礦井智能巡檢機器人系統(tǒng)模型構(gòu)建

劉潤虎

(國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司大柳塔煤礦，陜西 榆林 719315)

0 引言

隨著井下開采面積的不斷增大，各種大型防爆機械設(shè)備也越來越多，使得井下變電所變得越來越重要，但是變電所占地面積大，各種電回路多，運行工作環(huán)境復(fù)雜。國家加大力度整治和規(guī)范煤礦的本質(zhì)安全型管理，同時極力推進煤礦企業(yè)向“自動化、數(shù)字化、無人化”方向發(fā)展。同時隨著人口老齡化的加劇及用工成本的攀升，“減員提效”已經(jīng)成為該行業(yè)內(nèi)推動發(fā)展的有力措施，所以急需大量的機械化、智能化設(shè)備來削弱日常生產(chǎn)對人員的需求。

防爆巡檢機器人的誕生是科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展后的產(chǎn)物。它不同于傳統(tǒng)的控制檢測設(shè)備，因為傳統(tǒng)控制檢測設(shè)備僅僅依靠固定的傳感器辨別故障發(fā)生，重點巡檢部位必須由人工完成。而新一代的防爆巡檢機器人不僅具備傳統(tǒng)控制檢測設(shè)備的功能，而且能夠通過自身的“鼻子”“眼睛”及“耳朵”全方位的對設(shè)備進行移動式巡檢，巡檢手段比人工巡檢更加專業(yè)，比傳統(tǒng)的巡檢手段更加完善，同時能大幅度減輕工人的工作強度。另外，新一代的防爆巡檢機器人還可以成為傳統(tǒng)控制檢測設(shè)備的一個延伸，使過去的檢測方式更加全面?？傊辣愌矙z機器人的使用絕對是提升企業(yè)安全管理水平及提高巡檢質(zhì)量的“法寶”。

在當(dāng)下煤炭行業(yè)，設(shè)備傳統(tǒng)的巡檢工作一般都依靠人工完成，不僅消耗大量的人力資源，工作流程也較為繁瑣，特別是高危行業(yè)，巡檢過程中可能存在巨大風(fēng)險，人員工作環(huán)境也會比較惡劣。隨著《中國制造2025》制造強國科學(xué)技術(shù)的進步，在電力和石化行業(yè)中，輪式的巡檢機器人或是軌道式的吊掛巡檢機器人已經(jīng)有了眾多應(yīng)用案例，機器人在巡檢過程中對被檢設(shè)備有很強的針對性巡檢，工作質(zhì)量甚至比人還要專業(yè)，兢兢業(yè)業(yè)，不知疲倦。因此，針對礦井變電所這種復(fù)雜環(huán)境場所，更需要一種礦井變電所巡檢機器人，這對于煤礦的“減員提效”工作有著巨大的推動作用，對提升礦山智能化水平具有重大意義。

1 巡檢機器人系統(tǒng)組成及功能

為適應(yīng)當(dāng)前煤礦電力系統(tǒng)的需要，結(jié)合智能機器人技術(shù)和礦井變電站巡檢任務(wù)，在當(dāng)前實際礦井變電站復(fù)雜環(huán)境運行中，特提出一種巡檢機器人，并實時獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，這種巡檢機器人主要由機器人本體、無線基站、磁性軌道、防爆充電裝置、遠程控制站組成。機器人系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 機器人系統(tǒng)組成示意Fig.1 Composition of robot system

1.1 機器人本體

機器人本體包含輪式運動底盤、智能雙視云臺模塊、云臺升降機模塊、避障傳感器、導(dǎo)航傳感器及高增益通信天線等部分組成。

其中機器人輪式運動底盤采用四輪驅(qū)動，每個驅(qū)動配備了大功率伺服電機，使機器人能夠具備一定的爬坡越障能力。通過自身攜帶的大容量電池，為輪式運動平臺的自由移動提供了有力的動力支撐。相關(guān)傳感器的搭載和輔助設(shè)備的應(yīng)用也為機器人能夠在各種復(fù)雜使用環(huán)境下運行提供堅實的保證。

