第十三届“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛
2022
国赛
课外学术科技作品竞赛（主体赛）
三等奖
未转化
否
一、项目背景与目标 煤矿、金属矿等井下环境复杂多变，瓦斯泄漏、坍塌、火灾等事故频发，传统人工巡检与救援方式效率低、风险高。本项目旨在研发一款集成多传感器信息融合技术的智能机器人，实现井下环境的自主巡检与应急救援一体化，提升矿山安全生产水平。具体目标包括： 1. **环境感知与风险预警**：实时监测井下气体浓度、温湿度、结构稳定性等参数，提前发现安全隐患； 2. **高效救援能力**：在事故发生时快速定位被困人员，执行生命体征检测、路径规划及物资输送等任务； 3. **一体化设计**：通过模块化架构实现巡检与救援功能的灵活切换，降低设备部署成本。 #### 二、核心技术方案 1. **多传感器信息融合系统** - **传感器配置**：集成激光雷达（LiDAR）、近红外相机、气相微色谱分析仪、惯性测量单元（IMU）、热成像仪等。其中，气相微色谱分析仪可高精度检测CO、CH₄等危险气体，第四代产品精度提升30%且功耗降低50%； - **融合算法**：采用扩展卡尔曼滤波（EKF）、神经网络等算法，实现多源数据的时空对齐与特征互补。例如，激光SLAM与视觉里程计结合，优化井下巷道特征分类，提升定位精度至0.25米以内； - **边缘计算**：搭载昇腾AI芯片，在本地完成数据预处理与实时决策，减少云端传输延迟，支持16路高清视频并行分析。 2. **自主导航与定位技术** - **混合定位方案**：结合超宽带（UWB）与激光雷达融合的LIU-SLAM算法，解决井下无GPS环境下的定位难题，静态定位精度达0.1米，动态场景下误差小于0.25米； - **地形自适应运动**：采用履带式底盘+辅助机械臂设计，可跨越0.5米壕沟、攀爬30°陡坡，并通过蝙蝠仿生结构优化越障稳定性。 3. **通信与协同控制** - **5G+LoRa双链路通信**：5G网络实现高清视频实时回传（时延<20ms），LoRa保障长距离低功耗数据传输，覆盖范围达2公里； - **数字孪生中台**：构建井下三维地图，结合实时传感器数据实现虚实联动，支持远程操控与路径预演。 #### 三、应用场景与功能模块 1. **日常巡检** - **设备状态监测**：通过红外热成像检测机电设备温度异常，AI算法识别皮带机托辊磨损、线缆老化等问题，准确率超99%； - **环境参数采集**：每10秒更新一次瓦斯浓度、粉尘含量等数据，异常时自动触发多级预警（声光+云端推送）。 2. **应急救援** - **人员定位与生命探测**：热成像仪穿透烟雾识别被困人员，生命体征传感器检测心率、呼吸频率，定位精度达0.5米； - **高温环境作业**：采用耐高温材料（耐受120℃）与冰袋物理降温系统，在梁宝寺煤矿火灾救援中成功深入550米高温区域； - **物资输送与破障**：机械臂可搬运30kg救援物资，配备液压破拆工具应对坍塌障碍物。 #### 四、创新点与技术优势 1. **多模态感知与决策** - 融合视觉、激光、气体、惯性等多源数据，构建井下环境的“数字孪生”模型，实现全场景无死角监测； - 引入大模型技术（如DeepSeek）优化路径规划，响应时间缩短至秒级，复杂地形通过率提升40%。 2. **一体化设计与模块化扩展** - 巡检与救援功能通过软件定义灵活切换，硬件接口标准化支持快速搭载机械臂、灭火装置等外设； - 采用矿鸿操作系统实现跨设备协同，采煤机、液压支架等可根据机器人预警自动调整运行参数。 3. **可靠性与安全性** - 防爆设计符合ATEX认证，关键部件冗余备份（如双电源、双通信模块），系统MTBF（平均无故障时间）超1000小时； - 端到端加密通信与自修复机制，保障数据安全与系统稳定性。 #### 五、预期成果与效益 1. **安全效益** - 减少井下高危区域人工介入，预计降低事故伤亡率70%以上； - 实时预警系统可将瓦斯超限响应时间从30分钟缩短至30秒。 2. **经济效益** - 替代67名巡检人员，年节约人力成本约723万元（以山西华阳集团测试数据为例）； - 设备故障率下降50%，维修成本降低30%。 3. **社会效益** - 推动矿山智能化升级，助力“无人矿山”目标实现； - 技术可扩展至隧道、地下管廊等场景，具有广泛推广价值。 #### 六、技术验证与实施计划 1. **实验室测试** - 完成多传感器融合算法验证，SLAM定位精度达0.2米，气体检测误差<2%。 2. **模拟巷道试验** - 在1:1矿井模型中测试，机器人自主导航覆盖率超95%，高温（80℃）环境下连续作业4小时。 3. **商业化部署** - 2025年完成首批50台设备交付，覆盖5个重点矿区； - 2026年实现全流程自动化（巡检-预警-救援），单班作业人员减少60%。 #### 七、总结 本项目通过多传感器信息融合与智能化技术，构建了井下安全的“智能屏障”。其核心价值在于以机器换人、以数据赋能**，既提升了救援效率与安全性，又为矿山降本增效提供了创新路径。未来将进一步探索AI大模型与具身智能的深度融合，推动井下机器人从“功能实现”向“自主决策”升级。
暂无
暂未公开
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