礦井偵測無人機研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

張鐸，吳佩利，鄭學召，郭軍

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院， 陜西 西安 710054；2.國家礦山救援西安研究中心， 陜西 西安 710054)

0 引言

礦井災害救援時，快速、精準確定被困人員位置是事故救援的關鍵要素。傳統(tǒng)營救方式是救援人員通過巷道進入受災區(qū)域來展開救援[1]。但發(fā)生災害時期，巷道環(huán)境復雜多變，若貿然通過，危險性大，容易造成二次傷害，給災區(qū)救援偵測帶來很大的困難。

目前，救援機器人被用來代替救援人員進入受災區(qū)域，及時獲取多種環(huán)境參數(shù)，并實時傳回救援指揮中心[2]。然而，救援機器人存在體積較大、靈活性差及越障能力不強等缺點，不能有效滿足實際需求[3]。而無人機具有體積較小、造價低廉、無人員傷亡風險及靈活性強等顯著優(yōu)勢，已在目標跟蹤、應急通信和環(huán)境監(jiān)測等多種領域得到廣泛應用[4]。礦井偵測無人機可進入井下巷道進行實時偵測，利用傳感器對井下的瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度、環(huán)境溫度及傷員位置等信息進行采集與處理，并將這些信息通過數(shù)據(jù)及視音頻實時傳輸?shù)骄仍笓]中心，為救援指揮人員提供決策依據(jù)，以便能最大限度地降低人員傷亡事故發(fā)生的可能性。

礦井偵測無人機在井下受災區(qū)域能否安全高效避開障礙物，實時偵測到環(huán)境信息是提高救援效率的關鍵。本文主要介紹礦井偵測無人機的研究現(xiàn)狀，分析礦井偵測無人機技術在實際應用中存在的問題，并對其發(fā)展趨勢做出展望。

1 礦井偵測無人機研究現(xiàn)狀

目前，國內外專家對礦井偵測無人機進行了深入研究，特別是在動力系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等方面取得了很大進展。礦井偵測無人機系統(tǒng)構架如圖1所示。

1.1 動力系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

礦井偵測無人機動力系統(tǒng)主要包括電動機、動力電源和旋翼機構。

在電動機方面，選擇何種電動機需要考慮到動力電源型號、無人機機身質量及線圈粗細等眾多因素，否則會導致電動機損壞，影響動力系統(tǒng)。蔡剛[5]設計了基于磁場定向控制的直流無刷電動機驅動系統(tǒng)，解決了電動機控制效率低的問題。何帥等[6]采用基于反電勢過零檢測原理的三相全控電橋控制電路驅動電動機轉動，使電動機調速與控制性能大幅提升，更好地滿足了實際需求。莊乾成等[7]采用DSP控制器設計無刷電動機控制電路，提高了電動機穩(wěn)定性和可靠性，為研發(fā)可靠、高效的動力系統(tǒng)提供了參考?，F(xiàn)在多數(shù)礦井偵測無人機采用的是無刷電動機，無刷電動機相比普通電動機有更為出色的調速性能，應用非常廣泛[8]。

圖1 礦井偵測無人機系統(tǒng)架構Fig.1 Structure of mine detection unmanned aerial vehicle system

在動力電源方面，礦井偵測無人機的動力來源主要包括燃料電池、太陽能電池和鋰電池等。戴月領等[9]通過對燃料電池無人機動力系統(tǒng)進行飛行測試，設計了動力系統(tǒng)半實物仿真平臺，提升了系統(tǒng)的設計與開發(fā)水平。張曉輝等[10]設計了礦井偵測無人機的純燃料電池動力系統(tǒng)，并與其他動力系統(tǒng)對比，結果表明純燃料電池不適用于具有高機動性的礦井偵測無人機。曹金亮等[11]分析了鋰離子電池的發(fā)展背景和工作原理，重點探討了鋰聚合物電池的特點與應用前景，為今后救援無人機動力系統(tǒng)的設計提供了參考。

