方 崇 全
(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室,重慶 400037;2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400039)
帶式輸送機具有輸送距離長、運輸量大、效率高等優(yōu)點,是煤礦煤流運輸?shù)闹饕O(shè)備[1]。由于煤礦運輸環(huán)境惡劣、線路長、運輸量不均勻、設(shè)備負荷變化大、長時間運行等原因,帶式輸送機常出現(xiàn)帶面損傷、斷帶、打滑、跑偏、電機超溫、托輥破損斷裂等故障[2]。輸送帶運輸系統(tǒng)運行狀態(tài)的好壞,不僅影響煤礦的正常生產(chǎn),更關(guān)系到工作人員的生命安全,因此對帶式輸送機的狀態(tài)監(jiān)測是實現(xiàn)其安全高效運行的重要保障。煤礦除了按照煤炭行業(yè)標準《MT872—2000煤礦用帶式輸送機保護裝置技術(shù)條件》[3]的要求安裝跑偏、超溫、打滑、煙霧、撕裂等保護傳感器外,在帶式輸送機運行前、運行過程中及停機檢修時段還需安排人工徒步巡檢,采用耳聽、眼看等手段檢查托輥故障、帶面異物、帶面損傷、人員違章等異常,人工巡檢存在作業(yè)環(huán)境差、危險性高,巡檢員勞動強度大、巡檢質(zhì)量和效率低等問題,為推動煤礦機器人的應(yīng)用,國家煤礦安全監(jiān)察局于2019年1月2日發(fā)布了《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》[4],其對帶式輸送機巡檢機器人的基本要求為:具備自動行走、自主定位、輸送帶運行參數(shù)檢測、溫度與煙霧感知、煤流監(jiān)測、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測及預(yù)警等功能,替代人工實現(xiàn)輸送帶運輸?shù)闹悄芑O(jiān)測。
國內(nèi)煤礦高校開展了帶式輸送機巡檢機器人相關(guān)研究[5-8],有單位研發(fā)出了產(chǎn)品進行應(yīng)用[9-11],但還有以下關(guān)鍵技術(shù)亟待突破:①煤礦井下輸送帶運輸巷道有甲烷、一氧化碳等易燃易爆氣體,有礦塵,有水霧及淋水,有道路積水,有巷道形變,有轉(zhuǎn)彎爬坡,里程長、空間狹窄,帶式輸送機巡檢機器人本體及行走機構(gòu)應(yīng)能適應(yīng)這些復(fù)雜環(huán)境。現(xiàn)有自驅(qū)動的帶式輸送機巡檢機器人均設(shè)計為一體式,車體較高或較長[9],在煤礦井下部分空間狹窄或轉(zhuǎn)彎半徑小的巷道應(yīng)用受限。目前,帶式輸送機巡檢機器人的行走方式有懸線牽引式[12]、循環(huán)軌道鏈條傳動式[13]、雙軌自驅(qū)輪式[8]、單軌自驅(qū)齒輪齒條式[6,14]、單軌自驅(qū)輪式[15]。這些行走方式各有優(yōu)缺點,應(yīng)綜合考慮防爆、轉(zhuǎn)彎、坡道等多種因素設(shè)計巡檢機器人的行走機構(gòu)。②帶式輸送機巡檢機器人優(yōu)選蓄電池供電[16],當電池組電量不足時,需對電池組充電。2016版《煤礦安全規(guī)程》[17]第四百八十五條規(guī)定:“機車等移動設(shè)備需要在專用充電硐室或地面充電”,帶式輸送機巡檢機器人屬于移動設(shè)備,其蓄電池應(yīng)在專用充電硐室或者地面充電。輸送帶運輸里程一般在數(shù)公里,最遠超過10 km,距離地面較近的機器人可以在地面充電,但遠離地面的機器人到地面充電將影響工作效率。目前,巡檢機器人井下充電采用隔爆型充電裝置[18-19],或者無線充電,按現(xiàn)行防爆標準(GB3836)[20]的規(guī)定,這2種方式均存在一定的局限性和安全隱患,需研究符合防爆標準的巡檢機器人井下自主快速安全充電技術(shù)。