防爆雙視云臺模塊：防爆雙視云臺上搭載高清攝像儀與紅外熱成像儀，可對現(xiàn)場設(shè)備進行高效巡視，鏡頭雨刷能夠清理鏡頭玻璃上的水漬和浮煤等，同時進行燈光補償，使井下采集照片更加清晰。紅外熱成像儀采用高空間分辨率，非制冷Vox微測熱輻射計，從而大幅提升機器人的應(yīng)用價值。

防爆避障模塊：此模塊選用的是米銥optoNCDT2300BL激光位移傳感器來實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，具有探測距離遠、受可見光干擾小、使用方便等特點，集發(fā)射與接收于一體，檢測距離可以在0～3 m內(nèi)進行調(diào)節(jié)。巡檢機器人在前、后各安裝一個避障傳感器，可以有效提高機器人在運行過程中的安全性能。

防爆導(dǎo)航模塊：防爆巡檢機器人導(dǎo)航采用穩(wěn)定的磁導(dǎo)航技術(shù)和防爆處理技術(shù)，巡檢機器人本體前、后方底部搭載導(dǎo)航傳感器，可實現(xiàn)以下特點。①低功耗，內(nèi)部采用精密開關(guān)電源，轉(zhuǎn)換效率75%～88%，功耗始終在0.7 W以下；②線圈元件代替霍爾元件，沒有溫漂問題，不用溫度補償；③靈敏度高，檢測點多又密，采用16點檢測，點間距1 cm，巡檢機器人高速或轉(zhuǎn)彎時不易丟失導(dǎo)航信號；④響應(yīng)速度快，通常的信號輸出周期在10 ms左右，最快可以做到2 ms；⑤機器人前、后底部搭載的導(dǎo)航傳感器可以確保機器人無論是前進還是后退均能實現(xiàn)靈活控制。

防爆定位模塊：巡檢機器人采用磁導(dǎo)航與激光自主導(dǎo)航相結(jié)合的方式，搭載防爆定位傳感器，產(chǎn)生超高頻信號讀取地理標(biāo)簽，該模塊體積小、功耗低、在軌跡行使路線上預(yù)先設(shè)置多個帶有坐標(biāo)信息的RFID(radio frequency identification)卡片，此模塊有先進的抗干擾性能，地理標(biāo)簽本身為無電源型，讀取地理標(biāo)簽如圖2所示，標(biāo)簽識讀率≥190 tags/s。

圖2 讀取地理標(biāo)簽示意Fig.2 Reading of geotags

防爆語音對講模塊:巡檢機器人配備大口徑鍍金震膜咪頭，采用ClearSpeech自適應(yīng)動態(tài)降噪處理技術(shù)，內(nèi)置高速DSP數(shù)字信號處理器，采用大功率揚聲器；語音對講模塊設(shè)計獨特的"電子噪聲動態(tài)閉環(huán)抑制電路"，徹底消除“嘶嘶”電子噪聲，為機器人系統(tǒng)對現(xiàn)場工況設(shè)備故障噪聲的分辨提供了保證。此模塊噪聲極低，采音廣泛。防爆語音對講模塊參數(shù)見表1。

表1 防爆語音對講模塊參數(shù)Table 1 Parameters of explosion-proof voice intercom module

2 礦用隔爆兼本安型無線基站

無線通信系統(tǒng)主要包括信號轉(zhuǎn)換器、直流穩(wěn)壓電源、定向天線、光纜、光纖分線盒等，信號轉(zhuǎn)換器主要用于搭建無線通信網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)整個系統(tǒng)中控制上位機與巡檢機器人之間的信息傳輸。為使通信系統(tǒng)達到通暢和穩(wěn)定的指標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)場情況，每200 m左右安裝一臺信號轉(zhuǎn)換器，IP65的防護等級可以保證信號轉(zhuǎn)換器在具有有害氣體，粉塵和淋水的條件下直接使用，不需要搭建額外的防護罩。在通信系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，無線帶寬最高可達150 m，保證高清視頻流暢傳輸?shù)耐瑫r，也能支持其他無線設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)訪問。

無線基站需采用防爆設(shè)計，多臺無線基站之間通過光纖進行連接，保證通信數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)機器人數(shù)據(jù)能夠與遠程工作站之間進行監(jiān)控、分析、告警等功能。

