礦井輪式物料運輸機器人設(shè)計

郝 明 銳

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，建設(shè)全生產(chǎn)過程智能化、信息化、機器人化的智慧礦井已成為煤炭產(chǎn)業(yè)新時期的主要目標(biāo)[1-3]。作為井工型煤礦生產(chǎn)過程中除煤炭外，其余物料及作業(yè)人員的主要運輸手段，礦井輔助運輸系統(tǒng)是整個煤炭生產(chǎn)體系中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其技術(shù)水平和作業(yè)效率，直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)減人增效目標(biāo)的達成[4]。實現(xiàn)井下物料標(biāo)準(zhǔn)化裝載、智能化配送、自動化轉(zhuǎn)運和無人化運輸?shù)倪B續(xù)型輔助運輸工藝是智慧煤礦建設(shè)的必要條件和技術(shù)支撐[5-6]。根據(jù)采用運輸裝備的不同，目前礦井輔助運輸系統(tǒng)主要分為3種形式：軌道運輸、無軌運輸和混合運輸。其中軌道運輸主要采用單軌吊和軌道機車等運輸裝備，因行駛路線固定、運輸工藝成熟，通過對現(xiàn)有設(shè)備進行智能化改造可實現(xiàn)輔助運輸?shù)臒o人化、自動化[7]。有效提高運輸效率、減少轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)是其面臨的主要問題。

無軌輔助運輸主要采用防爆膠輪車作為運載工具，利用車輛機動靈活的特點，可點對點地高效完成井下運輸作業(yè)，在大型高產(chǎn)煤礦中使用日益廣泛。而現(xiàn)有無軌運輸系統(tǒng)主要存在的問題有：①以柴油機動力為主，系統(tǒng)能耗高、尾氣污染嚴(yán)重；②以機械和液壓傳動為主，傳動效率低、可靠性差；③以司機駕駛和人工調(diào)度為主，自動化程度低、信息化水平落后；④涉及車型種類繁雜，運輸作業(yè)碎片化問題嚴(yán)重，難以符合標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的智能物流要求。

針對上述問題，筆者將物聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛技術(shù)同無軌輔助運輸裝備的設(shè)計相結(jié)合，設(shè)計一款具有清潔動力、環(huán)境感知、定位導(dǎo)航和自主行走等功能的礦井輪式物料運輸機器人，作為煤礦智能輔助運輸系統(tǒng)的配套裝備和運載平臺，實現(xiàn)井下主要物料的自動化配送和無人化運輸，對提高輔助運輸效率、減少井下作業(yè)人員數(shù)量、推動智慧煤礦建設(shè)具有重要意義。

1 礦井輪式物料運輸機器人的總體設(shè)計

礦井輪式物料運輸機器人是針對現(xiàn)有無軌輔助運輸裝備難以適應(yīng)煤礦智能化和無人化的發(fā)展需求，根據(jù)井下復(fù)雜運行環(huán)境和特殊工況設(shè)計，以自動駕駛技術(shù)為控制中樞，以防爆電驅(qū)輪式底盤為行走裝置，具備環(huán)境感知、定位導(dǎo)航和路徑規(guī)劃能力，結(jié)合可快速更換的多型上裝載具，自主完成井下主要物料和耗材的長距離運輸作業(yè)。

1.1 礦井輪式物料運輸機器人的系統(tǒng)組成

礦井輪式物料運輸機器人突破了防爆無軌膠輪車的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，采用模塊化設(shè)計，將運輸機器人的行走、裝載等基本功能劃分為相對獨立的單元模塊，可根據(jù)不同的作業(yè)需求進行組合，完成不同的運輸任務(wù)，達到減少車型種類、增加部件通用性的目的，適應(yīng)礦井物料運輸標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展要求。如圖1所示，該機器人主要由遠程監(jiān)控平臺、通用動力底盤和可換承載上裝3部分組成，其中遠程監(jiān)控平臺是整個智能輔助運輸系統(tǒng)的指揮調(diào)度中樞，負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供大數(shù)據(jù)支持，執(zhí)行云端喚醒、實時監(jiān)控等功能，并在需要時進行遠程接管；通用動力底盤是機器人的行走裝置，集成了防爆電驅(qū)線控系統(tǒng)和自動駕駛系統(tǒng)等功能模塊，具備環(huán)境感知、定位規(guī)劃和自主行走等功能，是機器人系統(tǒng)的核心；可換承載上裝是機器人的承載容器和執(zhí)行機構(gòu)，可根據(jù)礦方的使用需求采用不同容積和尺寸的料箱、平板、錨桿艙等運輸載具，也可安裝機械臂、卷纜機等井下常用執(zhí)行機構(gòu)，滿足不同作業(yè)任務(wù)需求。

