煤礦井下瓦斯智能巡檢機器人系統的研究與設計

張海波 茹瑞鵬 張 靜

(1.潞安集團李村煤礦建設管理處，山西省長治市，046000； 2.西南科技大學信息工程學院，四川省綿陽市，621010)

1 引言

與其它主要產煤國家相比，我國的煤炭賦存存在埋藏深、煤層穩定性相對較差、地質構造復雜以及水、火、瓦斯、煤塵、頂板等自然災害因素較多的問題，且高瓦斯礦井偏多，瓦斯管理始終是煤礦的重點環節。因此，在煤礦瓦斯巡檢環節引入機器人技術代替專職瓦斯檢查員巡檢，對于提升作業環境安全、降低勞動強度以及提高生產效率具有重要意義。

歐美等先進制造業國家在20世紀80年代開始，便將基于計算機遠程遙控加局部自主控制作為非結構化采煤工作環境下機器人的重點研究方向，研制出了計算機控制采煤作業系統及多種特種機器人，如支護機器人、鑿巖機器人、裝載機器人、采煤機器人、煤礦救災機器人等。目前，國內煤炭行業也在大力推進煤礦機械化、自動化、信息化和智能化“四化”建設，重點探索在危險工種和崗位使用智能機器人技術，以提高生產效率和提升安全生產系數。

針對煤礦井下非結構化、不確定和復雜未知環境的瓦斯巡檢作業問題，本文設計了一種強越障煤礦井下瓦斯巡檢機器人系統，替代傳統的專職瓦斯檢查員巡回檢查，研制強越障履帶式底盤結構，以STM32F107微控制和μC/OS-III實時操作系統構建機器人主控單元，搭載“四合一”瓦斯氣體檢測儀和多視角圖像傳感器，實時采集現場氣體信息和現場視覺信息，通過便攜式操控臺和綜合機器人測控臺經由無線通信模組，完成復雜環境條件下的遠程交互控制和數據傳輸功能，并對系統的越障性能、交互控制性能、數據采集與傳輸能力進行了實驗測試。

2 機器人系統的總體設計

機器人系統總體采用分層設計，主要為機器人監測平臺、多制式通信和交互控制平臺三層結構。機器人系統的總體設計如圖1所示。

圖1 機器人系統總體設計

(1)機器人監測平臺。機器人監測平臺采用雙履帶式結構設計，該設計具有機構靈活和越障性能強等優點，能夠更有效地適應井下巷道復雜非結構化環境，同時多自由度臂式云臺搭載高清光學變焦攝像頭，機身前后攜帶補光魚眼相機，視角轉換靈活，可獲取更多更全面的現場信息。

(2)多制式通信。多制式通信采用無線通信網絡和漏纜通信相結合的方式，能夠提高非視距通信的可靠性和適應性。

(3)交互控制平臺。交互控制平臺包括便攜式控制臺和綜合操控平臺兩種終端，方便操作人員根據需要選擇性使用。

3 機器人系統的本體機構設計

機器人系統的本體機構由機器人底盤、多自由度臂式云臺、攝像機云臺和控制盒四大部分組成，其結構示意圖如圖2所示。

(1)機器人底盤。機器人底盤使用履帶式結構，履帶底盤主要是由動力驅動系統、從動系統、張緊系統、基架等組成。履帶輪采用鋁合金制作，履帶采用阻燃工程橡膠制作，既可以減輕機器人自身的重量，又可以提高了抗跌落性能，履帶底盤結構可完成越障、攀爬和斜坡等各項任務。

圖2 機器人系統的本體結構示意圖

(2)多自由度臂式云臺。多自由度臂式云臺主要由三節主臂和底部攝像頭組成，主臂端部安裝有力矩馬達和角位移傳感器，可伺服調節主臂關節轉角大小和控制云臺的空間高度，實現搭載攝像頭上升、下降和旋轉觀測等動作，實時監控機械臂的運動情況，方便操作者遠程控制。

(3)攝像機云臺。攝像機云臺采用密封防爆設計，并帶有自動清潔窗口裝置，從而使整個系統能在水淋環境和可燃氣體環境中均可正常可靠工作。

(4)控制盒?？刂坪羞x用優質鋁合金或不銹鋼由機器鈑金制成，耐腐蝕且重量輕。

(5)氣體檢測單元。氣體檢測單元采用“四合一”瓦斯氣體檢測儀檢測環境氣體類型及其濃度值，選用X-am 5000氣體檢測儀，該氣體檢測儀能有效測量O2、CO、H2S和CH4等氣體的濃度。為了支持其數據的遠程傳輸，另外安裝了一套X-zone 5000無線傳輸檢測儀，該儀器可以通過RS485傳輸數據。

4 機器人系統的控制系統設計

4.1 主控制系統設計

主控制系統采用模塊設計和多層次分布式控制體系結構，主要由主控制子系統、電機控制子系統、傳感器控制子系統、云臺控制子系統和其它控制系統構成。當各控制子系統收到主控制系統發來的控制指令后，能獨立完成對模塊的控制，同時各控制子系統將機器人系統本體的信息和傳感器監測的信息返回給主控制子系統，控制系統整體框圖如圖3所示。