在旋翼機構方面，王剛等[12]應用渦流理論優(yōu)化螺旋槳，為無人機持續(xù)進行井下救援提供了重要參考。陳軍等[13]基于葉素修正理論，提出了分析雙葉螺旋槳新方法，有效提高了無人機動力參數(shù)的精度。張航等[14]通過旋翼理論進行了旋翼槳的設計和性能計算，對無人機動力系統(tǒng)優(yōu)化設計具有一定的指導意義。

無人機動力系統(tǒng)在電動機、動力電源及旋翼機構等方面取得了較大進展，但井下災區(qū)環(huán)境的搜索偵測需要滿足長時間載重續(xù)航的要求，亟需能夠提供長時間續(xù)航的新型能源供應方式。同時，在充滿易燃易爆氣體的環(huán)境中，無人機動力系統(tǒng)必須具有防爆功能。

1.2 定位系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前，礦井偵測無人機定位導航系統(tǒng)主要有慣性導航[15]、衛(wèi)星導航、視覺導航[16]等。其中，無人機視覺導航很早就得到了國外諸多研究機構的重視。Y.M.Mustafah等[17]通過立體視覺傳感器定位系統(tǒng)進行立體視覺捕獲，實驗結果表明，該系統(tǒng)可實時獲取目標位置信息。S.Weiss等[18]研發(fā)了帶有視全向單目攝像頭的實時密集3D地形重建系統(tǒng)，可用于無人機環(huán)境搜索，為標準的自動避障算法和路徑規(guī)劃奠定了堅實的基礎。Zhao Shiyu等[19]開發(fā)了一種基于視覺輔助的無人機慣性導航系統(tǒng)，通過仿真與飛行實驗，理論上驗證了導航系統(tǒng)具有較強的魯棒性和較高的可靠性。

我國的無人機視覺導航研究也取得了一系列成果。刁燦等[20]提出了基于機器視覺的位置測量方法，利用雙目攝像機實時獲得無人機具體位置。潘翔等[21]提出了利用單/雙目視覺估計無人機高度和偏航角，構建雙目立體視覺導航系統(tǒng)采集視頻數(shù)據(jù)。侯永宏等[22]對無人機實施自主導航，設計了一種可以自主感知未知環(huán)境、自主規(guī)劃路徑的旋翼無人機系統(tǒng)。

在無人機定位導航中，具有良好的避障效果是無人機完成偵測任務的前提。偵測無人機在井下巷道飛行時，采用自身傳感器采集周圍信息參數(shù)，通過測量傳感器與障礙物之間的距離達到避障目的。胡海兵等[23]開發(fā)了一種基于超聲波原理的自主導航與預先避障系統(tǒng)，無人機能夠及時地規(guī)避障礙物，可為井下無人機的設計與應用提供參考。萬富華[24]設計了超聲波輔助避障系統(tǒng)，以提高無人機在室內環(huán)境下的可靠性，為救援無人機在未知巷道中飛行提供了有用的參考依據(jù)。張博翰等[25]采用雙目立體視覺導航技術研究無人機在未知環(huán)境中對障礙物的偵測，并生成避障點，使無人機能夠實現(xiàn)避障和安全飛行。

盡管無人機在多個領域得到了廣泛應用，其性能也得到了很大提升,但是，考慮到井下情況的復雜性，單個無人機因其自身條件限制無法滿足多樣化的需求。因此，多無人機協(xié)同搜索將會成為無人機領域的一種發(fā)展趨勢。

1.3 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

礦井偵測無人機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要是對井下災區(qū)環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測，從而使救援人員對受災區(qū)域的情況有更全面的掌握，以提高救援效率。

井下環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測裝置主要由無線傳感器監(jiān)測裝置和地面無線接收裝置組成。其中，無線傳感器監(jiān)測裝置主要由傳感器監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。傳感器監(jiān)測模塊框架如圖2所示。