③帶式輸送機托輥故障易導(dǎo)致輸送帶損壞、著火等事故,對托輥的故障自動檢測意義重大,文獻[21]提出通過聲音信號的時頻域信號分析技術(shù)實現(xiàn)托輥故障診斷,該方法對基于振動信號分析的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷有效,在煤礦井下環(huán)境噪聲嘈雜的條件下,易受音頻信號的混疊性、不同采集距離的影響。部分巡檢機器人具備視頻識別功能[22],但未考慮煤礦井下高濕氣、多粉塵、低照度環(huán)境使得視頻質(zhì)量差,導(dǎo)致井下人員、煤流、帶面損傷、帶面異物等視頻目標特征不顯著,通過視頻自動識別帶式輸送機的異常工況困難的情況。亟待研究基于音視頻分析的帶式輸送機異常工況智能識別技術(shù)代替人工的耳聽、眼看巡檢,提高帶式輸送機巡檢機器人智能化水平。
針對現(xiàn)有帶式輸送機巡檢機器人存在的問題,在闡述帶式輸送機巡檢機器人系統(tǒng)總體設(shè)計基礎(chǔ)上,重點研究巡檢機器人在煤礦井下的環(huán)境適應(yīng)性、自主快速安全充電、基于音視頻分析的帶式輸送機異常工況智能識別技術(shù),為促進煤礦帶式輸送機巡檢機器人研發(fā)及應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
帶式輸送機巡檢機器人系統(tǒng)由行走軌道、機器人本體、充電站、通信網(wǎng)絡(luò)、遠程監(jiān)控平臺組成,如圖1所示。
圖1 帶式輸送機巡檢機器人系統(tǒng)組成示意Fig.1 Schematic of inspection robot system of belt conveyor
行走軌道采用吊掛H型鋼軌道,沿輸送帶運輸巷道布置在巷道頂部。機器人本體依靠自帶的電機驅(qū)動在軌道上自主行走,機器人本體設(shè)計為2個車體,實現(xiàn)帶式輸送機運行工況參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、音視頻數(shù)據(jù)采集分析處理,具備自動避障、自動充電、緊急制動、自動換向、限位停止、電池箱充放電管理等功能。充電站配合機器人本體完成在煤礦井下的自主快速安全充電。通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)機器人本體、充電站與遠程管控平臺的通信連接,通信網(wǎng)絡(luò)采用“有線+無線”相結(jié)合的方式,在巡檢巷道內(nèi)設(shè)置大功率、高帶寬WiFi通信基站,實現(xiàn)巡檢線路無線信號全覆蓋,通信基站之間采用光纖級聯(lián),確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。遠程管控平臺基于C/S架構(gòu)設(shè)計,主要由遠程管控服務(wù)器、大屏客戶端、PC客戶端、移動客戶端和遠程管控平臺軟件組成,提供機器人管理、運行場景監(jiān)控、巡檢任務(wù)規(guī)劃、自監(jiān)視及診斷、報表生成及查詢、日志及系統(tǒng)安全管理等功能,用戶在任一客戶端均可實時監(jiān)控機器人運行狀態(tài)。
煤礦井下巷道空間狹窄,機器人本體設(shè)計為模塊化、兩節(jié)車體掛載式結(jié)構(gòu),車體間通過萬向節(jié)連接,其中一節(jié)車體為蓄電池電源車體,另外一節(jié)車體為傳感、通信控制及充電車體。其優(yōu)點在于:車體高度低、轉(zhuǎn)彎半徑小、擴展性好、易安裝維護。
