礦用智能巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究

潘祥生， 陳曉晶

(1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司， 江蘇 常州 213015； 2.天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州 213015)

0 引言

我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)存量大，開采環(huán)境復(fù)雜，煤礦環(huán)境安全和設(shè)備故障一直是煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)難題。為了保證礦工人身安全及生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行，必須對(duì)井下環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有的井下環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方式主要有人工巡檢和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)2種，人工巡檢方式是井下設(shè)備檢測(cè)所采用的傳統(tǒng)方式，存在巡檢效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大和手段單一等問(wèn)題，逐步被淘汰。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式雖然監(jiān)測(cè)效果較好，但成本高、靈活性差、覆蓋面積小，不具有普適性[1]。

近年來(lái)，國(guó)家大力推行自動(dòng)化減人、機(jī)械化換人方針，機(jī)器人技術(shù)得到了飛速發(fā)展，越來(lái)越多的低成本、高效率、高可靠性的礦用智能巡檢機(jī)器人被研制出來(lái)，并應(yīng)用于煤礦作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，替代人工巡檢，有效地解決了人工巡檢存在的不足[2]。礦用智能巡檢機(jī)器人可以長(zhǎng)時(shí)間在井下惡劣環(huán)境中連續(xù)工作，結(jié)合智能化監(jiān)測(cè)裝置和分析軟件，可以進(jìn)行全天候數(shù)據(jù)快速采集、實(shí)時(shí)信息傳輸、智能分析預(yù)警與快速?zèng)Q策，形成管控閉環(huán)，加強(qiáng)了運(yùn)行設(shè)備管理能力，極大地提升了煤礦安全生產(chǎn)智能化管理水平。本文結(jié)合礦用智能巡檢機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，分析了礦用智能巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，并指出了礦用智能巡檢機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。

1 礦用智能巡檢機(jī)器人研究現(xiàn)狀

礦用智能巡檢機(jī)器人是一種用于煤礦領(lǐng)域，可以自主運(yùn)行的移動(dòng)平臺(tái)，根據(jù)煤礦井下使用場(chǎng)景，可搭載工業(yè)相機(jī)、拾音設(shè)備、環(huán)境類傳感器、邊緣計(jì)算單元等智能化檢測(cè)或計(jì)算設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全天候?qū)υO(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速采集，并通過(guò)軟件算法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，分析結(jié)果可快速傳輸?shù)胶笈_(tái)集控中心，從而保障設(shè)備運(yùn)行的可靠性。使用礦用智能巡檢機(jī)器人是煤礦生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)智能化和無(wú)人化的重要手段，也是未來(lái)智慧礦山發(fā)展的重要方向。

礦用智能巡檢機(jī)器人是集機(jī)電一體化技術(shù)、多傳感融合技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，技術(shù)含量高，研究和開發(fā)難度大，是煤炭行業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志[3]。

我國(guó)對(duì)巡檢機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代，主要應(yīng)用于電力領(lǐng)域變電站及高壓輸電線的巡檢，經(jīng)過(guò)多年研究，取得了一定的成果。20世紀(jì)90年代末逐步發(fā)展到各個(gè)領(lǐng)域，尤其是煤礦領(lǐng)域，機(jī)器人巡檢部分取代了傳統(tǒng)人工巡檢，獲得了市場(chǎng)的充分認(rèn)可。目前礦用智能巡檢機(jī)器人已在綜采工作面、膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)、變電所、水泵房等場(chǎng)所應(yīng)用。許望等[4]成功研制了第1臺(tái)應(yīng)用于工作面的輪式移動(dòng)巡檢機(jī)器人(圖1)，并對(duì)機(jī)器人殼體進(jìn)行了防爆設(shè)計(jì)，通過(guò)機(jī)器人平臺(tái)上裝載的監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面環(huán)境和設(shè)備安全狀態(tài)的巡檢。左敏[5]提出了一種集成化履帶式巡檢機(jī)器人(圖2)，在傳統(tǒng)履帶傳動(dòng)系統(tǒng)上增設(shè)一對(duì)擺臂，提高了機(jī)器人的越障能力，增強(qiáng)了機(jī)器人對(duì)地面環(huán)境的適應(yīng)能力，通過(guò)搭載攝像機(jī)和傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下環(huán)境和設(shè)備的安全巡檢。裴文良等[6]針對(duì)井下泵房情況，設(shè)計(jì)了一種軌道巡檢機(jī)器人(圖3)，通過(guò)在預(yù)先鋪設(shè)的工字鋼軌道上來(lái)回移動(dòng)完成巡檢任務(wù)，該巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，定位精度高。針對(duì)煤礦井下膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)，姜俊英等[7]設(shè)計(jì)了一種以鋼絲為軌道的巡檢機(jī)器人(圖4)，用于監(jiān)測(cè)膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀況，該巡檢機(jī)器人爬坡能力強(qiáng)，安裝方便。

