技術成果介紹：
本項目以無人機為載體，搭載傳感器實現(xiàn)礦山井下自主SLAM、避障和導航，實現(xiàn)無人機的自主巡檢。礦山井下為無GPS定位環(huán)境，而且充滿粉塵、無光照，地面凹凸不平，工作環(huán)境動態(tài)變化快，基于視覺的SLAM或者光流等直接失效，而且基于其他無線電或者節(jié)點等定位方式成本較高，而且可擴展性較差。本項目依據(jù)低成本的360度單線激光雷達和直線激光測距儀的SLAM定位和導航，實現(xiàn)無人機在礦山井下的自主定位與導航避障，依靠其搭載的低功耗的嵌入式電腦實時分析航行任務以及航行路線上的靜態(tài)以及動態(tài)障礙物，達到智能化的任務模式。機載的巡檢傳感器在飛行過程中記錄周圍各技術參數(shù)，待飛行任務完成后導入上位機，基于故障分析算法輕松應對大量巡檢數(shù)據(jù)，而且故障識別錯誤遠遠低于人工目測經(jīng)驗。此平臺具有操作方便、巡檢效率高、擴展性強等優(yōu)點。
主要技術指標及優(yōu)勢：
主要技術指標：
在井工煤礦地下環(huán)境，無人操作，自主飛行到達預設的地點，自主避免與人和設備碰撞；
1. 無GPS自主定位，里程誤差30cm；
2. 自主避障距離：3m范圍，躲避直徑50cm的障礙物；
3. 自主避障反應時間：3m范圍，動態(tài)避障響應時間＜200ms；
4. 自主飛行速度：3m/s；
5. 續(xù)航3km，飛行時間25min。
主要優(yōu)勢：
已有長期的研究基礎，并形成大量技術成果積累。以建設國內(nèi)外一流的智能無人系統(tǒng)開發(fā)平臺為目標，現(xiàn)已建立無人機自主導航測試平臺、控制硬件仿真平臺、無人系統(tǒng)的各類算法仿真平臺等等。已研制的無人機綜合飛行測控平臺，如下圖所示。平臺包括支持上、下行遙測遙控無線傳輸鏈路的特殊定制飛控板、通用載荷平臺和通用碰撞防護支撐平臺。開發(fā)穩(wěn)定的室內(nèi)無GPS自主導航定位方案。通過機載激光雷達傳感器和IMU組建的慣導系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機在無GPS或GPS中斷環(huán)境下的自主導航定位，該系統(tǒng)自主定位算法，分為以下兩個部分：
1）測量過程：提取環(huán)境建筑或巷道穩(wěn)定特征，對IMU數(shù)據(jù)進行預積分。
2）初始化及激光慣導融合：通過激光雷達測量周圍環(huán)境特征構建點云信息，解算出無人機的位置變換矩陣，再結合IMU預積分得到尺度等參數(shù)的初始估計。整體方案如下圖所示：
本方案提出的自主飛行無人機平臺，整體系統(tǒng)可以分為飛控模塊、機載處理器模塊、傳感器、通信鏈路模塊，以及地面站、遙控器等外部設備。無人機系統(tǒng)包括飛控、機載電腦和傳感器，傳感器通過USB串口數(shù)傳方式連接在機載電腦，機載電腦收集傳感器數(shù)據(jù)進行算法層面應用處理，機載電腦基于Linux系統(tǒng)下的ROS環(huán)境，以節(jié)點的方式發(fā)布話題供飛控訂閱。飛控端與機載電腦采用MavLink協(xié)議通信，并反饋無人機的狀態(tài)給機載電腦，使其做出下一步控制命令的調(diào)整。
知識產(chǎn)權：
專利名稱：無人機某設備及存儲介質(zhì)，申請?zhí)枺?01710*3.2
專利名稱：無人機某設備及存儲介質(zhì)，申請?zhí)枺?0171060.4
專利名稱：無人某方法、裝置、無人機及存儲介質(zhì)，申請?zhí)枺?0171068.2
專利名稱：無人機導航方法、某存儲介質(zhì)，申請?zhí)枺?0171068.6
專利名稱：無人機的目標跟蹤方法、某存儲介質(zhì)，申請?zhí)枺?0171074.7
專利名稱：基于某無人機姿態(tài)解算算法，申請?zhí)枺?0181131.3
專利名稱：基于某光流相融合的障礙物檢測，申請?zhí)枺?0191014.0
專利名稱：紅外視覺和某組合的生命搜索策略，申請?zhí)枺?0191017.0