機器人本體兩節(jié)車體共包含2個托架、4個驅(qū)動輪、4個從動輪、4組導(dǎo)向輪、4個隔爆型驅(qū)動器、1個隔爆兼本安型蓄電池電源箱、1個本安型通信控制器、1個隔爆型發(fā)電機、2個本安型超聲波雷達、2個本安型云臺攝像儀、1個本安型讀卡器,本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1—隔爆型驅(qū)動器;2—從動輪;3—導(dǎo)向輪;4—驅(qū)動輪;5—托架;6—鏈輪;7—本安型讀卡器;8—隔爆兼本安型蓄電池電源箱;9—本安型超聲波雷達;10—本安型云臺攝像儀;11—隔爆型發(fā)電機;12—本安型通信控制器;13—萬向節(jié)圖2 機器人本體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of robot body
1)驅(qū)動器帶動機器人本體自主行走,由直流無刷電機、電機控制器、減速機、驅(qū)動輪、輔助輪組成。
2)蓄電池電源箱為機器人本體提供電力。
3)通信控制器采集煙霧、溫度、瓦斯、一氧化碳、氧氣、二氧化碳、濕度等環(huán)境參數(shù)用于環(huán)境異常監(jiān)測及報警,通過高精度聲壓傳感器、高清攝像儀采集現(xiàn)場音視頻數(shù)據(jù)用于輸送帶異常工況智能分析,讀取超聲波雷達、讀卡器、蓄電池電源箱、電機控制器的數(shù)據(jù)并分析處理,控制驅(qū)動器行走,傳輸數(shù)據(jù)至遠程管控平臺,接收遠程管控平臺的控制指令。
4)發(fā)電機用于給蓄電池電源箱充電。
5)超聲波雷達用于機器人本體前進方向的障礙物探測。
6)云臺攝像儀采集巡檢現(xiàn)場的視頻數(shù)據(jù),傳輸給通信控制器用于視頻智能識別。
7)讀卡器用于檢測沿吊掛軌道布置的無源RFID電子里程碑,配合驅(qū)動電機的編碼器實現(xiàn)機器人本體的定位。
現(xiàn)有帶式輸送機巡檢機器人行走方式的優(yōu)缺點分析如下:
1)懸線牽引式:沿帶式輸送機正上方架空鋪設(shè)鋼絲繩,機器人本體通過固定抱索器固定于鋼絲繩上,驅(qū)動系統(tǒng)采用防爆電動機,牽引機器人本體往復(fù)運動。優(yōu)點:鋼絲繩架設(shè)成本較軌道式低,爬坡能力強;缺點:機器人本體易擺動,運行穩(wěn)定性差。
2)循環(huán)軌道鏈條傳動式:沿輸送帶運輸巷道環(huán)型吊掛布置開口向下的C型軌道槽,槽內(nèi)安裝鏈條,由防爆電機帶動鏈條循環(huán)轉(zhuǎn)動,機器人本體吊掛在鏈條上,隨鏈條移動。優(yōu)點:爬坡能力強;缺點:環(huán)型軌道及鏈條成本高,機器人本體易擺動,運行穩(wěn)定性差,長距離驅(qū)動鏈條自重會增加驅(qū)動阻力。
3)雙軌自驅(qū)輪式:沿帶式輸送機上、下輸送帶之間安裝平行雙軌,通過橫桿把軌道固定于帶式輸送機機架上,巡檢機器人自帶驅(qū)動電機在輪軌上行走。優(yōu)點:運行平穩(wěn);缺點:帶式輸送機上、下輸送帶之間空間狹窄,安裝不便;轉(zhuǎn)彎能力差;受軌道積水、煤泥影響,易打滑,爬坡能力差;軌道成本較單軌高。
4)單軌自驅(qū)齒輪齒條式:沿帶式輸送機安裝單軌,軌道上安裝固定齒條,巡檢機器人采用齒輪與齒條嚙合行走。優(yōu)點:承載力大、傳動精度高,不受積水影響、爬坡能力強;缺點:齒條安裝精度要求高,不適合有彎道的應(yīng)用場景。
5)單軌自驅(qū)輪式:沿帶式輸送機吊掛安裝工字鋼軌道,機器人本體的驅(qū)動電機帶動驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn),驅(qū)動輪安裝在軌道兩側(cè),在張緊機構(gòu)的壓緊下,靠驅(qū)動輪與軌道之間產(chǎn)生的摩擦力帶動機器人本體行走。優(yōu)點:運行穩(wěn)定;缺點:隨著驅(qū)動輪的磨損,張緊機構(gòu)壓力下降,會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,需要定期檢測驅(qū)動輪張緊壓力,軌道積水易導(dǎo)致打滑。