上述礦用智能巡檢機(jī)器人存在以下特點(diǎn)：

(1) 輪式巡檢機(jī)器人。運(yùn)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)向靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，但越障能力差，導(dǎo)航與定位系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)復(fù)雜地形適應(yīng)性較差。

(2) 履帶式巡檢機(jī)器人。具有一定的越障能力，不受井下巷道復(fù)雜地理環(huán)境、人員及設(shè)備分布的影響，但導(dǎo)航與定位系統(tǒng)較復(fù)雜。

(3) 軌道式巡檢機(jī)器人。移動(dòng)路線固定，控制簡(jiǎn)單，定位精度高。軌道按照材料的強(qiáng)度可分為剛性軌道和柔性軌道，剛性軌道有槽鋼、工字鋼、片鋼和其他特制鋼軌，成本高且占用巷道空間資源；柔性軌道多為電纜或鋼絲懸線，承重受到一定限制，同時(shí)移動(dòng)過(guò)程中平穩(wěn)性較差。

2 礦用智能巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

礦用智能巡檢機(jī)器人的出現(xiàn)提升了煤礦作業(yè)環(huán)境的安全性，降低了礦工勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到了減員增效的效果，有著巨大的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值，其關(guān)鍵技術(shù)成為煤炭科技研究的熱點(diǎn)。從研究現(xiàn)狀來(lái)看，許多關(guān)鍵技術(shù)還有待進(jìn)一步突破。

2.1 移動(dòng)平臺(tái)技術(shù)

移動(dòng)平臺(tái)是礦用智能巡檢機(jī)器人的重要組成部分，不同的移動(dòng)平臺(tái)工作方式不同，因此,應(yīng)根據(jù)巡檢場(chǎng)所的環(huán)境特點(diǎn)選擇輪式、履帶式或者軌道式移動(dòng)平臺(tái)。張樹生等[8]介紹了巡檢機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)及在平臺(tái)上搭載的設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)。崔鑫[9]給出了巡檢機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模和避障算法。鞏利萍[10]提出利用彈塑性力學(xué)理論對(duì)機(jī)器人外殼進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)，并采用Solidworks軟件建立樣機(jī)模型，再通過(guò)有限元分析軟件COSMOSworks對(duì)礦用智能巡檢機(jī)器人平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。Rong Xuewen等[11]研究了礦用智能巡檢機(jī)器人防爆技術(shù)，采用加壓外殼防爆技術(shù)，并對(duì)機(jī)器人防爆系統(tǒng)的組成進(jìn)行了詳細(xì)介紹。此外，為保證移動(dòng)平臺(tái)能夠在井下特殊環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮防潮、防振、防塵等問(wèn)題。

2.2 定位與導(dǎo)航技術(shù)

