煤礦運(yùn)輸巷道無(wú)軌巡檢機(jī)器人應(yīng)用研究

姜 海，張冬林，劉志堅(jiān)，姜 鵬，張振平，鄭利本

(1.中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210031；2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦，山東 濟(jì)寧 272069)

隨著煤礦生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各個(gè)環(huán)節(jié)機(jī)器人代替人類(lèi)工作的需求日益增加[1]，使得人工智能在煤礦的研究和應(yīng)用得到了快速發(fā)展。《中國(guó)制造2025》發(fā)展規(guī)劃的提出，其中指出了未來(lái)煤礦將實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人化；《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》中，明確了要提升煤炭開(kāi)發(fā)效率和智能化水平，重點(diǎn)煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)人化[2，3]。

運(yùn)輸系統(tǒng)作為煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，帶式輸送機(jī)作為其主要設(shè)備，目前正向著高帶速、長(zhǎng)運(yùn)距、大運(yùn)量方向發(fā)展，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)的巡檢人員勞動(dòng)強(qiáng)度和安全隱患的增加[4-7]，本文設(shè)計(jì)了一套針對(duì)煤礦井下運(yùn)輸巷道的無(wú)軌自動(dòng)巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)，集自動(dòng)化、多傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為一體，可在一定程度上代替人工的日常巡檢，為下一步實(shí)現(xiàn)煤礦井下運(yùn)輸巷道無(wú)人化巡檢打下基礎(chǔ)。

1 帶式輸送機(jī)自動(dòng)化巡檢的必要性

在帶式輸送機(jī)運(yùn)量要求相同的情況下，提高帶速要比增加帶寬有利的多，帶速增高后，輸送帶最大張力可下降，輸送帶強(qiáng)度等級(jí)也可隨之下降，可節(jié)省設(shè)備投資費(fèi)用。但是隨著帶式輸送機(jī)高速化的發(fā)展，對(duì)沿線(xiàn)巡檢人員帶來(lái)了諸多不便，主要體現(xiàn)在：

1)帶速提高，輸送原煤過(guò)程中的揚(yáng)塵情況會(huì)隨之嚴(yán)重，煤塵濃度的升高，污染巡檢人員巡檢環(huán)境；

2)帶速提高，在人行巷道側(cè)寬度一定的情況下，對(duì)巡檢人員的安全威脅增大。

除此之外，長(zhǎng)運(yùn)距的帶式輸送機(jī)靠人來(lái)往返巡檢，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且一旦發(fā)生安全事故后，人員撤離時(shí)間增加，而且一次巡檢時(shí)間較長(zhǎng)，巡檢速度慢，實(shí)時(shí)性難以保證[8]。

隨著近些年智能化、自動(dòng)化、信息化技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的飛速發(fā)展，設(shè)計(jì)和研發(fā)自動(dòng)化的帶式輸送機(jī)沿線(xiàn)巡檢機(jī)器人，代替人工在帶式輸送機(jī)沿線(xiàn)的巡檢工作是十分必要的[9，10]。

2 運(yùn)輸巷道巡檢機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案

巡檢機(jī)器人主要由移動(dòng)底盤(pán)、控制單元、信息采集模塊組成。

2.1 硬件組成

主要包含移動(dòng)平臺(tái)(帶隔爆腔體)，照明設(shè)施，控制按鈕、氣體濃度傳感器模塊，攝像頭、紅外熱像儀以及布置在隔爆腔體內(nèi)的電源模塊、控制單元、驅(qū)動(dòng)單元等組成[8-10]，如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)圖

2.2 電控系統(tǒng)組成

巡檢機(jī)器人由電池供電，電池有一個(gè)開(kāi)關(guān)控制板和電源開(kāi)關(guān)。電池供電和充電線(xiàn)接入總電控系統(tǒng)。總電控系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，分析，運(yùn)動(dòng)控制，燈光控制，喇叭控制，電源管理功能。各種具體功能模塊接入總電控系統(tǒng)，如圖2所示[11，12]。

圖2 電控系統(tǒng)組成圖

3 運(yùn)輸巷道巡檢機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)組成

本文選取的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為濟(jì)寧三號(hào)煤礦七采東部邊界帶式輸送機(jī)沿線(xiàn)人行側(cè)，空間有限，為了避免掉入水溝和觸碰帶式輸送機(jī)機(jī)架，可供巡檢機(jī)器人行走的路面寬度在0.85～1.5m之間，如圖3所示(其中：A區(qū)域?yàn)樗疁?，B區(qū)域?yàn)橄锏缆访妫珻區(qū)域?yàn)楣潭ㄔO(shè)備)，巡檢機(jī)器人行走時(shí)兩側(cè)還需盡量留有一定的安全距離，所以機(jī)器人整體尺寸受到了限制，故放棄了笨重寬大的履帶式移動(dòng)底盤(pán)[13]，選擇了四輪式移動(dòng)底盤(pán)，通過(guò)懸掛系統(tǒng)提高移動(dòng)底盤(pán)的通過(guò)性[14]。