綜合現(xiàn)有帶式輸送機巡檢機器人行走方式的優(yōu)缺點,巡檢機器人設(shè)計為單軌自驅(qū)輪式,滾輪加鏈輪鏈條混合驅(qū)動方式,采用H型鋼作為行走軌道,具有結(jié)構(gòu)簡單、不受巷道形變及路面地形影響、驅(qū)動控制簡單可靠、運行姿態(tài)平穩(wěn)等優(yōu)點,特別適用于巡檢路線固定、巡檢距離長、空間狹窄、路面起伏多變的煤礦井下輸送帶運輸巷道。
因煤礦井下多煤塵、高濕氣,軌道濕滑,故在大角度坡道處的軌道兩邊對稱設(shè)計了鏈條機構(gòu),機器人本體的驅(qū)動滾輪側(cè)邊安裝鏈輪,在平路或者小角度坡道處由滾輪驅(qū)動機器人行走,在大角度坡道處由鏈輪嚙合鏈條驅(qū)動機器人行走,避免坡道打滑。滾輪與鏈輪混合驅(qū)動設(shè)計如圖3所示。
1—軌道;2—鏈條;3—鏈輪;4—滾輪圖3 滾輪與鏈輪混合驅(qū)動結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of hybrid drive of roller and sprocket
鏈輪鏈條驅(qū)動方式與齒輪齒條驅(qū)動方式相比較,其優(yōu)點在于:鏈條安裝精度要求低,鏈輪和鏈條配合要求精度低,鏈輪和鏈條屬于柔性連接可以解決機器人軌道爬坡拐彎和爬坡結(jié)束拐彎處的準確嚙合問題,鏈條為標準件,成本低、易維護。
煤礦井下巡檢機器人宜采用蓄電池供電,為實現(xiàn)帶式輸送機巡檢機器人井下自主快速安全充電,筆者提出采用電—機—電能量轉(zhuǎn)換充電方法,即:充電站的電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能,再用機械能帶動機器人本體自帶的發(fā)電機發(fā)電,為機器人本體的蓄電池充電。在煤礦井下,純機械連接可避免電氣連接帶來的隔爆設(shè)計及電氣閉鎖存在的安全隱患。與無線充電方法相比較,隔爆電動機與發(fā)電機組合可提供大功率電能輸出,滿足巡檢機器人大功率、長續(xù)航的蓄電池快速充電的需求。
為保證巡檢機器人自帶的發(fā)電機與充電站的電動機之間自動可靠對接,設(shè)計了一種鼓形齒對接機構(gòu),如圖4所示。
圖4 鼓形齒對接機構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structural of drum tooth butt joint mechanism
巡檢機器人在巡檢過程中實時計算剩余電能W1及行駛至充電站所需的電能W2,當W1逐漸接近W2時,機器人駛向充電站充電。充電站的電動機固定在H型行走軌道上,當機器人本體的發(fā)電機逐漸靠近電動機時,電動機緩慢旋轉(zhuǎn),機器人本體發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上的鼓形內(nèi)齒輪與電動機輸出軸上的鼓形外齒輪進行對接,當鼓形內(nèi)齒輪和鼓形外齒輪出現(xiàn)內(nèi)齒和外齒對死時,機器人本體繼續(xù)緩慢行駛,鼓形齒外齒輪后端的彈簧緩沖裝置可以使鼓形外齒輪后退一定距離,此時因電動機轉(zhuǎn)軸緩慢轉(zhuǎn)動,可以讓對死的內(nèi)齒和外齒滑動進行嚙合,從而保證了機器人本體的發(fā)電機與充電站的電動機自動成功嚙合。充電站控制器通過行程開關(guān)檢測到對接到位信號后,電動機全速運行,帶動發(fā)電機為機器人的蓄電池充電。
