一种智能石油勘探机器人系统及其石油勘探方法

摘要

本发明公开了一种智能石油勘探机器人系统及其石油勘探方法，属于石油智能勘探领域，包括勘探机器人和遥控监测中心，所述勘探机器人包括自主导航模组、机械臂、信息传输模块和能源驱动模块；能实现恶劣环境下的自主侦查与智能勘探采样，智能采集及分配机器人能源，提高续航范围和勘探效率，并能够在勘探过程中自主巡逻安防，节省安防成本。

说明书

技术领域

本发明属于石油智能勘探领域，尤其涉及的是一种智能石油勘探机器人系统及其石油勘探方法。

背景技术

油气等矿物能源是国家发展的基石，因此石油相关技术产业具有很大的发展空间。石油产业作为我国经济增长的一大动力，发挥着不可替代的作用。同时，我国经济总体规模较大，机器人拥有量和技术水平低。随着人工智能时代及工业4.0的来临，各行业对机器人的需求数量也逐步增长。但现有石油机器人行业存在勘探设备资源浪费，功能单一，场地安防监控投入成本高等问题，难以满足体制改革中日益增长的勘探自动化需求。

而现阶段对石油行业机器人的研究多局限于钻杆连接、导管架安装、水下开阀关阀、钻井等，针对石油勘探开发领域的研究内容较为匮乏。①在进行正式石油开采任务之前，石油勘探人员需要亲身在野外进行实践，这就产生了很高的人力成本，且石油地质行业危险程度高、意外发生几率大，对油气的勘探业发展造成了很大阻力。②在勘探采样设备方面，由于设备集成度低且操作复杂，据统计只有13％的勘探人员可以借助勘探设备进行准确作业，且具备丰富勘探经验的专家资源有限，难于对多处资源进行人工勘探，常常导致获得样品不理想或勘探设备的损坏。③由于利益驱使，石油盗窃日益猖獗，但油气自动化安保的研发空白，使得油田安保需要投入大量的人力物力成本，造成严重的资源浪费。

尤其是，石油地质行业的工作环境通常较为恶劣，常位于戈壁滩或沙漠中，当今市场上却缺乏可以在资源欠缺区域仍能够正常使用的石油勘探装置，难于解决设备能源不足，采样勘探效率低下的问题。

发明内容

本发明为了解决现有石油机器人无法实现恶劣环境下的地质勘探问题，本发明提供一种智能石油勘探机器人系统及其石油勘探方法，能实现恶劣环境下的自主侦查与智能勘探采样，智能采集及分配机器人能源，提高续航范围和勘探效率，并能够在勘探过程中自主巡逻安防，节省安防成本。

本发明提供的技术方案如下：

一种智能石油勘探机器人系统，其中，包括勘探机器人和遥控监测中心，所述勘探机器人包括自主导航模组、机械臂、信息传输模块和能源驱动模块；

所述自主导航控制模块包括采集环境信息的环境传感器和即时定位与地图构建(简称SLAM)组件，所述自主导航控制模块能够控制勘探机器人自主进行石油勘探的先遣侦查与返程导航；所述机械臂包括采样机构、采样控制模块和关节驱动电机，所述机械臂能够通过采样控制模块控制关节驱动电机的输出功率，驱动采样机构的夹持关节转动来抓取样本；所述能源驱动模块包括太阳能电池模组和驱动底盘，太阳能电池模组与驱动底盘供电连接，所述驱动底盘通过驱动控制模块控制行进驱动电机输出功率驱动勘探机器人运动；所述遥控监测中心设置有遥感机械手套，所述遥感机械手套通过信息传输模块与机械臂通讯连接，所述遥感机械手套内设置有体感传感器，能够采集人体手臂动作信息并传输至勘探机器人。

优选的，所述自主导航模组通过环境传感器获取并跟踪勘探机器人位姿，通过SLAM组件处理获得勘探机器人预走路线角度，SLAM 组件利用路径跟踪算法对机器人预走路线进行跟踪。所述位姿优选包括勘探机器人的当前位置、转弯姿态以及运动速度。

