煤礦井下巡檢機(jī)器人自主控制系統(tǒng)的研究

周密林

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006）

引言

隨著煤礦井下掘進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，井下掘進(jìn)深度和效率不斷提升，現(xiàn)代煤礦井下的巷道分布和綜采機(jī)械設(shè)備的分布日趨復(fù)雜。為了確保各類綜采設(shè)備的正常使用，通常在井下設(shè)置專門的巡查人員，定期對(duì)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，但該方案不僅需要投入大量的設(shè)備維護(hù)人員，而且效率低下，無法對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，已經(jīng)無法適應(yīng)井下快速掘進(jìn)、自動(dòng)化設(shè)備大量應(yīng)用的現(xiàn)狀[1]，因此本文結(jié)合井下的實(shí)際情況，提出了一種煤礦井下巡檢機(jī)器人自主控制系統(tǒng)。

1 巡檢機(jī)器人自主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖1）

由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道內(nèi)具有較多的設(shè)備和管線，而且在實(shí)際工作過程中巡檢機(jī)器人可能會(huì)面臨各種不確定因素，因此僅依靠傳統(tǒng)的巡檢機(jī)器人的機(jī)械控制系統(tǒng)無法做到對(duì)各類突發(fā)異常的處理，而且也不利于監(jiān)控人員在地面上對(duì)井下設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，綜合多種需求和實(shí)際情況，本文提出了一種具有自主控制和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)結(jié)果的巡檢機(jī)器人自主控制系統(tǒng)[3]。該自主控制系統(tǒng)主要包括監(jiān)控層、通訊層和控制層三個(gè)部分，監(jiān)控層主要包括遠(yuǎn)程無線信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)及監(jiān)控主機(jī)，用于監(jiān)控人通過巡檢機(jī)器人上的監(jiān)控裝置對(duì)井下各設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過無線電信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下巡檢機(jī)器人的遠(yuǎn)程交互控制，控制層則主要是指巡檢機(jī)器人上的各類控制電機(jī)，系統(tǒng)在接收到控制人員下達(dá)的控制指令后便控制各類機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)節(jié)，從而使機(jī)器人更好地適應(yīng)井下復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，更快地完成井下巡檢作業(yè)。

2 巡檢機(jī)器人自主控制系統(tǒng)的無線傳輸方案

圖1 井下巡檢機(jī)器人自主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

煤礦巷道地質(zhì)條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的采用有線控制的方式不僅需要大量的電纜而且其運(yùn)行范圍受到了極大的限制，在運(yùn)行過程中巡檢機(jī)器人的電纜極易出現(xiàn)纏繞或者破損，影響巡檢機(jī)器人的正常使用，因此本文提出了該巡檢機(jī)器人采用無線傳輸?shù)姆桨浮？紤]到煤礦井下電氣設(shè)備多、電磁干擾嚴(yán)重而且無線信號(hào)作用距離較小，本文提出了在井下設(shè)置多組無線信號(hào)發(fā)射裝置的方案，但考慮到多點(diǎn)設(shè)置需要花費(fèi)大量的資金，而且施工周期較長(zhǎng)，提出了在現(xiàn)有的井下通訊系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，使其具有發(fā)射無線信號(hào)的功能，既節(jié)約了資金又能有效保持無線電信號(hào)的可靠性，其結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2 所示[4]。

同時(shí)巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)還具有對(duì)不同區(qū)域無線信號(hào)的判別功能，根據(jù)所接收到的無線信號(hào)的不同自動(dòng)判別自身所處的區(qū)域，便于控制人員能夠及時(shí)準(zhǔn)確掌握機(jī)器人在井下的運(yùn)行位置。

3 巡檢機(jī)器人自主控制系統(tǒng)的應(yīng)用

為了對(duì)該井下巡檢機(jī)器人自主控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，本文采用井下巡檢機(jī)器人對(duì)視頻控制和自主控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)后，將其放置到煤礦井下巷道內(nèi)，對(duì)其自主工作情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，井下巷道內(nèi)的試驗(yàn)驗(yàn)證如下頁(yè)圖3 所示。

圖2 井下無線電基站結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 巡檢機(jī)器人自主監(jiān)控畫面

根據(jù)在煤礦井下巷道內(nèi)的實(shí)際驗(yàn)證表明，該巡檢機(jī)器人在井下對(duì)復(fù)雜地形表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性，能夠根據(jù)井下的實(shí)際情況規(guī)劃路徑，躲避障礙，最大能夠跨域斜度為25°的障礙物，最大的跨域臺(tái)階高度為237 mm，最大的跨域壕溝的寬度約為770 mm，能夠滿足井下巷道內(nèi)絕大多數(shù)地質(zhì)條件下的通行要求。無線通信系統(tǒng)穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)，監(jiān)控信號(hào)傳輸質(zhì)量高、畫面流暢，在2 km 范圍內(nèi)的畫面滯后僅0.2 s，完全滿足長(zhǎng)距離控制的要求。

4 結(jié)論

針對(duì)煤礦井下巷道內(nèi)的設(shè)備多而且分散，多數(shù)煤礦采用在井下安排專門的巡檢人員對(duì)設(shè)備和線路的工作狀態(tài)進(jìn)行定期巡檢，存在效率低下、危險(xiǎn)性高的缺陷，本文提出了一種新的煤礦井下巡檢機(jī)器人自主控制系統(tǒng)，采用無線傳輸控制和自主路徑規(guī)劃方案，不僅取消了井下巡檢人員設(shè)置，極大提升了井下巡查的效率和準(zhǔn)確性，而且克服了傳統(tǒng)的有線控制機(jī)器人控制范圍小，易被纏繞的難題，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）該自主控制系統(tǒng)主要包括監(jiān)控層、通訊層和控制層三個(gè)部分，利用設(shè)置在機(jī)器人上的監(jiān)控設(shè)備對(duì)井下設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過無線傳輸通訊系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)信息傳輸?shù)降孛嫔系谋O(jiān)控中心，控制人員通過控制層可以對(duì)巡檢機(jī)器人的運(yùn)行進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；

2）采用對(duì)井下現(xiàn)有通訊系統(tǒng)改造的方式，使其具有發(fā)射無線信號(hào)的功能，既節(jié)約了資金又能有效保持無線電信號(hào)的可靠性。

3）該巡檢機(jī)器人在井下對(duì)復(fù)雜地形表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性，能夠根據(jù)井下的實(shí)際情況規(guī)劃路徑，躲避障礙，滿足井下巷道內(nèi)絕大多數(shù)地質(zhì)條件下的通行要求。無線通信系統(tǒng)穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)，監(jiān)控信號(hào)傳輸質(zhì)量高、畫面流暢，在2 km 范圍內(nèi)的畫面滯后僅0.2 s，完全滿足長(zhǎng)距離控制的要求。