針對環(huán)境噪聲復(fù)雜的帶式輸送機托輥故障檢測,基于信號時頻分析方法濾除環(huán)境噪聲困難,筆者提出一種基于聲壓及聲品質(zhì)分析的帶式輸送機托輥故障識別方法。聲品質(zhì)是指相同聲級的聲音,由于頻譜結(jié)構(gòu)的差異,會引起人耳聽覺感知的大不相同,聲品質(zhì)參數(shù)主要有響度、尖銳度、波動度、粗糙度等,聲品質(zhì)數(shù)據(jù)由專業(yè)的分析軟件計算得出。巡檢機器人搭載聲壓傳感器采集輸送帶沿線的音頻數(shù)據(jù),通過聲音分析軟件計算1/3倍頻程譜及聲品質(zhì)指標,實現(xiàn)帶式輸送機托輥故障的自動診斷。
基于深度學(xué)習(xí)的視頻分析技術(shù)已經(jīng)日趨成熟,帶式輸送機巡檢機器人搭載高清攝像儀采集視頻圖像,針對煤礦井下輸送帶巡檢場景,采用常用的暗通道先驗去霧算法,通過對比度增強實現(xiàn)視頻去霧。對于粉塵稀疏場景,采用普通的濾波器,對于粉塵稠密場景,可采用去霧算法?;诖髿馍⑸淠P秃蛨D像成像先驗知識,融合光照歸一化方法,整合圖像去粉塵、去霧和光照均衡化理論到統(tǒng)一算法框架中,協(xié)同提升視頻圖像的清晰度和對比度。
煤礦井下人員、煤流、帶面異物、帶面損傷等目標受煤礦井下環(huán)境因素影響,目標與背景相似度高,導(dǎo)致在視頻圖像中目標整體成像顯著性低?;谀繕溯喞闰炛R,采用候選區(qū)域生成方法,結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,學(xué)習(xí)各部件之間的拓撲關(guān)系,在準確檢測目標顯著部件的基礎(chǔ)上推理回歸目標整體輪廓,進而實現(xiàn)非顯著性的帶式輸送機異常工況的視頻識別。目標檢測與識別算法框架如圖5所示。
圖5 目標檢測與識別算法框架Fig.5 Target detection and recognition algorithm framework
為驗證機器人轉(zhuǎn)彎、爬坡性能,在我院帶式輸送機實驗室搭建了機器人試驗平臺,研制了巡檢機器人樣機,機器人能平穩(wěn)通過半徑1 m的彎道,在負重220 kg、巡檢速度0.4 m/s的情況下,可在角度為20°的坡道上平穩(wěn)運行,優(yōu)于2016版《煤礦安全規(guī)程》[17]第五百七十條 “采用帶式輸送機運輸時,應(yīng)當遵守下列規(guī)定:帶式輸送機運輸物料的最大傾角,上行不得大于16°,嚴寒地區(qū)不得大于14°;下行不得大于12°”的規(guī)定,爬坡試驗現(xiàn)場圖片如圖6所示。
圖6 機器人爬坡試驗現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.6 Photos of robot climbing experiment
為驗證電—機—電能量轉(zhuǎn)換充電方法的實用性及安全性,開展了充電試驗,試驗圖片如圖7所示,電動機選用YBBP-90L-2-2.2 kW隔爆型變頻調(diào)速三相異步電動機,額定輸出功率2.2 kW,發(fā)電機選用FB-800/24Y隔爆型永磁發(fā)電機,額定輸出功率800 W,配套定制了42 V直流輸出的發(fā)電機調(diào)節(jié)器,滿負荷充電試驗時間4 h。由于實際電池在充電不同階段對充電功率需求大小不同,無法驗證電—機—電能量轉(zhuǎn)換充電方法持續(xù)大功率運行的溫度安全性,因此選用2.2 Ω/kW的功率電阻作為模擬負載用于驗證大功率充電時的溫升情況。測試時環(huán)境溫度21 ℃,電動機與發(fā)電機之間通過聯(lián)軸器及鼓形齒連接,發(fā)電機轉(zhuǎn)速2 850 r/min,發(fā)電機滿負荷工作4 h后,測試發(fā)電機經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出最大功率809.82 W,電動機溫度43.7 ℃,發(fā)電機溫度49.5 ℃,發(fā)電機與電動機機械對接旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的表面溫度39.2 ℃,滿足現(xiàn)行的防爆標準(GB3836)規(guī)定的最高表面溫度不超過150 ℃的要求。
