基于無人機(jī)技術(shù)的煤礦帶式輸送機(jī)巡檢方案

李 標(biāo)

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京100013；2.煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心，北京100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京100013）

在礦山的安全生產(chǎn)中，帶式輸送機(jī)的巡檢方式主要以人工徒步巡檢為主，人工巡檢方式主要依靠巡檢人員完成對(duì)帶式輸送機(jī)定時(shí)、定點(diǎn)的監(jiān)測，通過其工作經(jīng)驗(yàn)與主觀感知對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)做出判斷。那么這種方式也存在許多問題，一方面帶式輸送機(jī)測點(diǎn)多、工作量大，往往會(huì)出現(xiàn)漏檢，誤檢等現(xiàn)象；另一方面帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，巡檢人員無法對(duì)帶式輸送機(jī)上面做檢查，對(duì)一些隱患無法給出即時(shí)的處理。同時(shí)傳統(tǒng)人工巡檢的方式工作強(qiáng)度大，可靠性不高，人力勞動(dòng)成本大，難以滿足現(xiàn)代化礦山的發(fā)展需要。隨著帶式輸送機(jī)故障監(jiān)測向著智能化、無人化的發(fā)展，如何為遠(yuǎn)距離帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)一種自動(dòng)巡檢的監(jiān)測裝置，如何利用先進(jìn)的技術(shù)準(zhǔn)確監(jiān)測帶式輸送機(jī)的工作情況，減少人工巡檢的負(fù)擔(dān)，保障工人安全，成為當(dāng)前重要的研究課題[1]。

1 帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)無人機(jī)巡檢總體方案

帶式輸送機(jī)無人機(jī)巡檢系統(tǒng)適用于煤礦井下，具有非GPS 導(dǎo)航功能，能夠自主尋位和避障，可以在帶式輸送機(jī)沿線按規(guī)劃路徑自主或遙控飛行。無人機(jī)巡檢時(shí)，可對(duì)帶式輸送機(jī)定點(diǎn)懸停拍攝，并將照片或視頻信息通過無線網(wǎng)絡(luò)，回傳至管理平臺(tái)，若中途故障，可給出報(bào)警提示[2]，方便管理人員確認(rèn)現(xiàn)場情況及管理。同時(shí)，無人機(jī)能夠往返沿線布置的充電樁，并自動(dòng)充電，減少管理人員工作量[3]。

2 無人機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 無人機(jī)結(jié)構(gòu)

無人機(jī)采用四旋翼垂直起落飛行器方案。四旋翼與六旋翼和八旋翼相比，機(jī)械臂少，維護(hù)和安全處理減少；在飛行可靠性方面不占優(yōu)，但是在氣動(dòng)效率上和結(jié)構(gòu)上均有優(yōu)點(diǎn)，在續(xù)航時(shí)間上，四旋翼比六旋翼和八旋翼均大20%～30%的續(xù)航時(shí)間，為滿足井下遠(yuǎn)距離的巡檢任務(wù)，因此考慮結(jié)構(gòu)較為簡單，續(xù)航時(shí)間較長的四旋翼飛行器機(jī)體方案，采用全封閉設(shè)計(jì)，適應(yīng)煤礦井下防塵，防爆，防濕，防腐的工作環(huán)境需求。4 個(gè)半徑相同的旋翼，以同一水平，分別布置在無人機(jī)的前后左右4 個(gè)方向。機(jī)身中間位置安裝飛行控制器，4 個(gè)旋翼分別由4 個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，均勻分布在無人機(jī)支架段。

2.2 無人機(jī)工作原理

四旋翼無人機(jī)要實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)方式，則需要通過控制4 個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)旋翼的速度變化，來實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)運(yùn)行姿態(tài)和位置的變化。無人機(jī)有6 個(gè)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)輸出，即六自由度無人機(jī)，同時(shí)無人機(jī)又稱為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。無人機(jī)工作原理示意圖如圖1。