主控制子系統可以通過RS485總線與各自系統模塊進行通信。主控制子系統采用基于Cortex-M4嵌入式微控制器STM32F407和嵌入式實時操作系統μC/OS-III，系統支持多任務管理和任務間的同步與通信，能對多個傳感器信息進行實時處理，實現自主控制，滿足復雜環境條件下的控制和數據傳輸的需要。

圖3 控制系統整體框圖

4.2 驅動系統設計

機器人系統中的各電機驅動控制均采用Atmega 8工業級單片機實現，利用大功率MOSFET搭建H橋式電機驅動電路實現對電機的驅動和對直流電機的轉速控制和位置控制。用4只大功率MOSFET功率管構建的電機功率驅動電路，從而保證上下臂的特性一致，提高功率驅動器工作效率。導通任意對角線上的一對MOSFET后電機運轉，切換導通對角線的MOSFET后電機轉動方向改變。結合直流斬波技術，采用PWM波來控制MOSFET的導通與關斷，從而實現電動機轉速和力矩的控制。

機器人行進電機采用48 V和500 W大功率直流無刷電機，每個電機均獨立設計H橋驅動電路。機械臂關節分別采用48 V和150 W以及48 V和90 W的電機提供動力。實際應用中，機械臂電機裝有霍爾傳感器，以反饋機械臂關節位置信息。

5 機器人系統的信息與通信系統設計

機器人系統的信息與通信系統整體結構設計主要包括高清相機、魚眼模擬相機、云臺編碼器和氣體檢測器，通信系統包括前段通信部分和后端通信部分。信息與通信系統主體結構圖如圖4所示。

圖4 信息與通信系統主體結構圖

前端通信部分較為復雜，包括多制連接單元、漏纜通信模組和無線組網模塊。在完成機器人和控制臺的物理連接后，通過網絡配置來建立端到端的通信鏈路，實現視頻、傳感器采集和控制信號的傳輸。多制連接單元提供RS232/485接口，連接機器人控制器和氣體檢測器；提供視頻接口，連接采集周圍環境圖像的廣角鏡頭；提供高速以太網接口，連接高清相機。漏纜通信模組提供三路以太網下行接入，分別連接多制連接單元的串行輸出、多制連接單元的模擬視頻輸出和多制連接單元的高清數字視頻輸出；提供兩路上行接入，一路通過無線組網接入控制臺，一路通過通信線纜接入控制臺。另外，為了支持手持遙控器，通信系統還增加了一個數傳電臺連接機器人控制器，一個圖傳電臺連接前后視廣角鏡頭。信息與通信系統拓撲圖如圖5所示。

圖5 信息與通信系統拓撲圖

6 實驗測試

6.1 基本動作和越障性能測試

對機器人系統的基本動作和越障性能進行了測試，包括機器人系統的云臺動作、行進動作等。基本動作測試結果表明，機器人系統的各項運動功能控制靈敏、運動平穩，實現預期設計目標。越障性能測試結果表明，機器人爬坡角度>30°，越障高度>18 cm，跨越溝壑長度>25 cm。機器人系統的基本動作測試和越障性能測試如圖6和圖7所示。

圖6 機器人系統的基本動作測試

圖7 機器人系統的越障性能測試

6.2 信息與通信系統測試

對機器人系統的信息與通信系統進行測試，測試結果表明，視距無線傳輸距離在200 m時，通信速率為4.8～38.4 Mbps，平均速率為20 Mbps；非視距傳輸距離在60 m時，通信速率最低為5～ 40 Mbps，平均速率為22.8 Mbps，均可同時傳輸全景視頻、雙魚眼相機視頻和控制命令。

6.3 電池續航能力測試

考慮到機器人系統的實用性問題，對機器人系統的續航能力進行了嚴格測試，實時檢測機器人系統的電池電壓變化和放電電流大小。機器人系統的電池為48 V磷酸鐵鋰電池，多次充放電實驗發現，機器人電池最大放電電流電流可以達30 A，充滿一次電的續航時間>2.5 h，續航能力滿足2 h的續航設計要求。機器人系統的電池續航能力測試如圖8所示。

圖8 機器人系統的電池續航能力測試

6.4 綜合測試

在煤礦井下安全可控、不進行生產、危險可控的環境對機器人系統進行綜合測試，包括機器人系統在復雜工況下的越障巡檢作業能力以及信息傳輸能力等，機器人系統的綜合測試如圖9所示。

圖9 機器人系統的綜合測試

經過綜合測試操作驗證，機器人系統能夠完成在煤礦井下復雜環境中的越障巡檢作業，能夠實時反饋視覺信息和氣體信息，能夠實時在后臺軟件界面更新數據，機器人系統操控延時<0.3 s，最大數據更新延時<0.5 s。

7 結語

通過對機器人系統的越障性能、交互控制性能、數據采集與傳輸能力的實驗測試表明，該系統能及時有效地檢測到煤礦井下巷道中的瓦斯含量，并準確記錄檢測時間、檢測地點以及檢測現場的數據等相關信息，能夠代替人工巡檢，降低人工勞動強度，提高了巡檢效率和精度，并能根據巡檢設備記錄的數據及時制定靈活有效的處理方案，對煤礦的安全生產、減人提效以及打造智慧化礦山起到積極的推動作用。