張 力，馬宏偉，梁 艷，薛旭升

(1.西安科技大學(xué)，機械工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省礦山機電裝備智能監(jiān)測重點實驗室，陜西 西安 710054)

我國煤炭工業(yè)長期以來都屬于高危行業(yè)[1]。煤礦環(huán)境結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開采條件惡劣，日常對煤礦設(shè)備運行狀況、環(huán)境安全參數(shù)等重要指標(biāo)的巡檢是不可或缺的[2]。傳統(tǒng)的地面移動式或軌道式煤礦巡檢機器人主要存在以下不足：一是易受復(fù)雜地形影響，空間運動能力受限[3]；二是占用通道資源且成本較高[4]。四旋翼無人機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、反應(yīng)靈活、易控制等特點，且能夠垂直起降與定點懸停[5-7]，借助其優(yōu)勢，能夠有效降低巡檢成本，提高巡檢效率，擴大巡檢范圍。

地面上空作業(yè)的四旋翼機器人通常依靠精確的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，如北斗或GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))提供的經(jīng)緯度信息以及氣壓計提供的高度信息來獲取地理位置[8]；在視距開闊、通信無阻擋的條件下，由飛手遠程操控作業(yè)；并通過天空端與地面端的無線收發(fā)設(shè)備進行信息回傳[9]。然而，煤礦井下由于低照度、空間狹窄、視距受限、無北斗或GPS信號等特點[10-12]，嚴重限制了四旋翼機器人自主飛行和巡檢作業(yè)能力的發(fā)揮。同時，井下巷道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、距離長、巷道之間縱橫交錯[13]，無線收發(fā)設(shè)備之間的信號傳輸近似直線傳播，在井下的穿透能力和繞射能力十分差；雖然可通過增加回傳接入點的方式延長傳輸距離，但需專門在井下增設(shè)中繼器[14，15]，安裝成本和維護費用比較高。因此，地面上空常用的四旋翼巡檢機器人不適合于煤礦井下作業(yè)。

針對以上問題，本文設(shè)計了一種煤礦四旋翼巡檢機器人，該機器人能夠適應(yīng)于煤礦井下環(huán)境飛行，實時探測巷道中的環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀況和人員信息，并通過井下無線網(wǎng)絡(luò)將巡檢信息回傳至云平臺，為地面監(jiān)控中心進行預(yù)測分析、預(yù)防預(yù)警等應(yīng)用提供了前兆信息采集的基礎(chǔ)。

1 設(shè)計方案

1.1 井下巡檢系統(tǒng)介紹

圖1 井下巡檢系統(tǒng)總體示意圖

井下巡檢系統(tǒng)總體示意如圖1所示，為基于煤礦四旋翼巡檢機器人的煤礦井下巡檢系統(tǒng)總體示意圖，由信息采集層、信息交互層和應(yīng)用管理層組成。系統(tǒng)利用機器人在井下巡檢作業(yè)，實時檢測巷道內(nèi)信息，并通過井下無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息和視頻信息回傳至云平臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和流媒體服務(wù)器，地面監(jiān)控中心通過訪問云平臺，實現(xiàn)預(yù)測分析、預(yù)防預(yù)警等應(yīng)用。本文主要針對信息采集層，即煤礦四旋翼巡檢機器人系統(tǒng)進行設(shè)計。

1.2 機器人設(shè)計要求

針對煤礦井下環(huán)境特點和巡檢需求等，對機器人做出以下設(shè)計要求：機身結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能緊湊，適宜在巷道內(nèi)靈活飛行；測控系統(tǒng)各儀表及電氣設(shè)備應(yīng)采取適當(dāng)防爆措施；擴展硬件需體積小，質(zhì)量輕，便于裝卸；具有飛行調(diào)控的能力，能夠在井下自主平穩(wěn)飛行；具有運算和規(guī)劃能力，能夠協(xié)調(diào)各模塊穩(wěn)定運行；能夠依靠測控系統(tǒng)進行井下定位和障礙物規(guī)避；能夠為系統(tǒng)各模塊提供充足的動力和所需的不同電壓；能夠?qū)崟r獲取井下環(huán)境信息，并對數(shù)據(jù)和視頻進行處理和回傳，且在低照度時也能滿足作業(yè)需求。