圖1 礦井輪式物料運輸機器人的系統(tǒng)組成

1.2 礦井輪式物料運輸機器人的技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)當(dāng)前無軌輔助運輸系統(tǒng)的主要使用工況，以及適應(yīng)薄煤層開采的發(fā)展趨勢，該機器人的外形結(jié)構(gòu)采用矮型設(shè)計，如圖2所示，其中底盤整體高度不超過1 000 mm，安裝貨箱后整機高度低于1 500 mm，寬度不超過2 000 mm，長度不超過5 000 mm，擁有良好的井下巷道適應(yīng)性和復(fù)雜路面通過能力。同時，為滿足井下物料長距離高效運輸?shù)男枨?，其井下最大行駛速度不低?0 km/h，最大續(xù)駛里程不小于80 km，可滿足神東等大型礦井物料運輸至少一個來回的使用需求，且車載動力電池具備快換功能，以解決當(dāng)前防爆電驅(qū)車輛存在的續(xù)航焦慮問題。自動駕駛系統(tǒng)是該機器人自主執(zhí)行運輸任務(wù)的基礎(chǔ)，為保障快速移動情況下的作業(yè)安全，其系統(tǒng)響應(yīng)時間應(yīng)不超過0.1 s，傳感設(shè)備的有效測量深度大于20 m，可實現(xiàn)對環(huán)車身360°運行環(huán)境的實時探測。為保證與地面通訊的實時性，車載無線通訊模塊的有效通訊距離應(yīng)大于800 m，配合井下布置的防爆基站實現(xiàn)作業(yè)范圍內(nèi)雙向無線通訊的全覆蓋。礦井輪式物料運輸機器人的主要技術(shù)指標(biāo)見表1，對其動力性能、通過能力和自動駕駛功能制定了相應(yīng)的約束要求。

表1 礦井輪式物料運輸機器人主要技術(shù)指標(biāo)

圖2 礦井輪式物料運輸機器人的結(jié)構(gòu)形式

1.3 礦井輪式物料運輸機器人的技術(shù)架構(gòu)

自動駕駛系統(tǒng)是礦井輪式物料運輸機器人的控制中樞，由四級功能架構(gòu)組成，分別是傳感層、感知層、決策層和執(zhí)行層。傳感層主要由激光雷達、深度相機、慣性測量單元等傳感設(shè)備組成，負(fù)責(zé)實時采集運行環(huán)境特征、機器人姿態(tài)參數(shù)等信息；感知層對所采集信息進行計算融合，對自身位置和環(huán)境狀況進行精確判斷；決策層則根據(jù)得到的當(dāng)前位置信息和運輸任務(wù)目的地信息，對行駛路線進行合理規(guī)劃，同時制定有效的避障措施，并對行走裝置下達一系列動作指令；執(zhí)行層則根據(jù)命令完成相應(yīng)的啟動、加減速、轉(zhuǎn)向和制動等動作[8-11]。

礦井輪式物料運輸機器人整體技術(shù)架構(gòu)如圖3所示，其中自動駕駛系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)主要由傳感設(shè)備、定位模塊和計算單元組成，是實現(xiàn)自動駕駛功能的硬件平臺，其設(shè)備能力和精度直接關(guān)系到機器人運行的可靠性和安全性。軟件系統(tǒng)又分3個層級：實時操作系統(tǒng)、軟件運行框架層和功能模塊層。實時操作系統(tǒng)是機器人軟件系統(tǒng)與硬件平臺的交互接口，采用基于Linux核心的Ubuntu嵌入式操作系統(tǒng)，具有響應(yīng)速度快、可靠性高的特點；軟件運行框架層提供各模塊的開發(fā)和運行環(huán)境，采用ROS機器人操作系統(tǒng)，具備完整的開發(fā)工具包、靈活的計算調(diào)度模型以及豐富的調(diào)試工具，能夠統(tǒng)一提供配置管理、部署運行、底層通信等功能；功能模塊層包括實現(xiàn)環(huán)境感知、定位導(dǎo)航和路徑規(guī)劃等功能的應(yīng)用級程序。

