基于TD-LTE技術(shù)的煤礦運輸系統(tǒng)智能巡測機器人的研究

文/榮國慶

運輸系統(tǒng)是煤礦正常生產(chǎn)經(jīng)營的“血管”，而日常巡檢是其可靠運行的必要保證。在分析巡測人員工作流程和工作內(nèi)容的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于TD-LTE技術(shù)和以MSP430F149微控制器為核心的適用于煤礦運輸系統(tǒng)的巡測機器人系統(tǒng)，可以對煤礦運輸系統(tǒng)沿線的運輸設(shè)備和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時檢測和數(shù)據(jù)采集，具有集成多種環(huán)境感知檢測、超聲波避障、攝像頭視頻獲取、數(shù)據(jù)無線傳輸、智能充電與巡檢以及可視化運行管理平臺等先進(jìn)技術(shù)，能夠在很大程度上減少煤礦工人的巡檢壓力，提高煤炭企業(yè)的安全管理水平。

一、系統(tǒng)組成

基于TD-LTE技術(shù)的煤礦運輸系統(tǒng)智能巡測機器人采用軌道吊掛式移動結(jié)構(gòu)，由信息采集傳感器、控制單元、無線通訊模塊、電池和充電管理模塊以及軌道與行走機構(gòu)五部分組成。其中，信息采集傳感器相當(dāng)于巡檢機器人的環(huán)境感知器官，用來采集與安全生產(chǎn)相關(guān)的關(guān)鍵信息；控制單元相當(dāng)于巡檢機器人的大腦，能夠?qū)崿F(xiàn)對控制信號的接收與處理，并實現(xiàn)對巡檢機器人相關(guān)業(yè)務(wù)操作的控制與執(zhí)行；無線通信模塊相當(dāng)于巡檢機器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將通過搭載在機器人中用于信息采集的傳感器所采集到的信息傳輸至巡檢機器人控制單元，或是通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口傳輸給第三方接收媒介用于二次開發(fā)與應(yīng)用；電池和充電管理模塊是巡檢機器人的能源供應(yīng)來源，是確保巡檢機器人具備正常工作能力的基礎(chǔ)；軌道與行走機構(gòu)是確保巡檢機器人能夠正常移動的基本條件，可以盡可能地減少煤礦井下復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境對巡檢機器人行進(jìn)的影響。

二、系統(tǒng)設(shè)計

1.傳感器單元

煤礦運輸系統(tǒng)智能巡檢機器人攜帶的傳感器主要有涉及環(huán)境溫度與濕度檢測的溫濕度傳感器，涉及井下危險氣體（甲烷、一氧化碳）和氧氣含量檢測的一體化氣體濃度監(jiān)測傳感器，涉及井下異常噪聲采集的拾音器、井下視頻監(jiān)測的高清攝像頭，以及用于輔助巡檢機器人定位的位移傳感器等。

2.控制單元

控制器采用自帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的低功耗MSP430F148芯片作為主控器件，其中A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入通道經(jīng)P6數(shù)據(jù)管腳復(fù)來達(dá)成。利用多路開關(guān)芯片的通道選擇解決了巡檢機器人需要采集的數(shù)據(jù)信息種類繁多的問題。其中，將I2C接口數(shù)字信號作為溫濕度傳感器輸出使用，應(yīng)用較為便捷。

智能巡測機器人通過嵌入式低功耗微控制器進(jìn)行智能控制，采用直流無刷電機實現(xiàn)大扭矩靜音移動。首次使用時，手動復(fù)位并啟動巡檢機器人運行電機控制巡檢機器人運行，通過起始黑線后，利用紅外光電傳感器與超聲波傳感器進(jìn)行運行路徑環(huán)境監(jiān)測，由單片機判斷避障條件并進(jìn)行避障控制。同時，通過雙極式H型PWM脈寬調(diào)制技術(shù)來優(yōu)化巡檢機器人在行進(jìn)過程中的穩(wěn)定性，保障巡檢機器人的正常運行，巡檢機器人的行進(jìn)路程與時間通過動態(tài)共陰進(jìn)行顯示。

3.無線藍(lán)牙模塊

由于煤礦運輸系統(tǒng)巡檢機器人的使用環(huán)境復(fù)雜，運行覆蓋面范圍大，所以在進(jìn)行關(guān)系信息傳輸時采用無線傳輸?shù)姆绞揭蕴岣咝畔鬏斝?，降低系統(tǒng)運行成本。在這里使用的是以包含主機端、應(yīng)用程式與微控制器為一體的低功率消耗的單晶片為主體的CC2540無線藍(lán)牙模塊。CC2540包含快閃記憶體、無線信號強度反饋、信息加密引擎、全速USB2.0界面等核心部件，并結(jié)合8051標(biāo)準(zhǔn)加強型微控制器及無線射頻傳輸接收器。將一個容量為32KB的RAM用于存儲運行過程中的數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)MSP430F149處理器加工后將相關(guān)指令信息通過編碼接口輸出，以供其他設(shè)備接收與調(diào)用。通過無線藍(lán)牙模塊可以實現(xiàn)巡檢機器人采集信息的實時無線傳輸，保障了信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性與便捷度，為巡檢機器人在煤礦復(fù)雜環(huán)境的運行奠定了基礎(chǔ)。

4.LTE無線模塊

大唐TD-LTE網(wǎng)絡(luò)CPE是針對行業(yè)應(yīng)用的專業(yè)型LTE無線模塊，集LTE調(diào)制解調(diào)器、路由器和接入點三者功能于一體，提供安全、可靠、方便、靈活的無線寬帶連接，可實現(xiàn)組建物聯(lián)數(shù)據(jù)專網(wǎng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)監(jiān)控等7×24小時無人值守的高帶寬應(yīng)用。

