煤礦井下巡檢機器人自主控制系統(tǒng)的研究

周密林

（中國煤炭科工集團山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006）

引言

隨著煤礦井下掘進技術(shù)的不斷發(fā)展，井下掘進深度和效率不斷提升，現(xiàn)代煤礦井下的巷道分布和綜采機械設(shè)備的分布日趨復(fù)雜。為了確保各類綜采設(shè)備的正常使用，通常在井下設(shè)置專門的巡查人員，定期對各設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)進行監(jiān)測和控制，但該方案不僅需要投入大量的設(shè)備維護人員，而且效率低下，無法對設(shè)備的運行狀態(tài)進行連續(xù)監(jiān)測，已經(jīng)無法適應(yīng)井下快速掘進、自動化設(shè)備大量應(yīng)用的現(xiàn)狀[1]，因此本文結(jié)合井下的實際情況，提出了一種煤礦井下巡檢機器人自主控制系統(tǒng)。

1 巡檢機器人自主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖1）

由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道內(nèi)具有較多的設(shè)備和管線，而且在實際工作過程中巡檢機器人可能會面臨各種不確定因素，因此僅依靠傳統(tǒng)的巡檢機器人的機械控制系統(tǒng)無法做到對各類突發(fā)異常的處理，而且也不利于監(jiān)控人員在地面上對井下設(shè)備運行情況進行檢測，綜合多種需求和實際情況，本文提出了一種具有自主控制和遠(yuǎn)程監(jiān)測結(jié)果的巡檢機器人自主控制系統(tǒng)[3]。該自主控制系統(tǒng)主要包括監(jiān)控層、通訊層和控制層三個部分，監(jiān)控層主要包括遠(yuǎn)程無線信號發(fā)射系統(tǒng)及監(jiān)控主機，用于監(jiān)控人通過巡檢機器人上的監(jiān)控裝置對井下各設(shè)備的運行狀況進行監(jiān)測，同時通過無線電信號實現(xiàn)對井下巡檢機器人的遠(yuǎn)程交互控制，控制層則主要是指巡檢機器人上的各類控制電機，系統(tǒng)在接收到控制人員下達的控制指令后便控制各類機構(gòu)實現(xiàn)對巡檢機器人運行狀態(tài)的調(diào)節(jié)，從而使機器人更好地適應(yīng)井下復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，更快地完成井下巡檢作業(yè)。

2 巡檢機器人自主控制系統(tǒng)的無線傳輸方案

圖1 井下巡檢機器人自主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

煤礦巷道地質(zhì)條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的采用有線控制的方式不僅需要大量的電纜而且其運行范圍受到了極大的限制，在運行過程中巡檢機器人的電纜極易出現(xiàn)纏繞或者破損，影響巡檢機器人的正常使用，因此本文提出了該巡檢機器人采用無線傳輸?shù)姆桨??？紤]到煤礦井下電氣設(shè)備多、電磁干擾嚴(yán)重而且無線信號作用距離較小，本文提出了在井下設(shè)置多組無線信號發(fā)射裝置的方案，但考慮到多點設(shè)置需要花費大量的資金，而且施工周期較長，提出了在現(xiàn)有的井下通訊系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行改造，使其具有發(fā)射無線信號的功能，既節(jié)約了資金又能有效保持無線電信號的可靠性，其結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示[4]。

同時巡檢機器人的控制系統(tǒng)還具有對不同區(qū)域無線信號的判別功能，根據(jù)所接收到的無線信號的不同自動判別自身所處的區(qū)域，便于控制人員能夠及時準(zhǔn)確掌握機器人在井下的運行位置。

3 巡檢機器人自主控制系統(tǒng)的應(yīng)用

為了對該井下巡檢機器人自主控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果進行分析，本文采用井下巡檢機器人對視頻控制和自主控制系統(tǒng)進行升級后，將其放置到煤礦井下巷道內(nèi)，對其自主工作情況進行現(xiàn)場驗證，井下巷道內(nèi)的試驗驗證如下頁圖3 所示。

圖2 井下無線電基站結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 巡檢機器人自主監(jiān)控畫面

根據(jù)在煤礦井下巷道內(nèi)的實際驗證表明，該巡檢機器人在井下對復(fù)雜地形表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性，能夠根據(jù)井下的實際情況規(guī)劃路徑，躲避障礙，最大能夠跨域斜度為25°的障礙物，最大的跨域臺階高度為237 mm，最大的跨域壕溝的寬度約為770 mm，能夠滿足井下巷道內(nèi)絕大多數(shù)地質(zhì)條件下的通行要求。無線通信系統(tǒng)穩(wěn)定性高、抗干擾能力強，監(jiān)控信號傳輸質(zhì)量高、畫面流暢，在2 km 范圍內(nèi)的畫面滯后僅0.2 s，完全滿足長距離控制的要求。

4 結(jié)論

針對煤礦井下巷道內(nèi)的設(shè)備多而且分散，多數(shù)煤礦采用在井下安排專門的巡檢人員對設(shè)備和線路的工作狀態(tài)進行定期巡檢，存在效率低下、危險性高的缺陷，本文提出了一種新的煤礦井下巡檢機器人自主控制系統(tǒng)，采用無線傳輸控制和自主路徑規(guī)劃方案，不僅取消了井下巡檢人員設(shè)置，極大提升了井下巡查的效率和準(zhǔn)確性，而且克服了傳統(tǒng)的有線控制機器人控制范圍小，易被纏繞的難題，根據(jù)實際應(yīng)用表明：

1）該自主控制系統(tǒng)主要包括監(jiān)控層、通訊層和控制層三個部分，利用設(shè)置在機器人上的監(jiān)控設(shè)備對井下設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，通過無線傳輸通訊系統(tǒng)將監(jiān)測信息傳輸?shù)降孛嫔系谋O(jiān)控中心，控制人員通過控制層可以對巡檢機器人的運行進行遠(yuǎn)程控制；

2）采用對井下現(xiàn)有通訊系統(tǒng)改造的方式，使其具有發(fā)射無線信號的功能，既節(jié)約了資金又能有效保持無線電信號的可靠性。

3）該巡檢機器人在井下對復(fù)雜地形表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性，能夠根據(jù)井下的實際情況規(guī)劃路徑，躲避障礙，滿足井下巷道內(nèi)絕大多數(shù)地質(zhì)條件下的通行要求。無線通信系統(tǒng)穩(wěn)定性高、抗干擾能力強，監(jiān)控信號傳輸質(zhì)量高、畫面流暢，在2 km 范圍內(nèi)的畫面滯后僅0.2 s，完全滿足長距離控制的要求。