定位與導(dǎo)航技術(shù)是礦用智能巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化和完全自主移動(dòng)最關(guān)鍵的技術(shù)。針對(duì)智能巡檢機(jī)器人的定位與導(dǎo)航，研究人員對(duì)變電站巡檢機(jī)器人作了大量研究，提出磁軌跡引導(dǎo)、配合RFID(Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別)電子標(biāo)簽的定位導(dǎo)航方式，這種方式需要在巡檢機(jī)器人運(yùn)行路徑上預(yù)埋磁軌跡并在?？课恢寐裨O(shè)RFID電子標(biāo)簽，導(dǎo)航定位精度高、抗干擾性強(qiáng)，但存在施工復(fù)雜、工作量大、運(yùn)行路線不靈活等缺點(diǎn)[12]?；诖?，楊森等[13]提出了利用地面引導(dǎo)標(biāo)志進(jìn)行導(dǎo)航的單目視覺(jué)導(dǎo)航方法，通過(guò)圖像采集對(duì)引導(dǎo)標(biāo)志進(jìn)行識(shí)別，自主規(guī)劃巡檢路徑和?？课恢茫摲椒▽?duì)光線比較敏感，光線不足或地面引導(dǎo)標(biāo)志不清晰會(huì)嚴(yán)重影響巡檢機(jī)器人導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。為了解決光線不足影響導(dǎo)航精度的問(wèn)題，肖鵬等[14]研制了一種基于人工路標(biāo)的激光導(dǎo)航系統(tǒng)，有效地提高了導(dǎo)航精度，但該系統(tǒng)對(duì)人工路標(biāo)要求較高，不適合井下大范圍使用。李紅梅等[15]研制了一種不依賴人工路標(biāo)的激光雷達(dá)+SLAM(Simultaneous Localization and Mapping，及時(shí)定位與地圖構(gòu)建)技術(shù)，通過(guò)激光雷達(dá)掃描周圍環(huán)境并建立電子地圖，利用幀間匹配、回環(huán)檢測(cè)等手段，實(shí)現(xiàn)智能巡檢機(jī)器人的自主行走、自主避障和精確定位。近年來(lái)，研究人員嘗試采用高精度差分GPS(Global Position System,全球定位系統(tǒng))定位技術(shù)對(duì)智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行定位，這種方式對(duì)無(wú)線傳輸?shù)男盘?hào)依賴性較強(qiáng)，測(cè)試發(fā)現(xiàn)，周圍設(shè)備的電磁擾動(dòng)會(huì)對(duì)GPS信號(hào)產(chǎn)生影響，同時(shí)復(fù)雜的礦井環(huán)境會(huì)造成GPS信號(hào)丟失，嚴(yán)重制約了導(dǎo)航的可靠性[16]。還有研究人員采用慣性導(dǎo)航方式實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航，即在巡檢機(jī)器人上安裝IMU(Inertial Measurement Unit，慣性測(cè)量單元)，通過(guò)測(cè)量加速度、角速度等數(shù)據(jù)，獲取機(jī)器人速度和位姿信息，該方式由于巡檢機(jī)器人的打滑、顛簸等因素，導(dǎo)致測(cè)量存在一定誤差，長(zhǎng)時(shí)間的巡檢會(huì)產(chǎn)生較大的累計(jì)誤差，從而使得導(dǎo)航偏移。

從目前井下使用情況來(lái)看，輪式和履帶式礦用智能巡檢機(jī)器人定位、導(dǎo)航可采用激光雷達(dá)+SLAM技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。通過(guò)該技術(shù)，礦用智能巡檢機(jī)器人可以在完全未知環(huán)境中建立電子地圖，同時(shí)利用地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃和自主定位、導(dǎo)航。軌道式礦用智能巡檢機(jī)器人由于巡檢線路固定，因此，定位與導(dǎo)航適合采用RFID技術(shù)，RFID定位裝置價(jià)格便宜、安裝方便且精度較高，具有較高的可行性。

2.3 圖像識(shí)別技術(shù)

圖像識(shí)別技術(shù)是礦用智能巡檢機(jī)器人使用比較普遍的一項(xiàng)重要技術(shù)，通過(guò)拍攝設(shè)備圖像判別設(shè)備運(yùn)行狀況。圖像識(shí)別的類型主要包括儀表讀數(shù)、指示燈狀態(tài)、開關(guān)位置、設(shè)備運(yùn)行狀況等[17]。