專利名稱：一種某人機交互系統(tǒng)及方法，申請?zhí)枺?019101*5.4
主要應用領域：
該礦山巡檢無人機主要應用在礦井下，實現(xiàn)對礦井中運輸機器軌道的斷痕、異物的檢測，并反饋位置。
市場經(jīng)濟效益及需求預測：
國家煤監(jiān)局公布《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》，第一次明確提出，聚焦關鍵崗位、危險崗位，重點研發(fā)應用掘進、采煤、運輸、安控和救援五大類、38種煤礦機器人。無人機作為空中特種機器人，具有體積小、靈活性高、可靠性高等特點，搭載高清攝像頭，應用于復雜的礦井中巡檢，其效率比地面機器人更高、避障及路徑規(guī)劃能力更強。
產(chǎn)業(yè)化需求及生產(chǎn)條件：
1. 生產(chǎn)條件
無人機零部件設計及生產(chǎn)，無人機架，傳感器擴展架，保護外殼等配件，滿足材料強度大和質(zhì)量輕要求，保證無人機飛行安全性和整體結構性能最優(yōu)。無人機軟件開發(fā)，涉及自主導航定位算法、避障算法以及路徑規(guī)劃算法等軟件系統(tǒng)開發(fā)，保證無人機飛行安全性及在特定環(huán)境的魯棒性。
設備
無人機測試場地，新搭建150平方米檢驗測試場地，配置VICON高精度動作捕捉系統(tǒng)，實時監(jiān)測無人機飛行狀態(tài)及精度，以便調(diào)整優(yōu)化無人機各項參數(shù)設置。新建場地四周和頂部搭建防撞網(wǎng)，累計加裝300平方米防護網(wǎng)，保障測試人員安全。
資金
無人機零部件材料費用，包括無人機碳纖維機架、飛控、電機電調(diào)電池等動力裝置、雙目視覺攝像頭和激光雷達等傳感器、機載CPU處理器以及線材等購置費用，共2萬元。開發(fā)管理費用，包括試驗場地管理費、系統(tǒng)軟件開發(fā)設計費、結構設計費、辦公設施購置費等，共50萬元。
技術成果介紹：
本項目以無人機為載體，搭載傳感器實現(xiàn)礦山井下自主SLAM、避障和導航，實現(xiàn)無人機的自主巡檢。礦山井下為無GPS定位環(huán)境，而且充滿粉塵、無光照，地面凹凸不平，工作環(huán)境動態(tài)變化快，基于視覺的SLAM或
者光流等直接失效，而且基于其他無線電或者節(jié)點等定位方式成本較高，而且可擴展性較差。本項目依據(jù)低成
本的360度單線激光雷達和直線激光測距儀的SLAM定位和導航，實現(xiàn)無人機在礦山井下的自主定位與導航避
障，依靠其搭載的低功耗的嵌入式電腦實時分析航行任務以及航行路線上的靜態(tài)以及動態(tài)障礙物達到智能化的
任務模式。機載的巡檢傳感器在飛行過程中記錄周圍各技術參數(shù)，待飛行任務完成后導入上位機，基于故障分
析算法輕松應對大量巡檢數(shù)據(jù)，而且故障識別錯誤遠遠低于人工目測經(jīng)驗。此平臺具有操作方便、巡檢效率
高、擴展性強等優(yōu)點。
主要技術指標及優(yōu)勢：
主要技術指標：
在井工煤礦地下環(huán)境，無人操作，自主飛行到達預設的地點，自主避免與人和設備碰撞；
1.無 GPS自主定位，里程誤差30cm；
2.自主避障距離：3m范圍，躲避直徑50cm的障礙物；
3.自主避障反應時間：3m范圍，動態(tài)避障響應時間＜200ms；
4.自主飛行速度：3m/s；
5.續(xù)航3km，飛行時間25min。
主要優(yōu)勢：
已有長期的研究基礎，并形成大量技術成果積累。以建設國內(nèi)外一流的智能無人系統(tǒng)開發(fā)平臺為目標，
現(xiàn)已建立無人機自主導航測試平臺、控制硬件仿真平臺、無人系統(tǒng)的各類算法仿真平臺等等。已研制的無人機綜合飛行測控平臺，如下圖所示。平臺包括支持上、下行遙測遙控無線傳輸鏈路的特殊定制飛控板、通用載荷
荷載平臺和通用碰撞防護支撐平臺。