圖2 傳感器監(jiān)測模塊框架Fig.2 Framework of sensor monitoring module

國內外專家在無人機監(jiān)測方面已開展了大量研究，張倩倩等[26]設計了一種嵌入式雙路圖像采集與傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用可移植性較強的V4L2視頻編程接口實現(xiàn)雙路圖像采集，直觀顯示紅外圖像。王瑜等[27]研究了數(shù)據(jù)采集器并設計了數(shù)據(jù)提取軟件，便于系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、存儲和傳輸，大幅度提高監(jiān)測系統(tǒng)效率。L.Merino等[28]開發(fā)了一套基于多傳感器的無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了多種圖像處理算法，能夠實現(xiàn)地面目標的實時監(jiān)測。

礦井偵測無人機攜帶相關傳感器對巷道內環(huán)境狀況進行監(jiān)測，包括本體運動情況、井下環(huán)境信息及被困人員相關信息。傳感器設備除了要滿足穩(wěn)定性好、偵測分辨率高、響應速度快等要求外，還應具有小型化、融合度高和本質安全等特點。

1.4 通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

通信系統(tǒng)主要負責偵測無人機在井下巷道監(jiān)測過程中與地面接收端進行實時數(shù)據(jù)處理與信息傳輸[29]。

在數(shù)據(jù)處理方面，黃磊等[30]通過壓縮感知和矩陣補全技術實現(xiàn)了無人機數(shù)據(jù)的實時無損回傳，縮短了數(shù)據(jù)的傳輸時間。李世寶等[31]通過研究無線信道的復雜特性，設計了一種通信試驗平臺，可滿足數(shù)據(jù)信息處理的實際需求。在信息傳輸方面，賴劍強[32]研發(fā)了超短波通信系統(tǒng)及其裝備，實驗證明該系統(tǒng)有效通信距離高達30 km。雷立動等[33]針對無人機遠距離數(shù)據(jù)傳輸困難的問題，設計了基于數(shù)傳電臺的通信系統(tǒng)，并提出了容錯處理算法，有效提高了無人機的通信距離。解成超等[34]設計了一種可直通/中繼雙模式的中繼測控鏈路,提高了系統(tǒng)的可靠性和傳輸效率。

無人機在井下進行偵測任務時，其位置隨自身移動性和任務實時改變，數(shù)據(jù)信號會發(fā)生變化，需要解決信息傳輸質量問題。單機飛行的能量有限供給限制了飛行距離、作業(yè)范圍，導致通信可靠性不高。無人機集群組網(wǎng)模式可有效提高無人機通信的容錯性和可靠性，是未來礦井偵測無人機通信的發(fā)展方向。

2 礦井偵測無人機存在的問題

隨著無人機技術的不斷發(fā)展，礦井偵測無人機技術也得到了很大的提升，但仍存在如下問題：

(1) 續(xù)航時間短。礦井偵測無人機需要較強的續(xù)航能力，太陽能電池在井下災區(qū)無法適用，燃料電池動態(tài)性能較軟，雖然鋰電池技術的發(fā)展趨于穩(wěn)定，并已得到廣泛的應用，但在電池能量密度的提升上遇到了瓶頸，限制了無人機的續(xù)航時間。

(2) 定位精度差。在定位導航中，全球衛(wèi)星導航雖然應用范圍最廣，研究比較成熟，但在井下災區(qū)并不適用；慣性導航的定位誤差會隨時間逐步積累，進而影響定位精度；礦井發(fā)生事故后井下環(huán)境條件復雜，視覺定位容易受到拍照角度與光線條件的影響，定位不準確。單無人機偵測環(huán)境信息僅限于自主路徑上的參數(shù)，對礦井災區(qū)的搜索必然存在盲區(qū)。同時，單無人機搜索耗費時間長、靈活性差，大大影響了指揮中心的應急決策，無法有效保證救援人員和被困礦工的安全。

(3) 信息感知能力弱。常規(guī)無人機技術存在環(huán)境感知能力弱的問題，由于單一傳感器自身原理的局限性，周圍環(huán)境的溫度、壓力變化對傳感器的性能影響比較大，難以滿足實際環(huán)境監(jiān)測的需求。

