地下采矿环境下的先进无人机系统开发

引言

地下矿井等环境面临着独特挑战，尤其是无GNSS信号覆盖与远程操作困难。为了确保采矿活动的高效与安全性，构建强大的车载导航系统（包括定位、测绘与运动规划）对于实现完全自主操作至关重要。本文介绍了一种创新的系留无人机（TUAV）开发项目，作为全面自主机器人系统的一部分，旨在为地下石矿支柱结构完整性提供预警信号。

系统构成

该系统由无人驾驶地面车辆（UGV）与名为“Oxpecker”的TUAV组成。UGV装备有黄色和蓝色的移动机器人，而“Oxpecker”则是一种系留无人机，具备携带测绘与测量传感器的能力，包括激光雷达和摄像头，且能精确降落在UGV上。

无人机任务要求

• 自主操作：无人机需能在无人干预下连续运行数小时。
• 携带传感器：具备携带测绘和测量传感器的能力，支持数据收集。
• 精准着陆：在从一个支柱移动至下一个支柱前，无人机需精确降落在UGV上。

设计与挑战

为了满足上述需求，研究团队设计了： - 系绳驱动的四旋翼飞行器，确保携带足够重量的定位和3D映射传感器。 - 系留系统，管理电缆释放与回收，通过测量关键变量（如系绳角度与长度）辅助无人机定位与着陆。 - 自调平着陆平台，补偿地面车辆的滚动与俯仰，确保无人机安全降落。

系统组成与工作原理

无人机与网络共享系统上的传感器监测系绳参数，包括编码器与系绳角度传感器。定制3D打印传感器与商用操纵杆设备共同作用，实现精准角度测量。

系留系统细节

• 电缆管理系统，根据测量的张力调节系绳卷动，控制张力。
• 张力仪，测量系绳张力。
• 双系绳角度传感器，监测系绳在两端的位置变化。

自调平平台

利用三轴加速度计与线性执行器调整平台姿态，确保无人机平稳着陆，即使在不平整地形或斜坡上也能保持稳定。

自主框架与应用

开发了一组ROS节点控制无人机操作，实现与UGV系统之间的协同工作。实验在宾夕法尼亚州匹兹堡的国家职业安全与健康研究所进行，展示了在复杂环境下的测绘能力。

实验与结果

实验展示了无人机在地下环境中收集数据并生成地图的能力，特别关注于柱子结构的精确测绘。实际应用测试计划在真实石灰石矿中进行，以进一步验证系统的性能与稳定性。

未来展望

未来研究将侧重于增强定位系统，集成到Oxpecker的微控制器中，提升系统在低光条件下的适应性与可靠性，以支持更广泛的采矿应用。

结论

本文介绍的系留无人机系统，结合了先进导航技术与自动化控制，显著提升了地下矿井作业的安全性与效率。随着技术的持续发展与优化，该系统有望在未来的采矿作业中发挥重要作用。