煤礦救援機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)要素及未來研究方向

賈 媛

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)科技發(fā)展有限公司，山西 太原 030006)

礦井事故發(fā)生后，原有巷道地質(zhì)條件遭到破壞，頂板垮塌，設(shè)備散落，地形復(fù)雜多變；現(xiàn)場溫度高，充滿粉塵、爆炸性氣體及有害氣體，存在二次爆炸風(fēng)險。若直接派遣人力救援，種種不確定因素將為救援安全帶來隱患。因此，運(yùn)用救援機(jī)器人代替救援人員第一時間進(jìn)入現(xiàn)場，探測井下巷道破壞程度、有毒氣體含量、被困人員位置等信息，對提高救援效率，把握黃金救援時間，減少二次損傷意義重大。

救援機(jī)器人一般由機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動電機(jī)、感應(yīng)識別單元、信號傳輸單元、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)組成。為實(shí)現(xiàn)煤礦救援目標(biāo)任務(wù)，救援機(jī)器人需要具備環(huán)境建模、路徑?jīng)Q策、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ芤约胺辣阅堋?/p>

1 煤礦救援機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)要素

1.1 環(huán)境建模

作為救援“先遣隊(duì)”，獲取現(xiàn)場環(huán)境信息是救援機(jī)器人的一項(xiàng)重要任務(wù)，也是作出后續(xù)救援決策的基礎(chǔ)。機(jī)器人需不斷通過傳感裝置探測周邊環(huán)境信息，包括氣體參數(shù)、溫濕度、障礙物位置等，建立起環(huán)境場模型。氣體分析傳感儀、溫濕度傳感器已發(fā)展成熟，當(dāng)前研究重點(diǎn)主要為探測障礙物位置，建立環(huán)境場模型。常見建模技術(shù)包括超聲波掃描傳感技術(shù)、激光掃描傳感技術(shù)和視覺傳感技術(shù)。

1.1.1超聲波掃描傳感技術(shù)

基于超聲波反射原理，超聲波遇靜止障礙物形成反射回波，遇移動障礙物產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，通過測量超聲波發(fā)射和反射之間的時間差計算障礙物距離。超聲波掃描技術(shù)具有探測快、安裝簡易、成本低、質(zhì)量輕[1]的特點(diǎn)，但聲波傳播時呈現(xiàn)錐形，無法做到垂直輻射障礙物，因此會導(dǎo)致測量誤差較大[2].

1.1.2激光掃描傳感技術(shù)

激光掃描傳感技術(shù)通過光反射原理獲取機(jī)器人與障礙物距離信息?，F(xiàn)激光掃描設(shè)備有二維掃描和三維掃描兩種，二維掃描通過平面光反射條獲取單個平面物理信息，三維掃描則在二維掃描基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)動掃描平面，實(shí)現(xiàn)第三空間方向上的掃描，因此三維掃描技術(shù)較二維掃描成本更高。激光掃描傳感數(shù)據(jù)量小，且不受井下光照環(huán)境影響，技術(shù)發(fā)展成熟，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于室內(nèi)移動機(jī)器人、無人車駕駛中[3].

1.1.3視覺傳感技術(shù)

視覺傳感是對同一場景通過兩個或多個視點(diǎn)進(jìn)行觀察，獲得不同視點(diǎn)在其對應(yīng)視角下的一組圖像，之后，通過三角測量原理計算不同圖像中對應(yīng)像素間的視差，獲得場景中目標(biāo)的空間位置[2].

煤礦應(yīng)用中，視覺傳感技術(shù)面臨的主要問題是井下照度低、粉塵多，導(dǎo)致傳輸畫面質(zhì)量差，因此必須通過去噪、圖像增強(qiáng)等后期圖像處理方法提高圖像信息質(zhì)量，如基于深度圖像的點(diǎn)云圖三維建模、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算等。圖像數(shù)據(jù)處理時耗長，有可能造成后續(xù)命令延遲，因此數(shù)據(jù)處理速度也是衡量機(jī)器人性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

為提高環(huán)境探測精度和效率，結(jié)合圖像視覺分析、激光測距、超聲波測距、紅外線感應(yīng)、雷達(dá)定位、碰撞感應(yīng)等的多傳感器融合技術(shù)將是未來環(huán)境建模研究的主要方向。

1.2 路徑?jīng)Q策

路徑?jīng)Q策分為被動與主動兩種方式，被動決策即操作人員遠(yuǎn)程控制，主動決策即機(jī)器人自行分析數(shù)據(jù)進(jìn)行自主決策。