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，圖像識(shí)別方法較為成熟，對(duì)于儀表讀數(shù)的識(shí)別，通常將采集到的數(shù)字與數(shù)字模板圖像庫(kù)進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配結(jié)果能準(zhǔn)確輸出識(shí)別結(jié)果。對(duì)于指示燈、開關(guān)位置、設(shè)備狀態(tài)的識(shí)別，通常是先獲取被識(shí)別對(duì)象在圖像中的位置，然后根據(jù)被識(shí)別對(duì)象的線狀特征，基于Hough變換判斷被識(shí)別對(duì)象的顏色及狀態(tài)信息。利用圖像識(shí)別技術(shù)可以準(zhǔn)確獲取儀表讀數(shù)，然而井下設(shè)備復(fù)雜、種類繁多，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備快速、準(zhǔn)確識(shí)別是圖像識(shí)別技術(shù)亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。為了提高識(shí)別準(zhǔn)確性，一些特殊設(shè)備需要建立專用的識(shí)別模板和算法，甚至還需積累一些培訓(xùn)樣本進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。

根據(jù)礦用智能巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)及組網(wǎng)方式不同，圖像識(shí)別的數(shù)據(jù)處理分為后臺(tái)處理和就地處理。后臺(tái)處理是將拍攝圖像通過(guò)無(wú)線技術(shù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端服務(wù)器進(jìn)行識(shí)別處理，這種方式存在傳輸時(shí)間長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性差和丟幀、損壞等問(wèn)題；就地處理即利用自行搭載的邊緣計(jì)算模塊進(jìn)行圖像處理，該方式實(shí)時(shí)性好，可靠性高。

2.4 自主充電技術(shù)

隨著礦用智能巡檢機(jī)器人的功能不斷擴(kuò)展及大行程巡檢要求被提出，對(duì)電池的續(xù)航能力提出了更高的要求[18]。因此，在電池設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮增大電池容量，還要考慮電池的自主充電能力，才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人無(wú)人值守智能化巡檢。

自主充電技術(shù)是礦用智能巡檢機(jī)器人長(zhǎng)期自主工作后補(bǔ)充電能的重要手段。W.Grey[19]利用光源作為導(dǎo)航信息實(shí)現(xiàn)自主充電，但光源容易受到環(huán)境光干擾。Li Li等[20]研究了一套巡檢機(jī)器人自主充電系統(tǒng)，利用已知環(huán)境地圖引導(dǎo)巡檢機(jī)器人與充電站對(duì)接，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人自主充電，但一旦環(huán)境地圖受到破壞，巡檢機(jī)器人則無(wú)法自主完成充電任務(wù)，缺乏靈活性。J.Toth等[21]通過(guò)在充電站上設(shè)置色塊和IR二極管引導(dǎo)巡檢機(jī)器人對(duì)接實(shí)現(xiàn)自主充電，并可以對(duì)重點(diǎn)狀況進(jìn)行監(jiān)控。黎陽(yáng)生[22]使用激光傳感器、PTZ彩色攝像機(jī)和里程計(jì)引導(dǎo)機(jī)器人自主充電，但存在對(duì)接誤差容忍度小的缺陷。楊墨等[23]提出了一種變電站巡檢機(jī)器人自主充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用磁軌道引導(dǎo)與RFID標(biāo)簽定位，導(dǎo)航精度高，簡(jiǎn)單可靠，無(wú)需人工干預(yù)，智能化程度高，當(dāng)巡檢機(jī)器人與充電樁對(duì)接時(shí)，通過(guò)檢測(cè)充電結(jié)構(gòu)位置及極片電壓判斷是否滿足充電要求，同時(shí)充電機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了漏斗狀對(duì)接窗口，提高了對(duì)接誤差容忍度和可靠度，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該充電技術(shù)可以移植到礦用智能巡檢機(jī)器人上,考慮到井下環(huán)境的特殊性，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮電池及充電方式的本安化。體積小、質(zhì)量輕、儲(chǔ)量大的電池本安化是目前研究的難點(diǎn)。

礦用智能巡檢機(jī)器人的充電方式主要有非接觸式和接觸式2種。非接觸式充電主要方式是無(wú)線充電，但缺乏完善的認(rèn)證體系和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而且充電電流較小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速充電；接觸式充電需防止充電電極暴露在空氣中產(chǎn)生電火花，應(yīng)做好防爆、防靜電處理，同時(shí)要做到對(duì)充電電流及充電狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