3 磁性軌道

巡檢機器人為覆蓋巡檢區(qū)域，保證運行的承重需求，運行軌道必須使用大于(或等于)8#工字鋼的型材做機器人軌道；煤礦井下環(huán)境潮濕惡劣，軌道表面需要做防銹處理；為保證軌道連接后具備很好的平整性、一體性，軌道連接處需具備機械的連接裝置。軌道連接處同時需要具備吊掛孔，便于軌道吊掛安裝。

磁條軌道尺寸選用10 mm×10 mm×1 000 mm，機器人的行走軌跡為尋磁行走，預(yù)先為機器人鋪好軌道，預(yù)先確定運行軌跡，機器人軌道安裝示意如圖3所示。

圖3 機器人軌道安裝示意Fig.3 Robot track installation

4 防爆充電裝置

對比表2中3種無線充電方式的特點，選用磁耦合諧振式無線充電方式對機器人充電，巡檢機器人充電防爆裝置由防爆充電器、防爆插頭組成，兩設(shè)備之間由電纜進行連接；充電電流5 A，充電時間短，充電接觸部均需采用電氣閉鎖技術(shù)，不充電時或故障狀態(tài)下，觸點嚴(yán)禁帶電。

表2 3種無線充電方式特性對比Table 2 Comparison of characteristics of three wireless charging methods

5 遠程控制平臺

基于巡檢機器人軟件平臺實現(xiàn)對巡檢機器人的遠程控制，軟件平臺安裝于地面控制室的遠程控制站內(nèi)或是井下集控室防爆計算機處，同時在軟件平臺上能直觀地反映出機器人本體采集的視頻信息及各種參數(shù)。

遠程工作站功能類似于人類的大腦，除了機器人本身的動作控制指令由此發(fā)布外，同時對機器人本體所采集的圖像、數(shù)據(jù)等信息，進行深度分析處理。能夠形成實時報警記錄、歷史報警記錄并存入機器人數(shù)據(jù)庫中，可按日期、按設(shè)備隨時查詢設(shè)備信息和存檔圖片。此遠程控制站可以將當(dāng)前機器人本體實時信息、歷史信息，上報至更高級控制系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)，便于智慧礦山大系統(tǒng)的集成，成為有機的一體，提升應(yīng)用價值。

6 結(jié)論

(1)機器人驅(qū)動機構(gòu)按照沿固定工字鋼軌道自行走的方式進行設(shè)計，在機器人運行沿線鋪設(shè)工字型軌道，為機器安全巡檢提供保證。

(2)機器人本體搭載高清拾音器及高分貝揚聲器，可實現(xiàn)機器人本體與遠程控制站之間的雙向?qū)χv功能，實現(xiàn)現(xiàn)場工況聲音的采集，具備設(shè)備異常的聲音識別功能。

(3)機器人本體安裝多氣體檢測傳感器，實時對井下CO、H2S、CH4、O2氣體進行監(jiān)控，若變電所內(nèi)氣體濃度出現(xiàn)異常及時報警并告知具體濃度。例如：搭載煙霧探測傳感器，檢測巷道環(huán)境中煙霧濃度，超限報警并在遠程控制站處實現(xiàn)自動報警。

(4)機器人本體搭載高清攝像儀并配有高亮度補光燈，實現(xiàn)了在煤礦使用環(huán)境下攝像儀的高清視頻采集，實時提取變電所內(nèi)的基本情況，以及設(shè)備運行情況，實現(xiàn)機器人系統(tǒng)對變電所內(nèi)可視部分的視頻采集。

礦用隔爆兼本安型輪式巡檢機器人可代替巡檢工人進行設(shè)備及環(huán)境巡檢，能夠有效減輕工作人員的勞動強度，降低巡檢過程中存在的安全隱患，提升巡檢質(zhì)量的同時，最大限度地提升煤礦企業(yè)的本質(zhì)安全水平。此巡檢機器人系統(tǒng)模型重點對井下變電所內(nèi)部設(shè)備進行巡檢作業(yè)，同時還可以延伸到洗煤廠等其他防爆場所使用。