1.2.1遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)程控制即機(jī)器人無自主分析、決策能力，上位機(jī)采集機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺分析，操作人員根據(jù)上位機(jī)處理信息對機(jī)器人直接發(fā)出控制命令，使其按要求作出動作。

1.2.2自主決策

遠(yuǎn)程控制高度依賴操作人員的時間投入和決策經(jīng)驗(yàn)，為將操作人員的精力投入到更高層面決策中，同時避免誤操作，需要開發(fā)機(jī)器人自主決策能力，即智能性。機(jī)器人自主決策一般分為兩步：1) 根據(jù)已知地圖信息計算出一條從起點(diǎn)到目的地的最優(yōu)無碰撞路徑。2) 根據(jù)該路徑行進(jìn)過程中，對未記錄的障礙物進(jìn)行探測和躲避，動態(tài)修正已知地圖信息[4].

針對環(huán)境不確定性，西安科技大學(xué)進(jìn)行了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的救援機(jī)器人遠(yuǎn)程控制技術(shù)研究[5]. 該研究首先以巷道圖紙為基礎(chǔ)作為已知地圖信息，設(shè)置原始地圖數(shù)據(jù)庫，建立包含虛擬巷道與虛擬機(jī)器人模型的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制仿真系統(tǒng)。通過機(jī)器人傳感器(如超聲波傳感器、激光測距儀、傾角儀、攝像頭等)以及碰撞檢測所得數(shù)據(jù)，得出井下機(jī)器人在巷道所在位置及旋轉(zhuǎn)角度；確定位置后，針對原始巷道形變，機(jī)器人不斷將傳感器信息傳回虛擬仿真及控制平臺，獲得遮擋物位置，對原始地圖數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時動態(tài)修正。上述過程稱為定位與地圖創(chuàng)建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)[4]，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主決策的關(guān)鍵步驟。

依據(jù)以上信息，調(diào)整仿真系統(tǒng)中虛擬機(jī)器人的位置和狀態(tài)，使其與井下機(jī)器人一致。系統(tǒng)以虛擬機(jī)器人為分析對象，根據(jù)其所處環(huán)境及自身姿態(tài)進(jìn)行運(yùn)動軌跡仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果不斷修正決策，從而決定實(shí)體機(jī)器人路徑規(guī)劃，這種方法也稱為動態(tài)路徑規(guī)劃[6]，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的救援機(jī)器人路徑?jīng)Q策方式見圖1.

圖1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的救援機(jī)器人路徑?jīng)Q策流程圖

在實(shí)際應(yīng)用中，為提高救援機(jī)動性和靈活性，可以將遠(yuǎn)程控制與自主決策結(jié)合，形成人機(jī)協(xié)作，即操作人員可通過仿真界面觀察救援機(jī)器人行進(jìn)狀態(tài)，并做出指令進(jìn)行人工干預(yù)。中國礦業(yè)大學(xué)提出了人機(jī)協(xié)作混合控制體系，系統(tǒng)按照控制方式分為3種：直接控制、共享控制和監(jiān)督控制[2].

1) 直接控制。等同于遠(yuǎn)程控制，機(jī)器人完全按操作人員指令動作。

2) 共享控制。操作人員發(fā)出總路徑規(guī)劃指令，機(jī)器人以總指令為行為準(zhǔn)則，根據(jù)自身感知結(jié)果進(jìn)行決策，機(jī)器人有一定的智能性。

3) 監(jiān)督控制。機(jī)器人將感知信息傳輸?shù)椒抡嫦到y(tǒng)中進(jìn)行路徑規(guī)劃，并在執(zhí)行過程中根據(jù)實(shí)際情況修正仿真模型，操作人員僅起監(jiān)督和人工干預(yù)作用，機(jī)器人有更高層面的智能性。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸

為上傳感應(yīng)數(shù)據(jù)、下達(dá)決策命令，數(shù)據(jù)傳輸是救援機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)其設(shè)計功能的基礎(chǔ)之一。數(shù)據(jù)傳輸方式分有線、無線兩種，其中無線包括WiFi、Zigbee、藍(lán)牙、LoRa等，各個無線通信的傳輸特性見表1[7]. 基于無線通信無需布線、建網(wǎng)便捷、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，大多選擇無線通信。