所述SLAM组件优选利用GPS定位勘探机器人路径航向，并依据实时动态差分定位(简称RTK)获得厘米级定位精度，用于勘探机器人自主导航。

更优选的，SLAM组件包括树莓派嵌入式模块、Ubuntu模块和机器人操作系统(简称ROS)，ROS安装移植于Ubuntu模块中并嵌入树莓派嵌入式模块。

优选的，在所述机械臂中，所述采样机构包括具有若干机械指的机械手，机械指和机械手的手掌内设置有超声传感器和压力传感器。

进一步，在所述能源驱动模块中，所述驱动底盘包括框架式车架、双排履带和行进驱动电机。

进一步，所述勘探机器人的太阳能电池模组包括太阳能电池板、多向光敏电阻和旋转云台，多向光敏电阻安装于太阳能电池板的不同朝向位置，所述太阳能电池板通过旋转云台与驱动底座转动连接。优选的，在所述太阳能电池模组中，所述太阳能电池板的最大方位角为 360°，最大俯仰角为110°。

本发明还提供一种采用上述智能勘探机器人系统进行石油勘探的方法，所述自主导航控制模块的SLAM组件通过点到直线间的距离公式获得机器人的横向偏差大小，进而控制勘探机器人进行导航，具体步骤包括：

①以勘探机器人的运动坐标系为xoy，由预定义路径中的直线和目标点在勘探机器人中的横纵坐标几何环境中形成直角三角形：

其中，X_P为横坐标，Y_P为纵坐标，γ为转弯曲率，逆时针转弯γ＞0，顺时针转弯γ＜0，R为瞬时转弯的半径，d为横向位置误差，d>L为纯路径跟踪的前视距离，ψ为航向偏差，为航向角变化大小；

②通过勘探机器人运动学模型获得勘探机器人的目标转角：

为机器人航向的变化率，L为机器人前后轴距，o为机器人前进速度，δ为机器人目标转角。

更优选的，所述自主导航控制模块还包括校验模块，通过路径跟踪效率η和相对偏差对勘探机器人路径跟踪曲线进行验证和校准，具体地

通过本发明的校验模块可知，上述方法所得勘探机器人路径跟踪曲线波动较缓，而且跟踪效率高，能够有效保证勘探机器人在侦查勘探及自主返程过程中按照路径行进，提高勘探效率并节省能源，保证了恶劣环境下的正常作业。

进一步，所述机械臂采样机构中，所述关节驱动电机采用直线驱动机构进行驱动，所述采样控制模块通过滑块-曲柄机构模型，将机械指两端设AB两点进行分析，对机械臂采样过程中的单指关节驱动和受力进行处理，从而得到机械臂全手力学性能，以对关节驱动电机进行反馈调节，具体地

∑F_X＝0，∑F_Y＝0，∑M＝0，即

M_A+FLcosθ＝0，

其中，F＝m²为外力大小，θ为指节转过角度，L为连杆长度，M_A为指节转动力矩；m为单指关节提升驱动量；

通过单指关节受力获得机械臂的全手驱动力，即F_max＝F_n＝5F。

优选的，所述机械臂通过手掌内的压力传感器获取样品上顶量 m₀，当m₀>0，通过各指关节的压力传感器获取采样过程中受到样品的压力量m’，通过滑块-曲柄机构模型处理得到样品作用力F’_n，与机械臂全手力驱动力F_n比较，进而对关节驱动电机进行输出功率调节。

本发明通过机械臂采样机构的智能控制，在保证完成遥控监测中心指令，将勘探采样样品抓取的前提下，合理调节输出功率，节省勘探机器人能源。

进一步，所述驱动控制模块根据行进驱动电机输出功率，通过对驱动底盘的驱动力分析，结合目标转角处理获得勘探机器人行进的校正速度，与自主导航控制模块获得的实际速度进行对比，当理论速度与实际速度的速度差值大于换挡阈值，则控制行进驱动电机进行换挡操作；所述驱动控制模块的行进理论速度处理流程包括：

v＝v_l(1-δ)，

其中，p_q为驱动底盘履带驱动力；v_l为理论速度；v为校正速度；>e为发动机转矩；I_∑为各档传动比；η_e为机械效率；n_e为发动机转速；r_dq为驱动轮动力半径；I_∑′为驱动轮滑转率(履带式为0.07)。