圖3 礦井物料運輸機器人的技術(shù)架構(gòu)

2 防爆電驅(qū)線控底盤系統(tǒng)設(shè)計

2.1 行走底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計

礦井物料運輸機器人的輪式底盤既是機器人的行走裝置和承載結(jié)構(gòu)，又集成了自動駕駛功能的各種單元模塊。底盤采用防爆電驅(qū)技術(shù)，以防爆動力電池為能源，具備線控行走、線控轉(zhuǎn)向和線控制動功能。如圖4所示，行走底盤為前后對稱布置結(jié)構(gòu)，方便機器人在狹長巷道內(nèi)的雙向行駛；行走動力裝置、電動轉(zhuǎn)向裝置、車載動力電池等關(guān)鍵部件均采用雙系統(tǒng)的安全冗余設(shè)計，在正常工作情況下互相配合保證機器人的動力性能，若其中一個系統(tǒng)發(fā)生故障，另一系統(tǒng)仍可以獨立運行，確?；镜男凶吖δ埽坏妆P安裝了四輪獨立懸架，采用空氣彈簧減震和雙叉臂結(jié)構(gòu)形式，具備良好的路面適應(yīng)性和行駛穩(wěn)定性；4個驅(qū)動輪都安裝有輪邊制動裝置，采用彈簧制動、液壓釋放的安全型制動形式；底盤前后兩端對稱布置2個隔爆電控箱，用作自動駕駛控制模塊的防爆結(jié)構(gòu)；環(huán)境感知模塊布置在底盤四角，為系統(tǒng)采集環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖4 礦井物料運輸機器人行走底盤結(jié)構(gòu)

底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用阿克曼轉(zhuǎn)向方式，利用防爆型循環(huán)球式電動轉(zhuǎn)向裝置操縱轉(zhuǎn)向拉桿完成轉(zhuǎn)向動作，配備兩套轉(zhuǎn)向裝置分別實現(xiàn)前后輪轉(zhuǎn)向。制動系統(tǒng)綜合采用電機回饋制動和液壓輪邊制動：在正常行駛情況下，根據(jù)自動駕駛系統(tǒng)規(guī)劃的行駛路線和避障機制，借助牽引電機回饋制動，實現(xiàn)減速、制動等功能，有效減少制動器損耗、降低系統(tǒng)能耗；在緊急制動或駐車情況下，通過防爆電液比例閥控制輪邊制動器實現(xiàn)車輛的快速安全制動。

2.2 行走底盤動力匹配設(shè)計

礦井物料運輸機器人需具備在井下起伏多變和較長坡道路況下執(zhí)行運輸任務(wù)的能力，根據(jù)輔運巷道的常見工況以及機器人的設(shè)計指標(biāo)，進行動力系統(tǒng)的匹配計算，以保證底盤的動力性能。動力電池采用兩組隔爆型鋰離子蓄電池裝置，可提供64 kW·h的運行能量。6種運行工況下對牽引電機的功率需求和相應(yīng)的整機續(xù)駛里程見表2，根據(jù)計算結(jié)果進行動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計。底盤的行走動力裝置由牽引電機和減速器組成，采用46 kW隔爆型高速永磁同步電機，最高轉(zhuǎn)速可達9 000 r/min，具有體積小、功率密度高的特點；減速器具有差速功能，通過傳動半軸驅(qū)動左右輪胎；2套行走動力裝置分別驅(qū)動前后輪，實現(xiàn)四輪驅(qū)動。主要設(shè)備的性能參數(shù)見表3。

表2 礦井輪式物料運輸機器人主要運行工況的牽引電機功率需求分析

表3 礦井輪式物料運輸機器人行走系統(tǒng)性能參數(shù)