表1 無線通信傳輸特性對比表

可見WiFi通信速率高，適用于大容量、高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸，如圖像數(shù)據(jù)，其通信距離略微制約其應(yīng)用；LoRa通信速率較低，通信距離覆蓋廣，同時功耗低，適用于對傳輸速率要求不高的情景，如煤礦數(shù)據(jù)監(jiān)測；Zigbee主要性能介于LoRa與WiFi之間；藍(lán)牙通信速率低、傳輸距離短，不適宜用于工程救援中；因后兩種技術(shù)較WiFi與LoRa并無優(yōu)勢，暫不進(jìn)行討論。

中國礦業(yè)大學(xué)提出無線有線相結(jié)合的混合以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)以光纖為主要通信介質(zhì)，輔以無線中繼模塊，通過多臺機(jī)器人搭建長距離范圍的通訊系統(tǒng)[2]. 每臺機(jī)器人搭載1 000 m光纜，光纜兩端端頭有WiFi無線模塊，多臺機(jī)器人共同行進(jìn)，1號機(jī)器人逐漸釋放電纜直至末端，此時1號機(jī)器人停止行進(jìn)，2號機(jī)器人繼續(xù)行進(jìn)并開始放纜，兩段電纜的無線模塊自動連接，如此，N臺機(jī)器人可以搭建1 000×N m的通信網(wǎng)絡(luò)。此方案特點(diǎn)是數(shù)據(jù)抗干擾性強(qiáng)、傳輸速率高、通信距離長，但依賴機(jī)器人數(shù)量，系統(tǒng)整體能耗高、成本高。

西安科技大學(xué)提出一種煤礦井下應(yīng)急救援無線通信網(wǎng)絡(luò)搭建系統(tǒng)，即當(dāng)井下機(jī)器人檢測到網(wǎng)絡(luò)通訊不暢、信號弱時，將儲存在機(jī)器人內(nèi)部的多個嵌入通信電子元件的無線中繼器推出，作為新增通信點(diǎn)，在通信主機(jī)與機(jī)器人之間搭建通信線路，實(shí)現(xiàn)信號恢復(fù)和增強(qiáng)[5].

基于LoRa技術(shù)傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低的特點(diǎn)，LoRa多應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)、數(shù)據(jù)抄表中，在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用較少。東南大學(xué)以LoRa為通訊媒介，結(jié)合無線圖傳模塊設(shè)計了一款影音實(shí)時傳輸搜救機(jī)器人，達(dá)到實(shí)時傳輸環(huán)境參數(shù)和位置參數(shù)的目的[8]. 該方案已成功實(shí)現(xiàn)，但未見試驗(yàn)結(jié)果，因此該技術(shù)在救援機(jī)器人中的應(yīng)用仍待進(jìn)一步觀察。

1.4 防爆性能

防爆性能是煤礦救援機(jī)器人能否投入井下應(yīng)用的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通過借鑒傳統(tǒng)礦用機(jī)電設(shè)備防爆設(shè)計，加設(shè)隔爆外殼可以滿足防爆性能。隔爆外殼是指能承受滲入到外殼內(nèi)部可燃性氣體混合物的爆炸壓力，并阻止內(nèi)部的爆炸向外殼周圍可燃性混合物傳播，同時也不會造成機(jī)器人自身損壞的電氣設(shè)備外殼[9]. 救援機(jī)器人一般由其攜帶的電池供電，機(jī)器人體積小、重量輕，則所需電池容量??；若加設(shè)普通防爆外殼，其體積和重量又會增大工作功率，耗電量增大，所需電池容量大，大容量電池本身的體積和重量再次加劇耗電量，形成容量和耗電量互為矛盾的現(xiàn)象。為解決上述問題，可以從外殼材料輕量化[10]、防爆結(jié)構(gòu)簡易化[11]兩方面研究。

1.4.1外殼材料輕量化

從外殼材料輕量化角度進(jìn)行探索，可以研究應(yīng)用碳纖維、鈦合金等，取代當(dāng)前鋼鐵材料，兼具防爆及輕量性能，目前噴涂機(jī)器人已部分使用碳纖維達(dá)到減輕質(zhì)量的目的；或采用傳統(tǒng)輕量材料并輔以表面處理，提高表面阻燃、抗壓和抗靜電性。具體應(yīng)用過程中需考慮不同材料特性以及成本投入問題，可采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計減少用料。