(4) 數(shù)據(jù)傳輸性能差。井下巷道通常比較狹窄，單個無人機平臺的無線通信距離非常有限,搜索效率較低,環(huán)境偵測存在盲點[35]，這就限制了無人機在井下的監(jiān)測能力。隨著飛行距離的加長，容易造成數(shù)據(jù)丟失。

3 礦井偵測無人機發(fā)展趨勢

礦井發(fā)生事故后，礦井偵測無人機的主要任務是對礦井環(huán)境進行監(jiān)測?？紤]到井下環(huán)境的復雜性，礦井偵測無人機還需在許多關鍵技術上進行深入的研究與分析，其發(fā)展趨勢如下：

(1) 新能源或新型供電技術的應用。如鋁石墨烯電池以其原材料豐富、體積小、高功率密度、超長循環(huán)壽命和卓越的安全性而備受關注。對整個電源管理系統(tǒng)進行更加高效合理的優(yōu)化，實時偵測用電設備的耗電情況，提高用電的高效性，延長偵測無人機的續(xù)航時間，并滿足防爆性能。

(2) 無人機集群方式的應用。井下無人機集群系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、適應性高、協(xié)同能力強等顯著優(yōu)勢，通過多無人機協(xié)同搜索，能夠更加完整、快速地獲取環(huán)境信息，還可以通過組網(wǎng)模式解決單個偵測無人機無線通信距離受限的問題，有利于進行環(huán)境監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸。其中，無人機集群的控制結構采用混合式?；旌鲜郊壕哂休^高的自主性和擴展性，不僅克服了分布式結構通信可靠性差、搜索效率低的缺點，還解決了集中式結構魯棒性及自主性弱的問題。對于無人機集群，單一導航系統(tǒng)無法滿足救援需求，協(xié)同導航技術將會成為主流。通過數(shù)理優(yōu)化算法進行信息推導，并對多無人機協(xié)同信息進行融合，提高定位精度，縮短救援時間。

(3) 多傳感器信息融合。研發(fā)具有多傳感器融合技術的無人機監(jiān)測平臺，通過基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法的多傳感器信息協(xié)調及互相融合，使系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和可靠性，大幅度提高無人機對井下環(huán)境的感知能力，減少搜救被困礦工的時間。多傳感器數(shù)據(jù)融合如圖3所示。

圖3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的多傳感器數(shù)據(jù)融合Fig.3 Multi-sensor data fusion based on BP neural network

(4) 無人機集群組網(wǎng)模式在受災區(qū)域偵測中的應用。無線Mesh網(wǎng)絡具有自組織性、可靠性高、結構靈活、部署安裝簡單等特點，能夠應用在煤礦井下救援通信中。一般來說，井下巷道呈狹長帶狀結構，可采用多無人機鏈狀無線Mesh組網(wǎng)模式。無線Mesh網(wǎng)絡可以連接不同的網(wǎng)絡節(jié)點進行多跳傳輸，每架無人機作為一個節(jié)點，可以靈活加入或退出，節(jié)點布置非常簡單，能夠很好地適應井下環(huán)境，極大地提高通信能力。在多無人機井下環(huán)境搜索時，每架無人機采集的信息都是局部區(qū)域信息，通過鏈狀無線Mesh組網(wǎng)模式，所有無人機進行信息融合和資源互補，能實時更新環(huán)境信息狀況，提高偵測的可靠性和救援效率。

4 結語

礦井偵測無人機具有高度的自主性、機動性和適應性，可快速進入井下監(jiān)測相關信息，并將信息實時傳回控制中心，便于救援人員準確、有效地做出決策。為了迅速、精確掌握災區(qū)信息，今后可從無人機集群協(xié)同搜索方面進行研究。大力發(fā)展井下無人機相關系統(tǒng)理論與技術，研發(fā)安全高效的礦井偵測無人機，對煤礦救援工作具有重要的實際意義。