2.5 后臺(tái)管理及診斷技術(shù)

礦用智能巡檢機(jī)器人在巡檢過(guò)程中會(huì)采集到大量數(shù)據(jù)，這些龐大的數(shù)據(jù)若直接上傳至后臺(tái)由人工進(jìn)行分類管理及診斷，不僅增加了通信系統(tǒng)的傳輸壓力，而且增加了人工處理的工作量，因此,礦用智能巡檢機(jī)器人必須具備后臺(tái)管理和數(shù)據(jù)分析診斷功能。張艷麗等[24]設(shè)計(jì)了基于GPS衛(wèi)星定位的輸電線路巡檢管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了巡檢工作的數(shù)字化管理，但該系統(tǒng)需要依靠巡檢人員攜帶手持機(jī)進(jìn)行巡檢工作，不適用于巡檢機(jī)器人。王波等[25]針對(duì)巡檢路徑的特點(diǎn)，提出了融合巡檢圖像分類管理、巡檢任務(wù)管理、分析診斷、數(shù)據(jù)傳輸及局域網(wǎng)于一體的后臺(tái)管理與診斷系統(tǒng)的體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析處理。

目前礦用巡檢機(jī)器人受供電、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等因素的影響，無(wú)法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或上傳，需要進(jìn)一步研制出更加高效的后臺(tái)管理及在線故障診斷系統(tǒng)。

3 礦用智能巡檢機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)

在新基建熱潮下，以煤炭為代表的傳統(tǒng)行業(yè)也在積極擁抱數(shù)字技術(shù)，加速走向智能化。由于煤礦井下特殊的工作環(huán)境和工作要求，礦用智能巡檢機(jī)器人還需在技術(shù)上不斷提升，主要發(fā)展趨勢(shì)如下：

(1) 數(shù)據(jù)分析智能化。隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，多傳感器融合技術(shù)已在許多行業(yè)得到應(yīng)用，但在煤礦領(lǐng)域應(yīng)用較少。提高識(shí)別算法實(shí)用性，開展基于設(shè)備形狀及外形特征的模式識(shí)別技術(shù)研究，增強(qiáng)機(jī)器人深度學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)信息處理和傳輸?shù)闹悄芑堑V用智能巡檢機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)之一。

(2) 移動(dòng)平臺(tái)輕量化。目前礦用智能巡檢機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的材料主要是鋼鐵，外形笨重，移動(dòng)缺乏靈活性，行走時(shí)需要較大的功耗。因此，研發(fā)體積小、質(zhì)量輕的防爆新型材料是礦用智能巡檢機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)。

(3) 功能模塊化。礦用巡檢機(jī)器人整體應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，不同應(yīng)用場(chǎng)景配備不同的功能模塊，擴(kuò)大巡檢機(jī)器人的應(yīng)用范圍。

(4) 巡檢定位精確化。受限于工控機(jī)的性能及算法復(fù)雜度等因素，激光雷達(dá)+SLAM技術(shù)尚不能實(shí)現(xiàn)礦用智能巡檢機(jī)器人定位與建圖的同步運(yùn)算。隨著工控機(jī)性能的快速提升及算法的不斷革新，研制定位精度高、魯棒性強(qiáng)的導(dǎo)航裝置是礦用智能巡檢機(jī)器人發(fā)展的必然趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

礦用智能巡檢機(jī)器人能夠根據(jù)預(yù)定巡檢任務(wù)進(jìn)行巡檢作業(yè)，其靈活性和智能性可以彌補(bǔ)人工巡檢的不足，符合智慧礦山發(fā)展要求,也是煤炭行業(yè)無(wú)人值守發(fā)展的必然趨勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。對(duì)礦用智能巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深度剖析，指出數(shù)據(jù)分析智能化、移動(dòng)平臺(tái)輕量化、功能模塊化、巡檢定位精確化是礦用智能巡檢機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)，為礦用智能巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步研究提供參考。

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