1.4.2防爆結(jié)構(gòu)簡易化

中國礦業(yè)大學(xué)從理論上進(jìn)行了煤礦救援機(jī)器人防爆創(chuàng)新設(shè)計探討，提出簡化防爆結(jié)構(gòu)和短時防爆技術(shù)兩項(xiàng)措施減輕機(jī)器人重量[11]. 簡化防爆結(jié)構(gòu)即井下救援時，一般不會對機(jī)器人進(jìn)行拆裝和維修，因此認(rèn)為可省略隔爆電機(jī)接線腔；短時防爆技術(shù)即在機(jī)器人工作時長內(nèi)，保證其隔爆腔內(nèi)爆炸氣體濃度低于爆炸下限即可。此方案僅從理論上進(jìn)行研究，未進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)，同時還需考慮其對當(dāng)前防爆標(biāo)準(zhǔn)和煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)的響應(yīng)問題。

與救援機(jī)器人工作環(huán)境相似的噴漆機(jī)器人現(xiàn)已配備經(jīng)反復(fù)修訂的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9182—2014《噴漆機(jī)器人通用技術(shù)條件》，可為煤礦救援機(jī)器人提供技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)層面的借鑒。

2 其他發(fā)展方向

2.1 模塊化設(shè)計

實(shí)際救援中，復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境需要救援機(jī)器人頻繁進(jìn)行越障工作，且二次垮塌、爆炸、遇水短路等隱患使機(jī)器人面臨不可避免的破壞，一旦機(jī)器人停止工作，將直接導(dǎo)致救援工作失敗，前期投入盡棄。國外兩起應(yīng)用先例中，美國Sago煤礦救援機(jī)器人行進(jìn)過程中陷入泥潭導(dǎo)致救援工作停止[12]，新西蘭救援機(jī)器人在井下途徑水面發(fā)生短路無法繼續(xù)行進(jìn)，因早期機(jī)器人體型龐大，在救援行動失敗后就被遺棄在井下[13].

因此，救援機(jī)器人系統(tǒng)的容錯能力與故障處理能力成為救援能否成功的關(guān)鍵因素之一，模塊化設(shè)計[14，15]成為救援機(jī)器人的又一發(fā)展方向。一方面，模塊化設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)軟硬件模塊可拆卸可替換性，實(shí)現(xiàn)搭載模塊即插即用，節(jié)約成本的同時促進(jìn)功能多樣化發(fā)展；另一方面，從產(chǎn)品市場化角度出發(fā)，通過模塊化設(shè)計，規(guī)范機(jī)器人的規(guī)格型號與制造標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一接口，實(shí)現(xiàn)救援機(jī)器人批量生產(chǎn)，打破行業(yè)發(fā)展壁壘。

2.2 無人機(jī)應(yīng)用

目前，救援機(jī)器人機(jī)械部分多為履帶式、足式、輪式等，隨著無人機(jī)在各領(lǐng)域的應(yīng)用，煤礦救援機(jī)器人多樣化發(fā)展有了新思路。2016年中航鷹航空技術(shù)(北京)有限公司研制的全球首款防爆無人機(jī)—赤鳶，采用航天專用金屬材料和大容量防爆專用電池，實(shí)現(xiàn)了防爆性能，其內(nèi)置高清攝像頭及紅外熱像儀可實(shí)時傳輸現(xiàn)場畫面，并且擁有自主避障飛行、人工操控雙模式控制系統(tǒng)。

淮北礦業(yè)股份有限公司提出理論上可以將該防爆無人機(jī)用于煤礦井下救援中，發(fā)揮其自主避障技術(shù)和對起降所需環(huán)境要求低的優(yōu)勢[16]. 但井下救援除了獲取圖像數(shù)據(jù)，還需對氣體參數(shù)、溫度等環(huán)境信息進(jìn)行檢測，因此未來可以在應(yīng)用試驗(yàn)中豐富無人機(jī)傳感裝置，對其救援性能進(jìn)行檢測。

3 結(jié) 語

為消除制約煤礦救援機(jī)器人發(fā)展的瓶頸，高校與企業(yè)進(jìn)行了大量探索研究，但大多處于理論研究與室內(nèi)仿真階段，并未在模擬煤礦環(huán)境中進(jìn)行測試，因此距離投入實(shí)際應(yīng)用仍有一段距離。精確高效的環(huán)境建模技術(shù)、自主智能的路徑?jīng)Q策技術(shù)和穩(wěn)定快速的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)直接決定了救援機(jī)器人的性能優(yōu)良，防爆性能滿足程度則決定了救援機(jī)器人能否獲得市場應(yīng)用準(zhǔn)入許可，因此需要不斷加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的研究，進(jìn)行多樣化探索，加快煤礦救援機(jī)器人投入實(shí)踐應(yīng)用的發(fā)展進(jìn)程。