圖3 巡檢機(jī)器人行走巷道條件

為了提高移動(dòng)底盤(pán)在井下惡劣工作環(huán)境的工作穩(wěn)定性，采用了帶有中空空洞的非充氣橡膠輪胎，配合金屬輪轂，即滿(mǎn)足了平臺(tái)對(duì)輪胎支持力的要求，又保證了行駛過(guò)程中的平穩(wěn)性，底盤(pán)結(jié)構(gòu)型式如圖4所示。

圖4 巡檢機(jī)器人底盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

4 自主行走功能實(shí)現(xiàn)

巡檢機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，對(duì)巷道環(huán)境以及前進(jìn)路線(xiàn)上出現(xiàn)的人員進(jìn)行識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)自主行走和避障，控制流程如圖5所示。

圖5 巡檢機(jī)器人路面識(shí)別和人員識(shí)別控制流程

巡檢機(jī)器人安裝有四個(gè)路面識(shí)別的攝像頭，左右攝像頭采集圖像，分析道路邊緣信息，根據(jù)邊緣信息分析機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制和速度控制輸出；前后攝像頭采集圖像，分析人員識(shí)別，標(biāo)牌識(shí)別，識(shí)別結(jié)果控制運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如機(jī)器人是否需要掉頭，是否需要停止巡檢，是否需要暫停運(yùn)動(dòng)等。兩個(gè)控制輸出的結(jié)果進(jìn)行綜合，得到最終的控制信號(hào)，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

4.1 巡檢機(jī)器人路面邊緣識(shí)別

巡檢機(jī)器人通過(guò)左右兩顆攝像頭拍攝的圖像信息對(duì)巷道路面進(jìn)行識(shí)別，本方案中通過(guò)選取圖像中前進(jìn)方向一側(cè)水溝邊緣作為特征信息指導(dǎo)巡檢機(jī)器人的行進(jìn)路線(xiàn)，識(shí)別流程如圖6所示。

圖6 巡檢機(jī)器人路面識(shí)別流程圖

巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)讀取視頻輸入得到的彩色圖像，復(fù)雜圖形利用超像素分割，采用SLIC(簡(jiǎn)單的線(xiàn)性迭代聚類(lèi))算法進(jìn)行處理，其結(jié)果通過(guò)邊緣檢測(cè)算法并結(jié)合水溝區(qū)域得到優(yōu)化的邊緣，二值化圖像并使用線(xiàn)段檢測(cè)，篩選線(xiàn)段并拼接為折線(xiàn)作為水溝邊緣，最后將其像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為巡檢機(jī)器人坐標(biāo)系，得到最終路線(xiàn)結(jié)果，如圖7所示。

圖7 巡檢機(jī)器人輸出的邊界識(shí)別圖像(灰色線(xiàn)為識(shí)別的邊界)

4.2 巡檢機(jī)器人行走控制方法

通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別出的道路邊緣為連續(xù)的線(xiàn)段，長(zhǎng)度位置等不確定?？刂茖⑺芯€(xiàn)段信息進(jìn)行分析，得到機(jī)器人水溝側(cè)道路趨勢(shì)和前方道路趨勢(shì)，計(jì)算巡檢機(jī)器人行走方向趨勢(shì)，最終得到巡檢機(jī)器人轉(zhuǎn)向信息，并根據(jù)轉(zhuǎn)向信息控制巡檢機(jī)器人速度(轉(zhuǎn)向越大，速度越小)。

根據(jù)前進(jìn)道路邊緣每間隔3cm一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)擬合道路趨勢(shì)方法為：從機(jī)器人中間到機(jī)器人最前方，擬合一條直線(xiàn)(直線(xiàn)A)，從機(jī)器人前方開(kāi)始處到機(jī)器人前方1m處，再擬合一條直線(xiàn)(直線(xiàn)B)，如圖8所示。

圖8 巡檢機(jī)器人方向控制結(jié)果示意圖

根據(jù)擬合直線(xiàn)計(jì)算轉(zhuǎn)彎角度方法為PID控制算法。以視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)輸出的水溝邊緣為線(xiàn)段C，PID控制目標(biāo)為使直線(xiàn)C所有的點(diǎn)距離機(jī)器人中心線(xiàn)保持設(shè)置值(機(jī)器人寬度一半+機(jī)器人邊緣到道路邊緣間距)。PID控制項(xiàng)為機(jī)器人轉(zhuǎn)向角度。在通過(guò)直線(xiàn)B計(jì)算得到一個(gè)轉(zhuǎn)向角度后，需要通過(guò)直線(xiàn)A限制轉(zhuǎn)向角度，以保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)后邊緣不會(huì)侵入道路邊緣。以保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的安全性。機(jī)器人速度控制基本邏輯為轉(zhuǎn)彎角度越大，速度越低。