优选的，换挡阈值为速度差值占实际速度比值的30％。

进一步，所述太阳能电池模组通过多向光敏电阻进行各方向的光强度实时监测，当一侧光强高于另一侧光强时，控制旋转云台旋转太阳能电池板改变朝向，直至两侧方向的光敏电阻接收光强相同。

本发明通过太阳能电池模组在勘探机器人行进及采样过程中实时调整，实现了对太阳等光源的全方位跟踪，保证了机器人能源采集效率。

该机构输出位姿数值解与实测值平均误差分别为1.8％、2.6％、 0.84％，表明该机构跟踪太阳的精度较高。此外，该机构电机驱动能耗约为传统二轴跟踪机构的25％。

进一步，所述勘探机器人还包括所述巡逻安防模块；所述遥控监测中心还包括安保监控模块，巡逻安防流程包括：

①所述巡逻安防模块控制勘探机器人按照勘探路线巡逻，对人员异常情况进行检测处理并发送至安保监控模块，②所述巡逻安防模块通过激光雷达和深度摄像头对人体和面貌进行人员信息采集，通过安保监控模块定位分析，③检测到人员异常情况，发送报警信息到遥控监测中心，勘探机器人发出现场声音灯光警告，④根据人员异常情况开启防御设施，并通过安保监控模块监测并远程遥控勘探机器人根据情况监控或撤离。

本发明综合技术方案及综合效果包括：

本发明通过勘探机器与遥控监测中心实时处理控制，实现自主环境信息采集及地图构建、自主侦查与勘探、远程遥控地质样本智能采集、自主追踪能源采集、巡逻安防等功能。充分利用了SLAM组件、驱动力依存控制和能源智能采集，来保证勘探机器人的智能勘探与有效采样，显著提高了勘探机器人的能源利用和采集效率，确保本发明系统在野外尤其是恶劣环境下的油气勘探及安保作业，节省勘探人力物力资源。

附图说明

图1为本发明实施例智能勘探机器人系统及其检测方法中自主导航控制模块地图构建流程框图。

图2为本发明实施例智能勘探机器人系统及其检测方法中勘探机器人即时定位与地图构建状态(上)及其所构建地图(下)示意图，其中左上插图为构建状态时刻初步构建的地图示意图。

图3为本发明实施例智能勘探机器人系统机械臂与遥感机械手套控制流程框图。

图4为本发明实施例智能勘探机器人系统及其检测方法中勘探机器人行驶路径跟踪效率示意图。

图5为本发明实施例智能勘探机器人系统及其检测方法中勘探机器人运动相对偏差示意图。

图6为本发明实施例智能勘探机器人系统机械臂的机械指运动模型示意图。

图7为本发明实施例智能勘探机器人系统机械臂的机械指信息处理受力分析示意图。

图8本发明实施例智能勘探机器人系统及其检测方法中太阳能电池模组通过追日跟踪a相对于现有技术固定安装b输出功率对比曲线图。

图9本发明实施例智能勘探机器人系统及其检测方法中太阳能电池模组通过追日跟踪A相对于现有技术固定安装B的光伏电池输出功率与发电效率对比曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例

本实施例主要针对石油机器人存在的问题现状，设计发明了本智能石油勘探机器人系统及其勘探方法，其具有高集成度，能够自主完成勘探和安防任务，节约能源，对石油行业的节能减排具有显著的意义，