1.3 機器人總體設(shè)計

綜合上述設(shè)計要求，在地面上空作業(yè)的四旋翼機器人基礎(chǔ)上，擴展了相關(guān)硬件裝置并對測控系統(tǒng)進行了設(shè)計，使其能夠適應(yīng)井下環(huán)境自主飛行，并具有一定避障能力。同時，能通過搭載的傳感器和攝像頭實時檢測井下巷道內(nèi)信息并通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息回傳，機器人總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 機器人總體架構(gòu)

2 機器人測控系統(tǒng)

2.1 測控系統(tǒng)基本組成

測控系統(tǒng)是巡檢機器人的核心，主要由機載計算機、飛行控制系統(tǒng)、超聲傳感器、溫濕度傳感器和攝像頭等部件組成，如圖3所示。機載計算機采用博通四核A-72架構(gòu)CPU，配置雙頻無線模塊及視頻編解碼等功能，能夠自主進行航點規(guī)劃和各種處理運算，也可通過SSH命令進行人工遠程控制。選取pixhawk開源飛控作為機器人的飛行控制系統(tǒng)，內(nèi)置多種位姿傳感器，可以實時調(diào)整機器人位姿；擁有獨立的故障處理器，能夠做出相應(yīng)的控制保護。此外，光流傳感器和IMU(Inertial measurement unit，慣性測量單元)等部件構(gòu)成機器人定位系統(tǒng)；溫濕度傳感器、氣體傳感器、超聲傳感器和攝像頭構(gòu)成探測系統(tǒng)；整個測控系統(tǒng)由6S鋰電池供電，通過無線網(wǎng)絡(luò)與外界進行信息交互。

圖3 測控系統(tǒng)基本組成

此外，為防止發(fā)生井下自爆，本設(shè)計對測控系統(tǒng)的大電流電器采取澆封方式進行防爆，分別將電池模塊、控制模塊、傳感器模塊、攝像頭模塊等密封在各自防爆盒內(nèi)，并為攝像頭前端專門配置透明擋板，再通過防爆接口和防爆電纜連接系統(tǒng)各部件，保證井下作業(yè)安全。

2.2 機器人主要模塊的功能

測控系統(tǒng)針對機器人井下作業(yè)的動力供給、定位避障、飛行控制、環(huán)境巡檢和信息回傳等主要功能需求，采用了模塊化設(shè)計，具體如下：

2.2.1 電源管理模塊

機器人預(yù)期作業(yè)長度以2km為例，為了保證數(shù)據(jù)采集均勻穩(wěn)定、視頻圖像清晰可辨，設(shè)定機器人以2m/s的速度勻速飛行，因此每次巡檢時間約在20min左右?？紤]到井下巡檢作業(yè)復(fù)雜，搭載傳感器等載荷較多，以及對巡檢時間的要求，本文選取了容量為8000mAh的6S鋰電池來保障機器人系統(tǒng)的動力供應(yīng)。

該電池電壓為22.2V，可直接為電機供電，而機載計算機和飛控系統(tǒng)均需5V電壓供電，若另采用其他電源供電則額外增加了設(shè)計成本和系統(tǒng)載荷，因此采用LM2596電壓調(diào)節(jié)芯片將22.2V轉(zhuǎn)換為5V，其電路轉(zhuǎn)化原理如圖4所示。

圖4 降壓電路原理

2.2.2 自主定位模塊

由于地面上常用的四旋翼巡檢機器人定位手段(如北斗、GPS等)無法應(yīng)用在煤礦環(huán)境，因此，本文通過融合光流傳感器與慣性測量單元的數(shù)據(jù)，確保機器人在煤礦井下能夠達到姿態(tài)穩(wěn)定和精準(zhǔn)懸停；在此基礎(chǔ)上，采用基于相機標(biāo)定法解算出機器人的空間位置坐標(biāo)，實現(xiàn)井下自主定位，定位原理如下：

通過PX4flow光流傳感器提取圖像中的特征點信息并增添相應(yīng)的特征描述，利用算法多次迭代篩除誤匹配點，并融合IMU數(shù)據(jù)以消除光流傳感器誤差，實現(xiàn)機器人在井下巷道中的姿態(tài)穩(wěn)定；對MT9V034攝像頭標(biāo)定后，拍攝機器人懸停點投影處的地面照片，用標(biāo)定函數(shù)進行處理后，通過相機參數(shù)矩陣解算出機器人在巷道地面投影的像素坐標(biāo)，通過像素坐標(biāo)和世界坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，求得投影點的世界坐標(biāo)，最后代入所測高度值，便得出機器人當(dāng)前空間位置中的世界坐標(biāo)。系統(tǒng)運行流程如圖5所示。