圖1 無人機(jī)工作原理示意圖Fig.1 Operation principle of UAV

當(dāng)四旋翼無人機(jī)的旋翼1 和旋翼3 沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋翼2 和旋翼4 沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，那么當(dāng)無人機(jī)的力矩達(dá)到平衡時(shí)，空氣動(dòng)力及陀螺儀效應(yīng)均被抵消。在圖1 中，旋翼1 和旋翼3 沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，旋翼2 和旋翼4 沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定正向運(yùn)動(dòng)為沿著x 軸正方向飛行，旋翼上方向上的剪頭代表此處旋翼轉(zhuǎn)速提高，旋翼上方的剪頭方向向下，則代表此處旋翼轉(zhuǎn)速下降。那么根據(jù)旋翼1 和旋翼3 的不同旋轉(zhuǎn)方式以及轉(zhuǎn)速的快慢，來提高無人機(jī)在煤礦井下飛行過程中的靈活性，可分為：垂直運(yùn)動(dòng)、仰俯運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)、傾向運(yùn)動(dòng)6個(gè)自由度[4]。

3 無人機(jī)導(dǎo)航

無人機(jī)的高精度定位與自主導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主飛行的關(guān)鍵因素，由于煤礦井下無GPS 信號(hào)，且巷道空間狹小，障礙物較多、風(fēng)塵大、光線昏暗等問題，因此在導(dǎo)航部分采用UWB 精確定位技術(shù)與光流導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合。

1）UWB 精確定位技術(shù)。通過UWB 定位系統(tǒng)做無人機(jī)礦井定位導(dǎo)航，準(zhǔn)確引導(dǎo)無人機(jī)飛行，在礦井里工作。UWB 定位系統(tǒng)，需要在礦井內(nèi)部布置定位坐標(biāo)，搭建UWB 定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)，為無人機(jī)提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的定位信息。

2）光流導(dǎo)航技術(shù)。采用視覺識(shí)別導(dǎo)引無人機(jī)循跡飛行，循跡線類似于特征點(diǎn)編碼，由攝像頭采集視頻信號(hào)后，導(dǎo)引無人機(jī)按固定路線，固定速度穩(wěn)定飛行。循跡線使用混合彩色熒光劑油漆，在帶式輸送機(jī)沿線機(jī)架描繪導(dǎo)引線段，無人機(jī)安裝大功率紫外燈，對(duì)導(dǎo)引線進(jìn)行照射，導(dǎo)引線段被動(dòng)發(fā)光變?yōu)榭勺R(shí)別的光帶[5]。

4 無人機(jī)避障

目前無人機(jī)主流的避障方式有：超聲波避障、基于單目或雙目的機(jī)器視覺避障、激光雷達(dá)避障，設(shè)計(jì)采用超聲波避障和雙目立體視覺的避障方式。

4.1 超聲波探測

無人機(jī)在執(zhí)行路徑飛行時(shí)，如遇到前方有障礙物，超聲波探頭可以在1～2 m 處探測到障礙物距離，并傳給飛控，飛控控制無人機(jī)剎車并懸停一定時(shí)間，如障礙物沒有位移，飛控指引無人機(jī)左右移動(dòng)一定距離側(cè)向飛行，如障礙物消除則指引無人機(jī)繼續(xù)前行，并沿原設(shè)定路徑飛行。

超聲波探測原理主要依靠時(shí)間測距法，已知超聲波在空氣傳播介質(zhì)中的速度為340 m/s，在超聲波發(fā)射的時(shí)候進(jìn)行計(jì)時(shí)，遇到障礙物進(jìn)行反射，當(dāng)接收裝置接收到超聲波信號(hào)時(shí)，計(jì)時(shí)立即停止，根據(jù)時(shí)間t 就可以得出距障礙物的距離信息。超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、受環(huán)境影響比較小、使用場合與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)。超聲波測距示意圖如圖2。

圖2 超聲波測距示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic distance measurement

4.2 雙目視覺避障

通過雙目視覺攝像頭，獲取視覺圖像，再通過算法實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)提取，最終獲得特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，再通過雙目視覺實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像深度的空間幾何參數(shù)提取，以及空間位置姿態(tài)的精確計(jì)算，建立視覺范圍里的3D 空間信息[6]。采用雙攝像頭組建雙目視覺，更加準(zhǔn)確的建立3D 空間，并且得到深度信息，建立立體視覺，通過SLAM 算法，主動(dòng)計(jì)算出視覺范圍里的場景，從而獲取是否有障礙物，及障礙物的距離。引導(dǎo)無人機(jī)飛行和避障[7]。

