機器人與三維激光掃描儀在礦井地質測量中的聯合應用

石 磊

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司， 山西 寧武 036700）

引言

一直以來，煤炭安全生產備受煤礦企業和工作面作業人員的關注。盡管在錨桿+錨索+金屬網的聯合支護和液壓支架的支護下，煤礦生產的安全性得到顯著提升，但是，在日常生產中仍會有礦難的發生[1]。不僅礦井的安全巡檢、發生事故后的災后處理和搜救任務需耗費大量的人力物力，而且工作面的有些位置作業人員無法到達可能造成二次傷亡。為此，應將機器人和三維激光掃描儀集成為一體應用于礦井地質的測量、巡檢和搜救等任務。

1 機器人系統的總體設計

機器人主要由于其體積小、行動方便的優勢可達到作業人員不能到達的位置。而且，在機器人上安裝各種傳感器實現對周邊環境的監測，通過所監測到的數據完成對環境的評估、定位被困人員等任務。

1.1 機器人的設計要求

要求機器人在惡劣的環境下靈活運行，并能夠實現自由轉彎；當機器人在行走過程中遇到障礙物時能夠自由通過；要求機器人能夠長時間在工作面工作；鑒于機器人的結構緊湊，能夠通過狹小的空間，且耗電量小。針對機器人的控制主要采用無線遙控控制的方式；基于自身的導航功能，實現自主巡檢；具備有較強的抗沖擊能力和防雨、防塵功能[2]。

1.2 機器人機械結構的設計

機器人行走系統可采用輪式、履帶式和腿式等。其中，輪式行走系統的效率高，但是適用性較差；腿式行走系統適應能力強，但是其效率低[3]。借鑒坦克的行走系統，針對機器人同樣采用履帶式行走系統。機器人的履帶行走機構如圖1 所示。

此外，為保證機器人能夠實現360°的轉彎，為機器人左右兩側的驅動輪采用差動轉向的方式；為確保機器人的動力十足，機器人采用后驅的方式，且驅動動力為驅動電機所提供。

圖1 機器人履帶行走結構示意圖

1.3 機器人控制系統的設計

若要使機器人能夠在工作面上自主運行并完成搜救、測量和災后處理等任務，需為機器人安裝導航系統和可對周邊環境監測的傳感器。因此，為確保機器人各項功能的實現，需為其設計有效、可靠的控制系統[4]。簡單來說，機器人控制系統包括有主控制器、導航系統和環境監測系統等。根據控制需求，機器人控制系統的原理圖如圖2 所示。

如圖2 所示，機器人的自主導航功能由ZigBee定位系統、慣性導航系統和三維激光掃描儀組成。其中，ZigBee 定位系統主要確定機器人的實時絕對位置；慣性導航系統確定機器人的實時行走狀態參數；三維激光掃描儀主要確定機器人與周邊環境的相對位置。基于上述三個分系統可實現對機器人的精確導航，從而完成對礦井地質的三維測量任務。

圖2 機器人控制系統原理圖

2 三維激光掃描儀的設計

2.1 三維激光掃描儀的技術要求

三維激光掃描在機器人上應用的主要功能是確定機器人與周邊環境的相對位置，其性能直接決定了機器人相對位置的確定，進而影響機器人的定位精度和自主導航功能。因此，三維激光掃描儀的性能需滿足如下要求：

1）要求三維激光掃描儀圖像采集的分辨率不低于680×480；

2）要求三維激光掃描儀的測量距離不小于6 m；

3）要求三維激光掃描儀在遠距離測量時誤差不大于80 mm，測量距離小于1 m 時要求誤差不大于5 mm；

4）要求三維激光掃描儀能夠實現對周邊環境的360°掃描；

5）要求三維激光掃描儀掃描一次所需時間不超過12 s。

2.2 三維激光掃描器件的選型

簡答地說，三維激光掃描儀主要由攝像頭、濾光片、步進電機以及激光器等組成。根據三維激光儀的技術要求及其工作環境完成對其主要器件的選型[5]。

攝像頭的選型：根據三維激光掃描儀的分辨率要求，且具備一定對干擾光過濾的功能，為該掃描儀配置攝像頭的具體型號為Sony Effio673CCd。該攝像頭具備自動聚焦和逆光補償功能，且分辨率滿足第2.1 節中的技術要求。

激光器的選型：激光器的透射角度為其選型的主要依據是根據三維激光掃描儀的工作環境及任務要求，要求其在透射距離為600 mm 時其激光長度不小于800 mm。因此，在理論結合經驗設計的基礎上，選用激光器的線角度為110°。

步進電機的選型：步進電機的主要功能是控制攝像頭和激光器能夠根據掃描任務實現360°的旋轉功能。綜合考慮成本和性能的基礎上，所選型步進電機的型號為57BYGH7630。為滿足掃描任務需求，選用與該步進電機相對應的減速器的型號為06AG15。57BYGH7630 步進電機的關鍵參數如表1所示。

3 機器人與三維激光掃描儀的聯合應用效果驗證

為驗證機器人和三維激光掃描儀將來能夠勝任在工作面對地質測量的任務，本文基于所設計的機器人、三維激光掃描儀和相關軟件搭建了實驗室模型。具體試驗步驟為：將所搭建的實驗室模型放置于實驗室中，并通過步進電機控制攝像頭和三維激光掃描儀對周邊的環境進行拍攝和掃描，并將拍攝和掃描的數據上傳至計算機系統中進行處理，從而得出對周邊環境重建后的三維模型。針對實驗室的樓梯結構所重建的三維模型如圖3 所示。

表1 57BYGH7630 關鍵參數

圖3 樓梯重建三維模型

如圖3 所示，基于機器人和三維激光掃描儀所重建后的樓梯三維模型與實際的樓梯的高度、相對位置等信息一致。即說明，三維激光掃描儀和機器人的聯合可應用于煤礦地質的測量任務中。

4 結語

針對礦井地質的測量或礦難發生后的災后處理及搜救任務，由工程師或搜救人員執行此類任務時存在測量不精確、可能造成二次事故等問題，采用機器人與三維激光掃描儀的聯合應用完成對礦井地質的測量或礦難發生后的災后處理及搜救任務。機器人由于其能夠達到人員所不能到達的位置，具有較高的搜救任務的成功率和精準的礦井地質測量精度；此外，機器人搜救不需擔心二次事故發生所造成的人員傷亡。因此，可將機器人、三維激光掃描儀在礦井的生產任務中推廣應用。