圖7 充電測試照片F(xiàn)ig.7 Photos of charging test
在神東布爾臺煤礦井下通過聲壓傳感器及手持音頻信號分析儀,錄制了4段托輥故障(開裂、斷裂、潤滑不良)音頻數(shù)據(jù),每段音頻數(shù)據(jù)時長為1 min,通過專用聲學(xué)測量與分析軟件及信號分析軟件對托輥正常及托輥故障的聲壓和聲品質(zhì)數(shù)據(jù)進行對比分析,特征區(qū)分較明顯的參數(shù)有中心頻率630~16 000 Hz范圍的1/3倍頻程譜和尖銳度指標,測試數(shù)據(jù)見表1。
表1 托輥故障識別音頻特征指標Table 1 Audio characteristic index of roller fault recognition
根據(jù)數(shù)據(jù)對比分析,托輥正常音頻與異常音頻數(shù)據(jù)中心頻率630~16 000 Hz的1/3倍頻程譜區(qū)別明顯,該值大于96.74 dB或聲品質(zhì)尖銳度大于1.320的情況下可判定為托輥故障。
在重慶能投集團采集了煤礦井下運輸巷道的視頻數(shù)據(jù),經(jīng)自適應(yīng)圖像增強算法可以顯著提升多粉塵、濃霧氣、低照度的環(huán)境下圖像的清晰度和對比度,圖像增強前后的效果對比如圖8所示。
圖8 視頻圖像增強算法前后對比Fig.8 Contrast before and after video image enhancement algorithm
在重慶能投集團石壕煤礦,通過視頻分析技術(shù)實現(xiàn)了工人在帶式輸送機運行時闖入危險區(qū)域的視頻智能識別,在帶式輸送機實驗室開展了帶面損傷視頻智能識別試驗,視頻識別截圖如圖9所示。
圖9 視頻智能識別截圖Fig.9 Screenshot of video intelligent recognition
音視頻分析技術(shù)用于帶式輸送機異常工況智能識別方案可行,但還需要采集更多的現(xiàn)場樣本訓(xùn)練識別模型,以進一步提高識別準確率。
1)模塊化、兩節(jié)車體掛載式巡檢機器人本體及吊掛單軌式、滾輪與鏈輪鏈條混合驅(qū)動的行走機構(gòu)可適應(yīng)煤礦井下輸送帶運輸復(fù)雜環(huán)境。
2)煤礦井下電—機—電能量轉(zhuǎn)換充電方法及基于鼓形齒的充電自動對接機構(gòu),可實現(xiàn)巡檢機器人在煤礦井下自主快速安全充電,滿足遠距離巡檢需求。
3)基于聲壓1/3倍頻程譜及聲品質(zhì)尖銳度特征指標的托輥故障識別方法,煤礦井下視頻圖像質(zhì)量增強方法及基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的非顯著性目標識別技術(shù)用于帶式輸送機巡檢機器人,經(jīng)驗證測試具有可行性,可替代人工耳聽、眼看巡檢,提高機器人的智能化水平,但需進一步豐富訓(xùn)練樣本,提高識別準確率。
4)設(shè)計的巡檢機器人最小轉(zhuǎn)彎半徑1 m,在負重220 kg、巡檢速度0.4 m/s的情況下,可在角度為20°的坡道上平穩(wěn)運行;在充電站端的電動機額定功率2.2 kW情況下,機器人本體端的發(fā)電機能穩(wěn)定輸出功率800 W。