雙目視覺SLAM 分為前端（視覺里程設(shè)計(jì)V0），和后端，前端只要研究幀與幀的變換關(guān)系，通過對(duì)圖像特征點(diǎn)的提取，然后進(jìn)行特征點(diǎn)的匹配，最后利用RANSAC 算法去掉大噪聲[8]，通過匹配方法得到1 個(gè)位置和姿態(tài)的信息，再結(jié)合INS 系統(tǒng)中的IMU慣性測量單元，對(duì)無人機(jī)姿態(tài)信息進(jìn)行濾波融合。

后端的主要作用是利用濾波理論或者優(yōu)化理論，或者圖的優(yōu)化，對(duì)前端做出的結(jié)果進(jìn)行再次優(yōu)化處理，從而獲得最優(yōu)位姿估計(jì)[9]。

5 充電樁

以神東公司上灣煤礦402 巷道工作面6 km 帶式輸送機(jī)為例，沿線布置4 臺(tái)充電裝置，每個(gè)充電裝置放1 臺(tái)無人機(jī)，無人機(jī)巡檢往返路程1.5 km，保證無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。充電樁示意圖如圖3。

圖3 充電樁示意圖Fig.3 Schematic diagram of charging pile

充電樁為無人機(jī)充電，充電時(shí)間≤4 h。充電樁具有防護(hù)罩，封閉充電環(huán)境，同時(shí)，充電樁具有定位模塊和充電口自動(dòng)尋找裝置，方便無人機(jī)尋位，及充電口對(duì)接。充電時(shí)，無人機(jī)定位充電樁，到達(dá)附近后，充電樁打開防護(hù)罩，無人機(jī)落入，然后關(guān)閉防護(hù)罩。減速電機(jī)控制充電軸360°旋轉(zhuǎn)，尋找無人機(jī)位置；步進(jìn)電機(jī)控制充電滑塊沿絲桿滑動(dòng)，尋找無人機(jī)充電口。充電口為電磁鐵，無人機(jī)落入后通電，在充電軸掃描中，兩充電口靠近時(shí)，因磁力自動(dòng)吸合，開始充電。充電完畢后，電磁鐵通反向電壓，磁極反向，充電口脫離，停止充電，待無人機(jī)起飛時(shí)，打開防護(hù)罩，起飛后關(guān)閉[10]。

6 無人機(jī)飛行方案

無人機(jī)接收WIFI 起飛指令后，無人機(jī)開機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)起飛，同時(shí)超聲波探頭和攝像頭采集數(shù)據(jù)，視覺識(shí)別熒光帶方向。超聲波探測到距離巷道頂部的距離，指引飛行器起飛達(dá)到距巷道頂部的指定距離，視覺識(shí)別指引無人機(jī)機(jī)頭對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)引亮帶，向前飛行。飛行時(shí)視覺識(shí)別每個(gè)亮帶的節(jié)距，計(jì)算飛行距離及速度，并自動(dòng)避障，同時(shí)無人機(jī)根據(jù)電壓及最近充電樁距離，邏輯判斷是否需要充電。無人機(jī)通過WIFI 網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，指引在目的位置懸停拍攝，并將圖像數(shù)據(jù)返回控制系統(tǒng)。巡檢結(jié)束后，返回充電樁充電，等待下次任務(wù)。

無人機(jī)能夠按照預(yù)先設(shè)定的路徑飛行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航、自主飛行。無人機(jī)亦可以通過遙控飛行，接收不到遙控信號(hào)，則自動(dòng)改為自主飛行模式，保證無人機(jī)飛行安全。

7 結(jié) 語

無人機(jī)的巡檢在各行各業(yè)已廣泛卡站，在煤礦井下的應(yīng)用尚屬首例。無人機(jī)巡檢通過搭載不同的檢測傳感器及網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，可以實(shí)時(shí)高效的檢測帶式輸送機(jī)沿線的環(huán)境參數(shù)，以及通過視頻分析檢測是否有異物，大塊煤，是否有人違規(guī)操作等，最終將檢測數(shù)據(jù)通過WIFI 信號(hào)傳輸至監(jiān)管平臺(tái)，提高了對(duì)帶式輸送機(jī)檢測的效率，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，無人機(jī)樣機(jī)已在神東公司上灣煤礦402 工作面已完成試飛，試飛效果基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。