模塊采用MIPS內(nèi)核高性能網(wǎng)絡(luò)處理器，主頻600MHz，配有128Mbytes DDR2內(nèi)存和16Mbytes SPI NOR FLash。設(shè)備豐富的外設(shè)滿足用戶從遠(yuǎn)距離串口通信、近距離串口通信、I/O通信、以太網(wǎng)到LTE網(wǎng)絡(luò)的多種通信方式。

5.自動充電與電池管理

智能巡測機器人移動機構(gòu)由30AH鋰電池組供電，由電池管理板對電池狀態(tài)進(jìn)行管理，并提供高/低電量報警輸出。當(dāng)?shù)碗妷侯A(yù)警時，自動控制機器人由正常巡視模式轉(zhuǎn)入低電壓充電模式，機器人將自動進(jìn)入充電區(qū)域，由接近開關(guān)精準(zhǔn)定位行走機構(gòu)接入充電器，導(dǎo)通充電器進(jìn)行充電；當(dāng)充電管理模塊檢測到電池充滿后，控制器自動控制充電器斷電，系統(tǒng)由充電模式轉(zhuǎn)入充滿返回狀態(tài)并向正常巡視區(qū)域移動。當(dāng)經(jīng)過區(qū)域臨界點后，系統(tǒng)切換至正常巡視狀態(tài)并自動往返運行。

三、實際應(yīng)用

目前，基于TD-LTE技術(shù)的煤礦運輸系統(tǒng)智能巡測機器人已在張雙樓煤礦主運系統(tǒng)投入使用。

機器人巡檢過程中可通過攜帶的紅外熱成像儀對管線與關(guān)鍵設(shè)備溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，通過配套機器人運行管理系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)范圍的甄別，當(dāng)檢測結(jié)果超出預(yù)設(shè)閾值時，通過管理系統(tǒng)發(fā)出警報，提醒調(diào)度值班人員對異常情況進(jìn)行核查，并安排相關(guān)崗位工人進(jìn)行現(xiàn)場故障排查。

利用TD-LTE無線基站與現(xiàn)有井下萬兆光纖網(wǎng)絡(luò)，將巡檢機器人巡檢過程中采集到的視頻畫面，傳輸至調(diào)度室的機器人運行管理系統(tǒng)，通過智能圖像識別算法實現(xiàn)對皮帶跑偏、撕裂以及輸送物料中是否存在異物（錨桿、釬子等條形尖銳物）的監(jiān)測。當(dāng)出現(xiàn)異常檢測結(jié)果時，通過運行管理系統(tǒng)在調(diào)度室發(fā)出報警，同時系統(tǒng)畫面會自動跳轉(zhuǎn)顯示異常監(jiān)測點的視頻畫面，以便于人工排查。

利用拾音器采集現(xiàn)場生產(chǎn)運行的聲音，將運行的聲音信息傳輸至運行管理系統(tǒng)，通過聲音識別算法將現(xiàn)場采集的聲音轉(zhuǎn)換成對應(yīng)聲音的振幅與振動頻率信息，并實現(xiàn)對異常聲音的診斷與識別。同時，可實現(xiàn)聲音監(jiān)測異常報警，當(dāng)出現(xiàn)異常報警時調(diào)度室值班人員可通過機器人運行管理系統(tǒng)控制機器人至異常點附近位置進(jìn)行核查。

利用OPC協(xié)議打通機器人運行管理系統(tǒng)與煤礦生產(chǎn)控制系統(tǒng)的信息傳遞實現(xiàn)聯(lián)動控制，運行管理系統(tǒng)可以實時監(jiān)測生產(chǎn)控制系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)與報警信號。當(dāng)監(jiān)測到生產(chǎn)控制系統(tǒng)報警信號時，機器人運行管理系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的相應(yīng)報警點對應(yīng)的位置信息自主運行至報警點位置，以便于生產(chǎn)調(diào)度管理人員在第一時間掌握現(xiàn)場實際情況?；赥D-LTE技術(shù)的煤礦運輸系統(tǒng)智能巡測機器人續(xù)航能力達(dá)20小時以上，可以通過機器人運行管理系統(tǒng)自主設(shè)置巡檢計劃與巡檢路線，通過實際使用驗證可以滿足煤礦現(xiàn)場生產(chǎn)使用的需求。

四、結(jié)論

基于TD-LTE技術(shù)的煤礦運輸系統(tǒng)智能巡測機器人控制系統(tǒng)，采用MSP430F148微控制器作為核心處理器，采用基于大唐電信的TD-LTE網(wǎng)關(guān)模塊和CC2540無線藍(lán)牙芯片，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸和系統(tǒng)的遠(yuǎn)程交互控制，結(jié)合直流無刷電機驅(qū)動單元和軌道行走結(jié)構(gòu)組成智能巡測機器人的硬件系統(tǒng)，為礦用巡測機器人的實用化奠定了基礎(chǔ)。同時，智能巡測機器人控制系統(tǒng)能夠在運輸系統(tǒng)沿線移動過程中進(jìn)行多種傳感器信息的采集和現(xiàn)場圖像的回傳，并通過運行管理系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)場運行故障診斷與報警，可適用于低照度、高溫潮濕以及具有粉塵的嚴(yán)苛工作環(huán)境，實現(xiàn)機器換人、智能減人，具有極大的市場應(yīng)用前景。