2.3 底盤運動學(xué)建模與分析

輪式底盤是物料運輸機器人實現(xiàn)自主行駛功能的執(zhí)行機構(gòu)，通過建立底盤運動學(xué)模型，從幾何學(xué)的角度，確定滿足運動學(xué)約束條件的狀態(tài)量和控制量，實現(xiàn)對機器人運動狀態(tài)的預(yù)測估計，是進行合理路徑規(guī)劃和準(zhǔn)確路徑跟蹤的前提[12]。假定該底盤為一個剛體，對其進行橫縱向解耦，建立如圖5a所示慣性坐標(biāo)系OXY內(nèi)物料運輸機器人的運動學(xué)模型，其中：O點(x0，y0)為機器人質(zhì)心，L為軸距，ψ為底盤橫擺角(航向角)，ω為橫擺角速度，δf為前輪偏角，vf為轉(zhuǎn)向輪速度，V為質(zhì)心速度，δ為質(zhì)心偏角，a為加速度?？紤]到底盤行駛速度相對較低，且其質(zhì)心位于軸距中心，將上述模型簡化為圖5b所示的自行車模型進行分析，其中：P為底盤的瞬時轉(zhuǎn)動中心，R為質(zhì)心轉(zhuǎn)彎半徑。根據(jù)圖5中的幾何關(guān)系，建立機器人運動學(xué)模型微分方程：

圖5 礦井物料運輸機器人的運動學(xué)模型

(1)

其中，質(zhì)心偏角δ和前輪偏角δf的關(guān)系如下：

(2)

綜合式(1)和式(2)，可通過控制量K=[a，δf]可估算出機器人未來一段時間(dt)的狀態(tài)量E=[x0，y0，ψ，V]，其中加速度a通過控制牽引電機和制動系統(tǒng)實現(xiàn)，前輪偏角δf通過控制轉(zhuǎn)向電機實現(xiàn)。自動駕駛系統(tǒng)通過將估算出的機器人運動狀態(tài)參數(shù)與感知系統(tǒng)采集的實際狀態(tài)參數(shù)進行對比，再利用路徑跟蹤算法消除兩種控制量的偏差實現(xiàn)機器人沿所期望的路徑行駛。

3 環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計

礦井輪式物料運輸機器人的環(huán)境感知功能是基于同時定位與建圖技術(shù)(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)[13-15]，綜合采用視覺和激光SLAM技術(shù)，以相對較低的設(shè)備成本實現(xiàn)機器人對運行環(huán)境的感知探測。環(huán)境感知系統(tǒng)主要由布置在底盤前后兩端主隔爆電控箱中的傳感單元，以及布置在底盤四角的隔爆型傳感器箱組成，布置方式如圖6a所示，感知傳感器主要參數(shù)見表4。兩個平面激光雷達系統(tǒng)分別位于底盤前后兩端，以主隔爆電控箱體作為防爆結(jié)構(gòu)，利用其視野范圍寬、可靠性高的特點，實時采集運行環(huán)境的點云數(shù)據(jù)；數(shù)個RGB-D深度相機分別布置在主隔爆箱和傳感器箱中，組成環(huán)繞車身的視覺感知群，利用紅外成像技術(shù)，在機器人行駛過程中實時提取巷道環(huán)境的圖像特征和深度信息；傳感器箱中設(shè)置有多個ToF激光測距探頭，利用其探測距離遠、簡單可靠的優(yōu)點，與激光雷達和深度相機共同構(gòu)成機器人的遠、中、近三層探測范圍網(wǎng)絡(luò)。在機器人移動過程中利用數(shù)據(jù)融合算法，將實時采集的圖像信息、深度信息和點云信息進行融合分析，建立巷道環(huán)境的精確數(shù)字地圖，為機器人準(zhǔn)確定位提供數(shù)據(jù)支持。環(huán)境感知系統(tǒng)的探測范圍如圖6所示。

圖6 礦井輪式運輸機器人的環(huán)境感知系統(tǒng)

表4 礦井物料運輸機器人感知傳感器參數(shù)

