矿井智能巡检机器人系统模型构建

刘润虎

(国能神东煤炭集团有限责任公司大柳塔煤矿，陕西 榆林 719315)

0 引言

随着井下开采面积的不断增大，各种大型防爆机械设备也越来越多，使得井下变电所变得越来越重要，但是变电所占地面积大，各种电回路多，运行工作环境复杂。国家加大力度整治和规范煤矿的本质安全型管理，同时极力推进煤矿企业向“自动化、数字化、无人化”方向发展。同时随着人口老龄化的加剧及用工成本的攀升，“减员提效”已经成为该行业内推动发展的有力措施，所以急需大量的机械化、智能化设备来削弱日常生产对人员的需求。

防爆巡检机器人的诞生是科学技术高速发展后的产物。它不同于传统的控制检测设备，因为传统控制检测设备仅仅依靠固定的传感器辨别故障发生，重点巡检部位必须由人工完成。而新一代的防爆巡检机器人不仅具备传统控制检测设备的功能，而且能够通过自身的“鼻子”“眼睛”及“耳朵”全方位的对设备进行移动式巡检，巡检手段比人工巡检更加专业，比传统的巡检手段更加完善，同时能大幅度减轻工人的工作强度。另外，新一代的防爆巡检机器人还可以成为传统控制检测设备的一个延伸，使过去的检测方式更加全面。总之，防爆类巡检机器人的使用绝对是提升企业安全管理水平及提高巡检质量的“法宝”。

在当下煤炭行业，设备传统的巡检工作一般都依靠人工完成，不仅消耗大量的人力资源，工作流程也较为繁琐，特别是高危行业，巡检过程中可能存在巨大风险，人员工作环境也会比较恶劣。随着《中国制造2025》制造强国科学技术的进步，在电力和石化行业中，轮式的巡检机器人或是轨道式的吊挂巡检机器人已经有了众多应用案例，机器人在巡检过程中对被检设备有很强的针对性巡检，工作质量甚至比人还要专业，兢兢业业，不知疲倦。因此，针对矿井变电所这种复杂环境场所，更需要一种矿井变电所巡检机器人，这对于煤矿的“减员提效”工作有着巨大的推动作用，对提升矿山智能化水平具有重大意义。

1 巡检机器人系统组成及功能

为适应当前煤矿电力系统的需要，结合智能机器人技术和矿井变电站巡检任务，在当前实际矿井变电站复杂环境运行中，特提出一种巡检机器人，并实时获取监测数据，这种巡检机器人主要由机器人本体、无线基站、磁性轨道、防爆充电装置、远程控制站组成。机器人系统组成如图1所示。

图1 机器人系统组成示意Fig.1 Composition of robot system

1.1 机器人本体

机器人本体包含轮式运动底盘、智能双视云台模块、云台升降机模块、避障传感器、导航传感器及高增益通信天线等部分组成。

其中机器人轮式运动底盘采用四轮驱动，每个驱动配备了大功率伺服电机，使机器人能够具备一定的爬坡越障能力。通过自身携带的大容量电池，为轮式运动平台的自由移动提供了有力的动力支撑。相关传感器的搭载和辅助设备的应用也为机器人能够在各种复杂使用环境下运行提供坚实的保证。

防爆双视云台模块：防爆双视云台上搭载高清摄像仪与红外热成像仪，可对现场设备进行高效巡视，镜头雨刷能够清理镜头玻璃上的水渍和浮煤等，同时进行灯光补偿，使井下采集照片更加清晰。红外热成像仪采用高空间分辨率，非制冷Vox微测热辐射计，从而大幅提升机器人的应用价值。

防爆避障模块：此模块选用的是米铱optoNCDT2300BL激光位移传感器来实现精准定位，具有探测距离远、受可见光干扰小、使用方便等特点，集发射与接收于一体，检测距离可以在0～3 m内进行调节。巡检机器人在前、后各安装一个避障传感器，可以有效提高机器人在运行过程中的安全性能。

防爆导航模块：防爆巡检机器人导航采用稳定的磁导航技术和防爆处理技术，巡检机器人本体前、后方底部搭载导航传感器，可实现以下特点。①低功耗，内部采用精密开关电源，转换效率75%～88%，功耗始终在0.7 W以下；②线圈元件代替霍尔元件，没有温漂问题，不用温度补偿；③灵敏度高，检测点多又密，采用16点检测，点间距1 cm，巡检机器人高速或转弯时不易丢失导航信号；④响应速度快，通常的信号输出周期在10 ms左右，最快可以做到2 ms；⑤机器人前、后底部搭载的导航传感器可以确保机器人无论是前进还是后退均能实现灵活控制。

防爆定位模块：巡检机器人采用磁导航与激光自主导航相结合的方式，搭载防爆定位传感器，产生超高频信号读取地理标签，该模块体积小、功耗低、在轨迹行使路线上预先设置多个带有坐标信息的RFID(radio frequency identification)卡片，此模块有先进的抗干扰性能，地理标签本身为无电源型，读取地理标签如图2所示，标签识读率≥190 tags/s。