圖5 井下定位流程

2.2.3 超聲測距

針對四旋翼機器人空間三維運動的特點，在其前、后、左、右、上、下六個方向安裝KS103超聲傳感器用于探測障礙物信息，該傳感器最大探測范圍為1～800cm，探測頻率可達500Hz。機器人沿預(yù)定路徑飛行的過程中，根據(jù)探測到的障礙物距離，做出相應(yīng)操作。當(dāng)所測距離小于安全值時，則執(zhí)行避障策略調(diào)控飛行狀態(tài)，使機器人對當(dāng)前路徑做出調(diào)整以避開障礙物。

2.2.4 飛行控制模塊

煤礦巷道錯綜復(fù)雜，空間狹窄，障礙物較多，直接遠程操控機器人飛行作業(yè)的難度大、效果差。機載計算機具有航點解算和策略規(guī)劃等功能，通過在其上對pixhawk開源飛控進行高層控制應(yīng)用程序的開發(fā)，能夠減小井下飛行控制的難度，提高機器人飛行的自主能力。設(shè)計思路如下：在機載計算機上配置ROS(Robot Operating System，機器人操作系統(tǒng))環(huán)境，利用MAVROS軟件包開發(fā)高層控制應(yīng)用程序。通過高層控制應(yīng)用程序向MAVROS節(jié)點發(fā)送setpoint_position/local、cmd/arming、set_mode等服務(wù)請求來控制機器人飛行，并利用MAVROS節(jié)點訂閱state、local_position等話題來實時獲取機器人的飛行狀態(tài)及位置信息反饋給機載計算機，系統(tǒng)使用MAVLink協(xié)議通信，軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 軟件結(jié)構(gòu)

2.2.5 環(huán)境巡檢模塊

該機器人在沿任務(wù)路徑飛行的過程中，通過自身搭載的傳感器和攝像頭實時檢測井下環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)和人員信息，有效地提升了巡檢作業(yè)的效率和經(jīng)濟性。該模塊主要從溫濕度檢測、氣體濃度檢測和圖像檢測方面進行了設(shè)計，機器人巡檢流程如圖7所示，具體內(nèi)容如下：

圖7 機器人巡檢流程

1)溫濕度檢測DHT22數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器，采用單線制串行接口通信，體積小、質(zhì)量輕，占用載荷少。機器人啟動DHT22獲取環(huán)境中溫濕度信息，經(jīng)處理后將數(shù)據(jù)存儲并繼續(xù)下一輪檢測，機載計算機實時將檢測值與設(shè)定閾值對比，超過設(shè)定值則啟動報警。

2)氣體濃度檢測煤礦巷道中的甲烷等可燃氣體，一旦濃度超過一定范圍，會對人員健康造成危害，同時還會引起火災(zāi)或爆炸等事故發(fā)生。本文選用MQ-5氣體傳感器，通過氣敏材料二氧化錫(SnO2)，將甲烷等可燃氣體的濃度變化轉(zhuǎn)化為電氣特征變化，再經(jīng)過AD模塊轉(zhuǎn)換及濃度換算后得到氣體濃度值。當(dāng)環(huán)境中氣體濃度超過設(shè)定閾值時，傳感器會發(fā)出報警信號。

3)圖像檢測由于巷道內(nèi)不宜飛行過高，為了得到較大的采集范圍，該機器人選用了視角較寬的G180H廣角攝像頭，且具有紅外夜視功能，當(dāng)機器人作業(yè)環(huán)境光線較暗時，仍能通過攝像頭采集煤礦內(nèi)圖像信息，并可通過程序重新設(shè)定采集方式和視頻捕獲格式來提高畫面質(zhì)量。

圖像采集如圖8所示，分別為光線充足和低照度兩種情況下攝像頭采集到的圖像，采集畫面清晰，識別度高，均能滿足井下巡檢作業(yè)的需求。

圖8 圖像采集

2.2.6 信息回傳模塊

在不增設(shè)回傳中繼器的前提下，為了實現(xiàn)井下信息的長距離可靠回傳，本文提出了利用現(xiàn)有井下無線網(wǎng)絡(luò)將巡檢信息實時發(fā)送至云平臺數(shù)據(jù)庫和流媒體服務(wù)器的信息回傳設(shè)計方案：