4 無線通訊及定位導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

4.1 無線通訊系統(tǒng)設(shè)計

礦井輪式物料運輸機器人的定位導(dǎo)航功能是利用井下無線通訊網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合自身的環(huán)境感知模塊，通過SLAM技術(shù)實現(xiàn)自動行駛時的自主精確定位。無線通訊系統(tǒng)采用低延遲的WiFi+LoRa+UWB解決方案，其中WiFi模塊負(fù)責(zé)提供高速視頻信號傳輸功能，采用2.4 GHz通訊頻段；LoRa模塊提供遠距離通訊功能，避免出現(xiàn)通訊盲區(qū)，采用900 MHz頻段；UWB模塊提供高精度定位功能，中心頻率在3.5～6.5 GHz，其在單向300 m距離內(nèi)定位誤差不超過30 cm[16-20]，技術(shù)參數(shù)見表5。在井下巷道內(nèi)部署包含上述模塊的防爆基站，采取雙側(cè)PCB定向天線方式，最大布置間隔可達800 m以上，使無線通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋機器人運行范圍。同時在機器人本體安裝相應(yīng)的通訊終端，實現(xiàn)雙向無線數(shù)據(jù)傳輸。

表5 礦井物料運輸機器人無線通訊模塊技術(shù)參數(shù)

4.2 自主定位系統(tǒng)設(shè)計

礦井物料運輸機器人通過無線通訊系統(tǒng)可實現(xiàn)井下巷道內(nèi)的線性定位，對自身所在的位置做出初步判斷，再通過環(huán)境感知模塊采集的數(shù)據(jù)信息，利用SLAM技術(shù)實現(xiàn)對自身位置的準(zhǔn)確估算。圖7所示為定位導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)：機器人進行作業(yè)時利用無線通訊系統(tǒng)和慣性測量單元(IMU)采集的數(shù)據(jù)對自身進行初步的線性定位，再利用感知模塊采集的環(huán)境點云模型和深度圖像，與數(shù)據(jù)庫中的高精度地圖(可通過礦井大數(shù)據(jù)平臺獲取或是利用車載感知模塊通過深度學(xué)習(xí)算法構(gòu)建)進行對比，并放在一個坐標(biāo)系內(nèi)做配準(zhǔn)，配對成功后確定自身準(zhǔn)確位置，實現(xiàn)自主精確定位。

圖7 礦井物料運輸機器人的自主定位系統(tǒng)架構(gòu)

5 結(jié) 論

1)實現(xiàn)井下物料標(biāo)準(zhǔn)化裝載、智能化配送、自動化轉(zhuǎn)運和無人化運輸?shù)倪B續(xù)型輔助運輸工藝是智慧煤礦建設(shè)的必要條件和技術(shù)支撐，而當(dāng)前現(xiàn)有的煤礦無軌輔助運輸設(shè)備和工藝存在自動化程度低、信息化水平落后等問題，難以滿足輔助運輸智能化的發(fā)展要求。礦井輪式物料運輸機器人利用物聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛技術(shù)，可實現(xiàn)井下物料運輸?shù)臒o人化和智能化，能有效緩解當(dāng)前智慧煤礦建設(shè)中存在的輔助運輸瓶頸，對實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的減人增效有重要意義。

2)針對煤礦井下的特殊工況和物料運輸需求，提出了礦井輪式物料運輸機器人的設(shè)計方案、技術(shù)指標(biāo)和總體架構(gòu)，明確了機器人各系統(tǒng)的層級關(guān)系和功能單元組成。并進行了機器人動力系統(tǒng)的匹配設(shè)計和運動學(xué)模型分析，根據(jù)行走底盤運動的約束條件建立了相應(yīng)的微分方程，提出了預(yù)測該機器人行駛情況的狀態(tài)參數(shù)和控制變量。

3)提出了礦井輪式物料運輸機器人環(huán)境感知系統(tǒng)的設(shè)計方案和布置形式，通過深度相機紅外成像技術(shù)和平面激光雷達探測相融合的方法，以相對較低的硬件成本實現(xiàn)對運行環(huán)境的可靠感知。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了機器人無線通訊系統(tǒng)的解決方案，通過在井下部署低延遲的WiFi+LoRa+UWB防爆基站，實現(xiàn)機器人運行范圍內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。并結(jié)合無線通訊系統(tǒng)的線性定位功能和環(huán)境感知系統(tǒng)的SLAM定位技術(shù)，實現(xiàn)礦井輪式物料運輸機器人的自主精確定位。