备之间、设备与网络基站进行信息通信，实现主控模块与设备及地面监控中心之间的信息交互；所述能源模块连接机器人本体、主控模块、检测组件以及无线通讯模块以进行能源供应；所述定位通信机器人将定位组件更换为图像采集模块、危险气体检测模块、通风检测模块，使它成为一个特定功能的机器人，运行在轨道上，实现对工作面和巷道的监测。

3.根据权利要求2所述的一种井工定位及通信***，其特征在于，所述定位组件由高、中、低三种定位精度的传感器组成；高定位精度的传感器包括全站仪、惯性导航、激光雷达，用于为井下重要采掘、运输装备提供厘米级的定位；中定位精度的传感器包括毫米波雷达，用于为井下辅助采掘装备提供分米级的定位；低定位精度定位采用电磁波探测方式，定位组件中的发射器发射无线电波，安装有接收器的设备或工作人员接收到发射器的信号，并返回给发射器，确定固定设备及人员工作区域，为固定设备及人员提供米级的定位。

4.根据权利要求2所述的一种井工定位及通信***，其特征在于，所述驱动轮组包括驱动轮和驱动源，驱动源是电机或发动机，用于调节驱动轮的速度。

5.根据权利要求2所述的一种井工定位及通信***，其特征在于，所述位置检测组件为高速摄像机，高速摄像机拍摄轨道上的标签，确定机器人当前所在的位置。

6.根据权利要求4所述的一种井工定位及通信***，其特征在于，主控模块包括驱动源控制器、数据采集及存储单元和主运算器；其中驱动源控制器用于控制驱动元件工作；数据采集及存储单元用于将检测组件的位置信息进行采集并存储，通过主运算器的计算，确定定位机器人的位置，同时采集及存储已经通过定位的移动设备、固定设备的运行信息和位置信息，采集及存储人员的位置信息。

7.根据权利要求2所述的一种井工定位及通信***，其特征在于，所述无线通讯模块用于接收井下设备的运行信息、向网络基站传输井下设备的运行及位置信息、人员的位置信息，通过网络基站传输来自地面监控中心的命令，同时接收其他定位通信机器人的位置信息，防止轨道上行进的定位通信机器人发生碰撞。

8.根据权利要求4所述的一种井工定位及通信***，其特征在于，所述能源模块根据配置不同的驱动源来确定，采用电机驱动，能源模块包括可充电电池及电池管理***，将电池信息实时传递给主控模块，确定定位通信机器人的剩余行驶里程，进行电池充电管理，并监测电池电量情况，根据电池的剩余电量，判断是否需要到能源动力站处充电；采用发动机驱动，能源模块包括油箱、发电机、可充电电池及电池管理***，发动机驱动轮组的同时，带动发电机发电，发电机给电池充电，将油位信息通过油位传感器实时传递给主控模块，确定定位通信机器人的剩余行驶里程，根据剩余油量，判断是否需要到能源动力站处加油。

9.根据权利要求1所述的一种井工定位及通信***，其特征在于，所述轨道为一条，在固定位置处设置错车轨道，定位通信机器人通过错车轨道更换运动方向或者相互避车；轨道架设在巷道的顶部，进行巷道铺网锚护时同时安装轨道，在轨道上设置用于标记位置的标签，通过识别标签确定定位通信机器人在巷道中的位置；所述轨道上布置多个定位通信机器人，不停的在轨道上快速移动，同时对上述不同工作面的设备、人员进行定位，并对设备的信息进行传输；其中，所述定位标签分为三类：一类高精度定位标签，是井下重要采掘、运输设备上使用的定位标签，定位精度为厘米级；一类中精度定位标签，是井下辅助采掘、运输设备上使用的定位标签，定位精度为分米级；一类是低精度定位标签，是井下固定设备和工作人员佩戴的接收器标签，定位精度为米级；

所述定位通信机器人的位置确定后，通过安装在井下移动设备上的定位标签，可以确定井下移动设备的绝对位置和姿态，为移动设备提供精确的定位信息，可进一步的对井下移动设备的航向、姿态进行标定；定位通信机器人上的发射器一直发射无线电波，通过固定设备和井下工作人员佩戴的接收器标签的反馈，就可以确定它们的工作区域；进行设备及人员的定位信息一般在一定的时间内提供一次，特别是进行移动设备，定位标定一段时间内，设备可自行工作一段时间；定位通信机器人不是一直跟着一个设备在行走，根据安排和调度，自行在巷道内对多个设备及人员进行自动的定位。

10.根据权利要求9所述的一种井工定位及通信***，其特征在于，所述需要高精度定位的井下移动设备包括：掘进机、采煤机、盾构机、掘锚机、连采机、锚杆机、探水钻孔机、防突钻孔机、防冲钻孔机、超前支架、搬运机、车场推车机、巷道清理机、井下防爆车辆、工作面巡检机、管道巡检机、自动排水机、密闭砌筑机、管道安装机、皮带巡检机、巷道巡检机等；需要中精度定位的井下移动设备包括：喷浆机、填充支护机、破碎机、煤仓清理机、水仓清理机、选矸机、巷道冲尘机、通风监测机、危险气体巡检机；需要低精度定位的井下固定设备包括：定位通信机器人定位的井下固定设备包括供电的主变压器、供配电开关柜、电缆、中央水泵房及采区水泵房的水泵、空压机、风机。

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