4.3 巡檢機(jī)器人人員識(shí)別方法

在巡檢機(jī)器人自主巡檢行走過(guò)程中，前進(jìn)道路上迎面走來(lái)工作人員時(shí)，設(shè)計(jì)讓巡檢機(jī)器人停止前進(jìn)，直到前方人員順利從巡檢機(jī)器人側(cè)方通過(guò)后，繼續(xù)巡檢，人員識(shí)別圖像如圖9所示。

圖9 巡檢機(jī)器人人員識(shí)別圖像

巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)讀取前后攝像頭輸入得到的彩色圖像，喂給Darknet深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到每個(gè)人的位置信息列表，過(guò)濾掉遠(yuǎn)處的人，列表非空，則前方近處有人。

4.4 巡檢機(jī)器人折返和停止控制

巡檢機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)自動(dòng)往返功能，在帶式輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾位置設(shè)置往返的特征信號(hào)標(biāo)識(shí)，巡檢機(jī)器人通過(guò)前后攝像頭檢測(cè)到折返信號(hào)后立即停機(jī)折返，如圖10(a)所示，檢測(cè)到停止標(biāo)識(shí)則結(jié)束巡檢任務(wù)，如圖10(b)所示。

圖10 巡檢機(jī)器人折返、停止標(biāo)識(shí)

5 信息采集系統(tǒng)組成

巡檢機(jī)器人具備自主行走功能后，使得巡檢機(jī)器人有了“腿”，真正從一定程度上代替人工巡檢，還需要給巡檢機(jī)器人裝上“感官”，通過(guò)搭載不同種類(lèi)的傳感器和音視頻采集模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5.1 環(huán)境氣體檢測(cè)

為了保障帶式輸送機(jī)工作環(huán)境的安全，對(duì)巷道內(nèi)的氣體環(huán)境也要有可靠的檢測(cè)手段，巡檢機(jī)器人通過(guò)搭載本安型的氧氣濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、甲烷濃度傳感器和風(fēng)速傳感器，對(duì)巡檢過(guò)程中的氣體環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)定一定的閾值，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況，立即啟動(dòng)聲光電報(bào)警系統(tǒng)。

5.2 視頻采集模塊

巡檢機(jī)器人使用一臺(tái)NanoPC-T3 Plus電腦板負(fù)責(zé)帶式輸送機(jī)沿線(xiàn)的音頻、視頻、熱成像信息的采集和記錄任務(wù)。NanoPC-T3 Plus電腦版連接一只封裝在隔爆外殼中的攝像頭，負(fù)責(zé)巡檢機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中拍攝帶式輸送機(jī)沿線(xiàn)的視頻信息并進(jìn)行存儲(chǔ)，采集的圖像如圖11所示。

圖11 視頻采集畫(huà)面

同時(shí)電腦版還連接一只封裝在隔爆外殼中的紅外熱成像儀，可以拍攝帶式輸送機(jī)沿線(xiàn)的紅外熱感視頻，由此可以采集紅外熱感圖像中的區(qū)域溫度信號(hào)，對(duì)于溫度過(guò)高區(qū)域可發(fā)出報(bào)警信息，尤其是在帶式輸送機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，對(duì)托輥軸承的發(fā)熱情況的監(jiān)控尤為有效[15]。紅外熱感圖像畫(huà)面如圖12所示。

圖12 紅外熱感圖像畫(huà)面

由圖12 中巡檢機(jī)器人傳輸?shù)募t外熱感圖像可清晰的看出，圖中深色區(qū)域?yàn)橥休伒妮S承位置，明顯溫度要高于其他區(qū)域。

6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

自動(dòng)化無(wú)軌巡檢機(jī)器人平臺(tái)搭建完成后，在地面帶式輸送機(jī)沿線(xiàn)進(jìn)行了功能驗(yàn)證試驗(yàn)，通過(guò)在地面上貼黑色膠帶的方式模擬井下水溝邊緣情況，巡檢機(jī)器人自主行走、往返、遇人停車(chē)等功能均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，信息采集系統(tǒng)采集的信息可在本地存入.csv文件中。

巡檢機(jī)器人整機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巡檢機(jī)器人整機(jī)參數(shù)表

7 結(jié) 論

本文介紹了一套自動(dòng)化帶式輸送機(jī)無(wú)軌巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人自主行走、遇人停車(chē)、往返巡檢，實(shí)時(shí)采集帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的氣體環(huán)境信息、視頻信息、聲音信號(hào)、熱感圖像，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，原地聲光電報(bào)警配合報(bào)警信號(hào)上傳，為帶式輸送機(jī)沿線(xiàn)安全生產(chǎn)提供了保障，性能指標(biāo)完全符合現(xiàn)場(chǎng)要求，可在一定程度上代替人工在帶式輸送機(jī)沿線(xiàn)的巡檢任務(wù)，符合煤礦企業(yè)對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)智能化控制、少人化管理的要求。