機(jī)器人與三維激光掃描儀在礦井地質(zhì)測量中的聯(lián)合應(yīng)用

石 磊

（山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司， 山西 寧武 036700）

引言

一直以來，煤炭安全生產(chǎn)備受煤礦企業(yè)和工作面作業(yè)人員的關(guān)注。盡管在錨桿+錨索+金屬網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)和液壓支架的支護(hù)下，煤礦生產(chǎn)的安全性得到顯著提升，但是，在日常生產(chǎn)中仍會有礦難的發(fā)生[1]。不僅礦井的安全巡檢、發(fā)生事故后的災(zāi)后處理和搜救任務(wù)需耗費(fèi)大量的人力物力，而且工作面的有些位置作業(yè)人員無法到達(dá)可能造成二次傷亡。為此，應(yīng)將機(jī)器人和三維激光掃描儀集成為一體應(yīng)用于礦井地質(zhì)的測量、巡檢和搜救等任務(wù)。

1 機(jī)器人系統(tǒng)的總體設(shè)計

機(jī)器人主要由于其體積小、行動方便的優(yōu)勢可達(dá)到作業(yè)人員不能到達(dá)的位置。而且，在機(jī)器人上安裝各種傳感器實(shí)現(xiàn)對周邊環(huán)境的監(jiān)測，通過所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)完成對環(huán)境的評估、定位被困人員等任務(wù)。

1.1 機(jī)器人的設(shè)計要求

要求機(jī)器人在惡劣的環(huán)境下靈活運(yùn)行，并能夠?qū)崿F(xiàn)自由轉(zhuǎn)彎；當(dāng)機(jī)器人在行走過程中遇到障礙物時能夠自由通過；要求機(jī)器人能夠長時間在工作面工作；鑒于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊，能夠通過狹小的空間，且耗電量小。針對機(jī)器人的控制主要采用無線遙控控制的方式；基于自身的導(dǎo)航功能，實(shí)現(xiàn)自主巡檢；具備有較強(qiáng)的抗沖擊能力和防雨、防塵功能[2]。

1.2 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計

機(jī)器人行走系統(tǒng)可采用輪式、履帶式和腿式等。其中，輪式行走系統(tǒng)的效率高，但是適用性較差；腿式行走系統(tǒng)適應(yīng)能力強(qiáng)，但是其效率低[3]。借鑒坦克的行走系統(tǒng)，針對機(jī)器人同樣采用履帶式行走系統(tǒng)。機(jī)器人的履帶行走機(jī)構(gòu)如圖1 所示。

此外，為保證機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)360°的轉(zhuǎn)彎，為機(jī)器人左右兩側(cè)的驅(qū)動輪采用差動轉(zhuǎn)向的方式；為確保機(jī)器人的動力十足，機(jī)器人采用后驅(qū)的方式，且驅(qū)動動力為驅(qū)動電機(jī)所提供。

圖1 機(jī)器人履帶行走結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

若要使機(jī)器人能夠在工作面上自主運(yùn)行并完成搜救、測量和災(zāi)后處理等任務(wù)，需為機(jī)器人安裝導(dǎo)航系統(tǒng)和可對周邊環(huán)境監(jiān)測的傳感器。因此，為確保機(jī)器人各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)，需為其設(shè)計有效、可靠的控制系統(tǒng)[4]。簡單來說，機(jī)器人控制系統(tǒng)包括有主控制器、導(dǎo)航系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等。根據(jù)控制需求，機(jī)器人控制系統(tǒng)的原理圖如圖2 所示。

如圖2 所示，機(jī)器人的自主導(dǎo)航功能由ZigBee定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和三維激光掃描儀組成。其中，ZigBee 定位系統(tǒng)主要確定機(jī)器人的實(shí)時絕對位置；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)確定機(jī)器人的實(shí)時行走狀態(tài)參數(shù)；三維激光掃描儀主要確定機(jī)器人與周邊環(huán)境的相對位置?；谏鲜鋈齻€分系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的精確導(dǎo)航，從而完成對礦井地質(zhì)的三維測量任務(wù)。

圖2 機(jī)器人控制系統(tǒng)原理圖

2 三維激光掃描儀的設(shè)計

2.1 三維激光掃描儀的技術(shù)要求

三維激光掃描在機(jī)器人上應(yīng)用的主要功能是確定機(jī)器人與周邊環(huán)境的相對位置，其性能直接決定了機(jī)器人相對位置的確定，進(jìn)而影響機(jī)器人的定位精度和自主導(dǎo)航功能。因此，三維激光掃描儀的性能需滿足如下要求：