一种智能石油勘探机器人系统，其中，包括勘探机器人和遥控监测中心，所述勘探机器人包括自主导航模组、机械臂、信息传输模块和能源驱动模块；

所述自主导航控制模块包括采集环境信息的环境传感器和即时定位与地图构建(简称SLAM)组件，所述自主导航控制模块能够控制勘探机器人自主进行石油勘探的先遣侦查与返程导航；所述机械臂包括采样机构、采样控制模块和关节驱动电机，所述机械臂能够通过采样控制模块控制关节驱动电机的输出功率，驱动采样机构的夹持关节转动来抓取样本；所述能源驱动模块包括太阳能电池模组和驱动底盘，太阳能电池模组与驱动底盘供电连接，所述驱动底盘通过驱动控制模块控制行进驱动电机输出功率驱动勘探机器人运动；所述遥控监测中心设置有遥感机械手套，所述遥感机械手套通过信息传输模块与机械臂通讯连接，所述遥感机械手套内设置有体感传感器，能够采集人体手臂动作信息并传输至勘探机器人。

如图1-2所示，所述自主导航模组通过环境传感器获取并跟踪勘探机器人位姿，通过SLAM组件处理获得勘探机器人预走路线角度， SLAM组件利用路径跟踪算法对机器人预走路线进行跟踪。所述位姿优选包括勘探机器人的当前位置、转弯姿态以及运动速度。

所述SLAM组件优选利用GPS定位勘探机器人路径航向，并依据实时动态差分定位(简称RTK)获得厘米级定位精度，用于勘探机器人自主导航。

SLAM组件包括树莓派嵌入式模块、Ubuntu模块和机器人操作系统(简称ROS)，ROS安装移植于Ubuntu模块中并嵌入树莓派嵌入式模块。

如图3所示，在所述机械臂中，所述采样机构包括具有若干机械指的机械手，机械指和机械手的手掌内设置有压力传感器和超声传感器。

进一步，在所述能源驱动模块中，所述驱动底盘包括框架式车架、双排履带和行进驱动电机。

进一步，所述勘探机器人的太阳能电池模组包括太阳能电池板、多向光敏电阻和旋转云台，多向光敏电阻安装于太阳能电池板的不同朝向位置，所述太阳能电池板通过旋转云台与驱动底座转动连接。优选的，在所述太阳能电池模组中，所述太阳能电池板的最大方位角为 360°，最大俯仰角为110°。

本发明还提供一种采用上述智能勘探机器人的石油勘探方法，所述自主导航控制模块的SLAM组件通过点到直线间的距离公式获得机器人的横向偏差大小，进而控制勘探机器人进行导航，具体地

①以勘探机器人的运动坐标系为xoy，由预定义路径中的直线和目标点在勘探机器人中的横纵坐标几何环境中形成直角三角形：

其中，X_P为横坐标，Y_P为纵坐标，γ为转弯曲率，逆时针转弯γ＞0，顺时针转弯γ＜0，R为瞬时转弯的半径，d为横向位置误差，d>L为纯路径跟踪的前视距离，ψ为航向偏差，为航向角变化大小；

②通过勘探机器人运动学模型获得勘探机器人的目标转角：

为机器人航向的变化率，L为机器人前后轴距，o为机器人前进速度，δ为机器人目标转角。

更优选的，所述自主导航控制模块还包括校验模块，通过路径跟踪效率η和相对偏差对勘探机器人路径跟踪曲线进行验证和校准，具体地

对比例

采用三种现有跟踪运动方法对本发明勘探机器人路径进行跟踪校正，如参考文献1-3中所述，其余部分与本实施例相同。其跟踪运动方法具体分别参考[1]《应用灰度直方图特征识别木材表面节子缺陷》、[2]《脉冲电容试验装置控制系统电磁兼容设计》和[3]《基于STM32的温室CO2浓度自动调控系统设计》。

如图4-5所示，通过本发明的校验模块可知，与参考文献1-3的对比例相比，本实施例方法所得勘探机器人路径跟踪曲线波动较缓，而且跟踪效率高，能够有效保证勘探机器人在侦查勘探及自主返程过程中按照路径行进，提高勘探效率并节省能源，保证了恶劣环境下的正常作业。

如图6-7所示，所述机械臂采样机构中，所述关节驱动电机采用直线驱动机构进行驱动，所述采样控制模块通过滑块-曲柄机构模型，将机械指两端设AB两点进行分析，对机械臂采样过程中的单指关节驱动和受力进行处理，从而得到机械臂全手力学性能，以对关节驱动电机进行反馈调节，具体地