1)數(shù)據(jù)回傳。在機器人上創(chuàng)建巡檢系統(tǒng)的本地數(shù)據(jù)庫MySQL，針對不同檢測信息，分別建立了“dht22”、“MQ5”、“flight_state”和“current_position”數(shù)據(jù)表用于存儲溫濕度、氣體濃度、飛行狀態(tài)和機器人當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)，并配置好python編程接口。在各傳感器數(shù)據(jù)采集的Python程序中添加“插入到數(shù)據(jù)庫”的語句，并在云數(shù)據(jù)庫MySQL中創(chuàng)建對應(yīng)的巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及表格，設(shè)置好外網(wǎng)連接模式，接著在python程序中配置好外網(wǎng)連接地址。當(dāng)機器人執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序時，檢測到的數(shù)據(jù)也同時回傳至云數(shù)據(jù)庫MySQL。

2)視頻回傳。在云平臺上搭建好nginx流媒體服務(wù)器，并配置好rtmp(Real Time Messaging Protocol，實時消息傳輸協(xié)議)服務(wù)。機器人通過ffmpeg對攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)進行編碼處理，并將編好的H.264碼流封裝成rtmp消息包，利用井下無線網(wǎng)絡(luò)將視頻推送至云平臺流媒體服務(wù)器，地面監(jiān)控中心只需知道rtmp推流地址便可在廣域網(wǎng)下監(jiān)看回傳的視頻畫面。

3 機器人樣機實驗

3.1 飛行實驗

本文在高3.5m，寬4m的實驗室環(huán)境下，對巡檢機器人的自主飛行性能進行了測試。通過MAVROS向飛控發(fā)送目標(biāo)位置，令機器人在初始航點2m高處從懸停狀態(tài)開始飛往目標(biāo)位置，并在預(yù)定線路中的不同位置分別設(shè)立了三處不同障礙物，機器人飛行航點軌跡如圖9所示。通過分析飛行軌跡及其在XY平面和YZ平面的投影可知，機器人自主飛行性能良好，能夠按照預(yù)定路線飛往目標(biāo)位置，并能針對三處障礙物作出明顯的航點和線路調(diào)整，分別執(zhí)行了向右避障、向左避障和向上避障。

圖9 機器人路徑軌跡圖

3.2 信息回傳實驗

本次實驗在團隊現(xiàn)有的云平臺上，分別進行了數(shù)據(jù)和視頻信息回傳的實驗，初步證實了方案的可行性，具體如下：

1)配置好測控系統(tǒng)，將其接入實驗室Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進行測試，執(zhí)行采集程序后，在巡檢系統(tǒng)云數(shù)據(jù)庫中查看回傳的巡檢數(shù)據(jù)結(jié)果。

2)在實驗室Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)下進行視頻推流測試，在手機端和電腦端輸入rtmp推流地址，便可在廣域網(wǎng)下同時監(jiān)看回傳的視頻畫面。本次實驗中視頻的幀率為25f/s，延遲約2.5s，分辨率為720×480，初步證實了視頻回傳方案的可行性。

4 結(jié) 論

1)針對井下環(huán)境特點和煤礦巡檢需求，分析了機器人硬件選型及測控系統(tǒng)設(shè)計的要求，提出了適用于煤礦巡檢的四旋翼機器人設(shè)計方案。通過進行飛行實驗，結(jié)果表明，該機器人運行穩(wěn)定，自主性能良好，解決了傳統(tǒng)用于地面上空的四旋翼機器人無法在煤礦井下作業(yè)的問題。

2)通過進行信息回傳實驗，結(jié)果表明，該機器人能夠?qū)⒀矙z信息實時發(fā)送至云平臺的數(shù)據(jù)庫和流媒體服務(wù)器，實現(xiàn)信息可靠回傳，解決了利用收發(fā)設(shè)備在巷道內(nèi)進行信息回傳時，信號易受遮擋、距離易受限制且對硬件要求高、花費需求大等問題。

3)由于當(dāng)前硬件環(huán)境局限，本文暫將飛行實驗與信息回傳實驗分別進行了測試，并初步驗證設(shè)計方案的可行性。但系統(tǒng)各模塊具有較高的可移植性，下一步可集成完整的機器人平臺進行實際巡檢試飛，并通過配置4G或5G模塊，進一步提高方案可靠性。