图2 读取地理标签示意Fig.2 Reading of geotags

防爆语音对讲模块:巡检机器人配备大口径镀金震膜咪头，采用ClearSpeech自适应动态降噪处理技术，内置高速DSP数字信号处理器，采用大功率扬声器；语音对讲模块设计独特的"电子噪声动态闭环抑制电路"，彻底消除“嘶嘶”电子噪声，为机器人系统对现场工况设备故障噪声的分辨提供了保证。此模块噪声极低，采音广泛。防爆语音对讲模块参数见表1。

表1 防爆语音对讲模块参数Table 1 Parameters of explosion-proof voice intercom module

2 矿用隔爆兼本安型无线基站

无线通信系统主要包括信号转换器、直流稳压电源、定向天线、光缆、光纤分线盒等，信号转换器主要用于搭建无线通信网络平台，实现整个系统中控制上位机与巡检机器人之间的信息传输。为使通信系统达到通畅和稳定的指标，根据现场情况，每200 m左右安装一台信号转换器，IP65的防护等级可以保证信号转换器在具有有害气体，粉尘和淋水的条件下直接使用，不需要搭建额外的防护罩。在通信系统稳定运行时，无线带宽最高可达150 m，保证高清视频流畅传输的同时，也能支持其他无线设备的联网访问。

无线基站需采用防爆设计，多台无线基站之间通过光纤进行连接，保证通信数据的稳定可靠，实现机器人数据能够与远程工作站之间进行监控、分析、告警等功能。

3 磁性轨道

巡检机器人为覆盖巡检区域，保证运行的承重需求，运行轨道必须使用大于(或等于)8#工字钢的型材做机器人轨道；煤矿井下环境潮湿恶劣，轨道表面需要做防锈处理；为保证轨道连接后具备很好的平整性、一体性，轨道连接处需具备机械的连接装置。轨道连接处同时需要具备吊挂孔，便于轨道吊挂安装。

磁条轨道尺寸选用10 mm×10 mm×1 000 mm，机器人的行走轨迹为寻磁行走，预先为机器人铺好轨道，预先确定运行轨迹，机器人轨道安装示意如图3所示。

图3 机器人轨道安装示意Fig.3 Robot track installation

4 防爆充电装置

对比表2中3种无线充电方式的特点，选用磁耦合谐振式无线充电方式对机器人充电，巡检机器人充电防爆装置由防爆充电器、防爆插头组成，两设备之间由电缆进行连接；充电电流5 A，充电时间短，充电接触部均需采用电气闭锁技术，不充电时或故障状态下，触点严禁带电。

表2 3种无线充电方式特性对比Table 2 Comparison of characteristics of three wireless charging methods

5 远程控制平台

基于巡检机器人软件平台实现对巡检机器人的远程控制，软件平台安装于地面控制室的远程控制站内或是井下集控室防爆计算机处，同时在软件平台上能直观地反映出机器人本体采集的视频信息及各种参数。

远程工作站功能类似于人类的大脑，除了机器人本身的动作控制指令由此发布外，同时对机器人本体所采集的图像、数据等信息，进行深度分析处理。能够形成实时报警记录、历史报警记录并存入机器人数据库中，可按日期、按设备随时查询设备信息和存档图片。此远程控制站可以将当前机器人本体实时信息、历史信息，上报至更高级控制系统或专家系统，便于智慧矿山大系统的集成，成为有机的一体，提升应用价值。

6 结论

(1)机器人驱动机构按照沿固定工字钢轨道自行走的方式进行设计，在机器人运行沿线铺设工字型轨道，为机器安全巡检提供保证。

(2)机器人本体搭载高清拾音器及高分贝扬声器，可实现机器人本体与远程控制站之间的双向对讲功能，实现现场工况声音的采集，具备设备异常的声音识别功能。

(3)机器人本体安装多气体检测传感器，实时对井下CO、H2S、CH4、O2气体进行监控，若变电所内气体浓度出现异常及时报警并告知具体浓度。例如：搭载烟雾探测传感器，检测巷道环境中烟雾浓度，超限报警并在远程控制站处实现自动报警。

(4)机器人本体搭载高清摄像仪并配有高亮度补光灯，实现了在煤矿使用环境下摄像仪的高清视频采集，实时提取变电所内的基本情况，以及设备运行情况，实现机器人系统对变电所内可视部分的视频采集。

矿用隔爆兼本安型轮式巡检机器人可代替巡检工人进行设备及环境巡检，能够有效减轻工作人员的劳动强度，降低巡检过程中存在的安全隐患，提升巡检质量的同时，最大限度地提升煤矿企业的本质安全水平。此巡检机器人系统模型重点对井下变电所内部设备进行巡检作业，同时还可以延伸到洗煤厂等其他防爆场所使用。