即

M_A+FLcosθ＝0，

其中，F＝m²为外力大小，θ为指节转过角度，L为连杆长度，>A为指节转动力矩；m为单指关节提升驱动量；

通过单指关节受力获得机械臂的全手驱动力，即F_max＝F_n＝5F。

优选的，所述机械臂通过手掌内的压力传感器获取样品上顶量 m₀，当m₀>0，通过各指关节的压力传感器获取采样过程中受到样品的压力量m’，通过滑块-曲柄机构模型处理得到样品作用力F’_n，与机械臂全手力驱动力F_n比较，进而对关节驱动电机进行输出功率调节。

本发明通过机械臂采样机构的智能控制，在保证完成遥控监测中心指令，将勘探采样样品抓取的前提下，合理调节输出功率，节省勘探机器人能源。

进一步，所述驱动控制模块根据行进驱动电机输出功率，通过对驱动底盘的驱动力分析，结合目标转角处理获得勘探机器人行进的校正速度，与自主导航控制模块获得的实际速度进行对比，当理论速度与实际速度的速度差值大于换挡阈值，则控制行进驱动电机进行换挡操作；所述驱动控制模块的行进理论速度处理流程包括：

v＝v_l(1-δ)(10)，

其中，p_q为驱动底盘履带驱动力；v_l为理论速度；v为校正速度；>e为发动机转矩；I_∑为各档传动比；η_e为机械效率；n_e为发动机转速；r_dq为驱动轮动力半径；I_∑′为驱动轮滑转率(履带式为0.07)。

优选的，换挡阈值为速度差值占实际速度比值的30％。

进一步，所述太阳能电池模组通过多向光敏电阻进行各方向的光强度实时监测，当一侧光强高于另一侧光强时，控制旋转云台旋转太阳能电池板改变朝向，直至两侧方向的光敏电阻接收光强相同。

本发明通过太阳能电池模组在勘探机器人行进及采样过程中实时调整，实现了对太阳等光源的全方位跟踪，保证了机器人能源采集效率。

该实施例输出位姿数值解与实测值平均误差分别为1.8％、2.6％、0.84％，表明该机构跟踪太阳的精度较高。此外，该机构电机驱动能耗约为传统二轴跟踪机构的25％。

由图8-9可知，在11:00～14:00时间段里，太阳能电池模组追日自动跟踪的效率相比固定式提高不多，而在其他时刻电池板的发电效率平均提高28％～35％。

本实施例装置所载太阳能电池板功率为12w(约0.1m²)，重量约为5斤，选用直流减速电机37GB520，额定功率10W；光敏传感器模块设有4个，工作电压3.3v，15mA。电机工作累计时间：设从早晨8时到下午6时，每30min调整一次，每次调整用时5s，则工作时间为100s，合计0.027h。则直流电机、光敏传感器日耗电量估算如下：

W₁＝10w×0.027h＝0.27w·h；W₂＝3.3v×0.015A×10h×4＝1.98wh

W_耗＝W₁+W₂＝0.27w·h+1.98w·h＝2.25w·h；

自动跟踪日增电量：W_增＝12w×30％×10h＝36w·h

由上述计算可得，日耗电量仅为日增电量的6.25％，显著节省能源，并进一步确保勘探的有序进行。

进一步，所述勘探机器人还包括所述巡逻安防模块；所述遥控监测中心还包括安保监控模块，巡逻安防流程包括：

①所述巡逻安防模块控制勘探机器人按照勘探路线巡逻，对人员异常情况进行检测处理并发送至安保监控模块，②所述巡逻安防模块通过激光雷达和深度摄像头对人体和面貌进行人员信息采集，通过安保监控模块定位分析，③检测到人员异常情况，发送报警信息到遥控监测中心，勘探机器人发出现场声音灯光警告，④根据人员异常情况开启防御设施，并通过安保监控模块监测并远程遥控勘探机器人根据情况监控或撤离。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。