開發(fā)穩(wěn)定的室內(nèi)無GPS自主導航定位方案。通過機載激光雷達傳感器和IMU組建的慣導系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機在無GPS或GPS中斷環(huán)境下的自主導航定位，該系統(tǒng)自主定位算法，分為以下兩個部分：
1）測量過程：提取環(huán)境建筑或巷道穩(wěn)定特征，對IMU數(shù)據(jù)進行預積分。
2）初始化及激光慣導融合：通過激光雷達測量周圍環(huán)境特
征構建點云信息，解算出無人機的位置變換矩陣，再結合IMU預積分得到尺度等參數(shù)的初始估計。整體方案如下圖所示：
本方案提出的自主飛行無人機平臺，整體系統(tǒng)可以分為飛控模塊、機載處理器模塊、傳感器、通信鏈路模塊，以及地面站、遙控器等外部設備。
無人機系統(tǒng)包括飛控、機載電腦和傳感器，傳感器通過USB串口數(shù)傳方式連接在機載電腦，機載電腦收集傳感器數(shù)據(jù)進行算法層面應用處理，機載電腦基于Linux系統(tǒng)下的ROS環(huán)境，以節(jié)點的方式發(fā)布話題供飛控訂
閱。飛控端與機載電腦采用MavLink協(xié)議通信，并反饋無人機的狀態(tài)給機載電腦，使其做出下一步控制命令的調(diào)整。
知識產(chǎn)權：
專利名稱：無人機某設備及存儲介質(zhì)，申請?zhí)枺?01710****3.2
專利名稱：無人機某設備及存儲介質(zhì)，申請?zhí)枺?017106****0.4
專利名稱：無人某方法、裝置、無人機及存儲介質(zhì)，申請?zhí)枺?017106****8.2
專利名稱：無人機導航方法、某存儲介質(zhì)，申請?zhí)枺?017106****8.6
專利名稱：無人機的目標跟蹤方法、某存儲介質(zhì)， 申請?zhí)枺?017107****4.7
專利名稱：基于某無人機姿態(tài)解算算法，申請?zhí)枺?018113****1.3
專利名稱：基于某光流相融合的障礙物檢測，申請?zhí)枺?019101****4.0
專利名稱：紅外視覺和某組合的生命搜索策略，申請?zhí)枺?019101****7.0
專利名稱：一種某人機交互系統(tǒng)及方法，申請?zhí)枺?019101****5.4
主要應用領域：該礦山巡檢無人機主要應用在礦井下，實現(xiàn)對礦井中運輸機器軌道的斷痕、異物的檢測，并反饋位置。
市場經(jīng)濟效益及需求預測：
國家煤監(jiān)局公布《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》，第一次明確提出，聚焦關鍵崗位、危險崗位，重點研發(fā)應
用掘進、采煤、運輸、安控和救援五大類、38種煤礦機器人。無人機作為空中特種機器人，具有體積小、靈活
性高、可靠性高等特點，搭載高清攝像頭，應用于復雜的礦井中巡檢，其效率比地面機器人更高、避障及路徑
產(chǎn)業(yè)化需求及生產(chǎn)條件：
1. 生產(chǎn)條件
無人機零部件設計及生產(chǎn)，無人機架，傳感器擴展架，保護外殼等配件，滿足材料強度大和質(zhì)量輕要求，
保證無人機飛行安全性和整體結構性能最優(yōu)。無人機軟件開發(fā)，涉及自主導航定位算法、避障算法以及路徑規(guī)
劃算法等軟件系統(tǒng)開發(fā)，保證無人機飛行安全性及在特定環(huán)境的魯棒性。
2. 設備
無人機測試場地，新搭建150平方米檢驗測試場地，配置VICON高精度動作捕捉系統(tǒng)，實時監(jiān)測無人機飛
行狀態(tài)及精度，以便調(diào)整優(yōu)化無人機各項參數(shù)設置。新建場地四周和頂部搭建防撞網(wǎng)，累計加裝300平方米防護
網(wǎng)，保障測試人員安全。
3. 資金
無人機零部件材料費用，包括無人機碳纖維機架、飛控、電機電調(diào)電池等動力裝置、雙目視覺攝像頭和激
光雷達等傳感器、機載CPU處理器以及線材等購置費用，共 2萬元。
開發(fā)管理費用，包括試驗場地管理費、系統(tǒng)軟件開發(fā)設計費、結構設計費、辦公設施購置費等，共50萬元。
周教授