1）要求三維激光掃描儀圖像采集的分辨率不低于680×480；

2）要求三維激光掃描儀的測量距離不小于6 m；

3）要求三維激光掃描儀在遠(yuǎn)距離測量時誤差不大于80 mm，測量距離小于1 m 時要求誤差不大于5 mm；

4）要求三維激光掃描儀能夠?qū)崿F(xiàn)對周邊環(huán)境的360°掃描；

5）要求三維激光掃描儀掃描一次所需時間不超過12 s。

2.2 三維激光掃描器件的選型

簡答地說，三維激光掃描儀主要由攝像頭、濾光片、步進(jìn)電機(jī)以及激光器等組成。根據(jù)三維激光儀的技術(shù)要求及其工作環(huán)境完成對其主要器件的選型[5]。

攝像頭的選型：根據(jù)三維激光掃描儀的分辨率要求，且具備一定對干擾光過濾的功能，為該掃描儀配置攝像頭的具體型號為Sony Effio673CCd。該攝像頭具備自動聚焦和逆光補(bǔ)償功能，且分辨率滿足第2.1 節(jié)中的技術(shù)要求。

激光器的選型：激光器的透射角度為其選型的主要依據(jù)是根據(jù)三維激光掃描儀的工作環(huán)境及任務(wù)要求，要求其在透射距離為600 mm 時其激光長度不小于800 mm。因此，在理論結(jié)合經(jīng)驗(yàn)設(shè)計的基礎(chǔ)上，選用激光器的線角度為110°。

步進(jìn)電機(jī)的選型：步進(jìn)電機(jī)的主要功能是控制攝像頭和激光器能夠根據(jù)掃描任務(wù)實(shí)現(xiàn)360°的旋轉(zhuǎn)功能。綜合考慮成本和性能的基礎(chǔ)上，所選型步進(jìn)電機(jī)的型號為57BYGH7630。為滿足掃描任務(wù)需求，選用與該步進(jìn)電機(jī)相對應(yīng)的減速器的型號為06AG15。57BYGH7630 步進(jìn)電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

3 機(jī)器人與三維激光掃描儀的聯(lián)合應(yīng)用效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證機(jī)器人和三維激光掃描儀將來能夠勝任在工作面對地質(zhì)測量的任務(wù)，本文基于所設(shè)計的機(jī)器人、三維激光掃描儀和相關(guān)軟件搭建了實(shí)驗(yàn)室模型。具體試驗(yàn)步驟為：將所搭建的實(shí)驗(yàn)室模型放置于實(shí)驗(yàn)室中，并通過步進(jìn)電機(jī)控制攝像頭和三維激光掃描儀對周邊的環(huán)境進(jìn)行拍攝和掃描，并將拍攝和掃描的數(shù)據(jù)上傳至計算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處理，從而得出對周邊環(huán)境重建后的三維模型。針對實(shí)驗(yàn)室的樓梯結(jié)構(gòu)所重建的三維模型如圖3 所示。

表1 57BYGH7630 關(guān)鍵參數(shù)

圖3 樓梯重建三維模型

如圖3 所示，基于機(jī)器人和三維激光掃描儀所重建后的樓梯三維模型與實(shí)際的樓梯的高度、相對位置等信息一致。即說明，三維激光掃描儀和機(jī)器人的聯(lián)合可應(yīng)用于煤礦地質(zhì)的測量任務(wù)中。

4 結(jié)語

針對礦井地質(zhì)的測量或礦難發(fā)生后的災(zāi)后處理及搜救任務(wù)，由工程師或搜救人員執(zhí)行此類任務(wù)時存在測量不精確、可能造成二次事故等問題，采用機(jī)器人與三維激光掃描儀的聯(lián)合應(yīng)用完成對礦井地質(zhì)的測量或礦難發(fā)生后的災(zāi)后處理及搜救任務(wù)。機(jī)器人由于其能夠達(dá)到人員所不能到達(dá)的位置，具有較高的搜救任務(wù)的成功率和精準(zhǔn)的礦井地質(zhì)測量精度；此外，機(jī)器人搜救不需擔(dān)心二次事故發(fā)生所造成的人員傷亡。因此，可將機(jī)器人、三維激光掃描儀在礦井的生產(chǎn)任務(wù)中推廣應(yīng)用。