江新奇，劉敬玉，李忠飛，劉志華，龍永祥

(國(guó)家電投內(nèi)蒙古公司露天煤礦，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200)

隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，在煤礦巡檢領(lǐng)域使用機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢和自動(dòng)化監(jiān)控，不僅能夠有效避免傳統(tǒng)巡檢方式所存在的弊端，而且對(duì)實(shí)現(xiàn)“機(jī)械換人、自動(dòng)化減人”的目標(biāo)有重大促進(jìn)意義[1]。礦用巡檢機(jī)器人不僅需要具備常規(guī)巡檢機(jī)器人的巡檢能力，如設(shè)備巡檢、儀表狀態(tài)識(shí)別、異常情況報(bào)警等內(nèi)容[2]，同時(shí)還要考慮開采環(huán)境的特殊性。目前，帶式輸送機(jī)是我國(guó)煤礦運(yùn)輸物料的主要設(shè)備，由于膠帶長(zhǎng)期處于高載荷下，易發(fā)生破裂、跑偏等故障影響運(yùn)輸效率，因此需要投入大量人力定時(shí)對(duì)膠帶進(jìn)行巡檢，但煤礦環(huán)境惡劣，空氣濕熱、地形起伏大、照度低，工人長(zhǎng)期在該種環(huán)境中進(jìn)行巡檢工作，極易產(chǎn)生疲勞，出現(xiàn)錯(cuò)檢和漏檢情況，為此亟需設(shè)計(jì)一種巡檢機(jī)器人的智能傳感與控制系統(tǒng)替代工人巡檢，提高巡檢效率。

針對(duì)煤礦巡檢機(jī)器人智能傳感與控制，盧萬(wàn)杰[3]等使用深度學(xué)習(xí)算法優(yōu)化設(shè)備識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人對(duì)煤礦設(shè)備的精準(zhǔn)識(shí)別與分類。聶珍[4]等設(shè)計(jì)了一種煤礦巷道氣體檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)監(jiān)控巷道任意截面的多種氣體濃度，并報(bào)警檢測(cè)誤差外的氣體濃度。宣鵬程[5]等設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)采用軌道式巡檢方式，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集輸送帶的圖像信息和聲音信息，向后臺(tái)反饋?zhàn)R別到的異常情況。張濤等[6]采用單目相機(jī)-激光雷達(dá)-煙霧、聲音、溫度多傳感器融合的方式分析檢驗(yàn)輸送帶故障，對(duì)減小故障損失、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度有一定現(xiàn)實(shí)意義[7，8]。

目前的煤礦領(lǐng)域針對(duì)露天環(huán)境的帶式輸送機(jī)的感知系統(tǒng)，只能滿足輸送帶故障檢測(cè)，異常聲音檢測(cè)等基本的巡檢要求[9，10]，但基于單目或雙目相機(jī)的感知系統(tǒng)在照度較低或不均勻環(huán)境，難以正常工作，且障礙物遮擋易造成圖像檢測(cè)錯(cuò)誤。采用低照度高清攝像機(jī)、補(bǔ)光系統(tǒng)和紅外熱成像儀對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知，實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)識(shí)別、旋鈕狀態(tài)識(shí)別、膠帶跑偏識(shí)別、火焰識(shí)別等功能，同時(shí)采用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)拾音器的原始聲音進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還原，并與正常聲音對(duì)比，可有效檢驗(yàn)出煤礦帶式輸送機(jī)異常聲音。

1 智能傳感與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦特殊復(fù)雜環(huán)境，按巡檢方式可分為地面移動(dòng)機(jī)器人巡檢，懸掛式軌道機(jī)器人巡檢和飛行式移動(dòng)機(jī)器人巡檢，由于煤礦非結(jié)構(gòu)環(huán)境對(duì)于地面移動(dòng)機(jī)器人的越障性能和地形適應(yīng)性要求較高且平衡防爆設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)性能的難度較大，另外飛行式機(jī)器人的續(xù)航和防爆問(wèn)題以及障礙檢測(cè)也是巡檢中的難點(diǎn)，綜合對(duì)比選擇了軌道式懸掛機(jī)器人作為巡檢主體，該機(jī)器人需要在前期完成軌道鋪設(shè)和防爆設(shè)計(jì)，工作時(shí)需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行圖像，聲音的采集，同時(shí)可實(shí)時(shí)反饋?zhàn)陨砦恢貌?duì)障礙物作出反應(yīng)，為此設(shè)計(jì)一種巡檢機(jī)器人智能控制與傳感系統(tǒng)，傳感器安裝位置如圖1所示，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)主要由圖像采集模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊、環(huán)境感知模塊、無(wú)線通訊模塊組成。

圖1 懸掛式巡檢機(jī)器人傳感器示意圖

圖2 懸掛式巡檢機(jī)器人智能控制與傳感系統(tǒng)

1.1 圖像采集模塊

懸掛式巡檢機(jī)器人在工作時(shí)需感知環(huán)境并報(bào)警異常情況。煤礦環(huán)境復(fù)雜，部分地區(qū)照度低，障礙物遮擋等情況會(huì)嚴(yán)重影響圖像采集效果，為此使用低照度高清攝像機(jī)與紅外熱成像儀采集圖像，其中低照度攝像機(jī)的光學(xué)變焦為4倍，可提供200萬(wàn)DPI有效像素圖片，自帶的補(bǔ)光系統(tǒng)可呈現(xiàn)低照度環(huán)境下的清晰影像資料。紅外熱成像儀能夠?qū)崟r(shí)采集和采集帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)托輥的溫度，可實(shí)現(xiàn)過(guò)溫報(bào)警，溫度異常提醒等功能，紅外熱成像儀參數(shù)見表1。攝像機(jī)與紅外熱成像儀共同封裝為雙視云臺(tái)，云臺(tái)可在水平方向360°旋轉(zhuǎn)，垂直方向俯仰角為±90°，這有利于巡檢過(guò)程的數(shù)據(jù)采集與分析識(shí)別。

表1 紅外熱成像儀性能參數(shù)

為了替代人工巡檢識(shí)別膠帶跑偏、帶式輸送機(jī)帶面異物、儀表示數(shù)、閥門閥桿狀態(tài)、液位計(jì)等信息，開展了基于機(jī)器視覺的智能檢測(cè)分析。原理如下：對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波去除圖像中的散斑噪聲，通過(guò)圖像直方圖均衡化使得圖像歸一化到一致的對(duì)比度區(qū)間，再根據(jù)被測(cè)物的特征通過(guò)膨脹、腐蝕、頂帽等處理，結(jié)合被測(cè)物形狀的二進(jìn)制對(duì)象特征確定是否存在被測(cè)物。為了緩解視頻存儲(chǔ)所需要的空間和傳輸所需的帶寬壓力，或者對(duì)于一些非重要的視頻采用低碼流方式進(jìn)行壓縮和傳輸。

1.2 語(yǔ)音識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

懸掛式巡檢機(jī)器人工作時(shí)需要對(duì)輸送帶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，圖像采集模塊可以檢測(cè)輸送帶的偏移、凸起、發(fā)熱等故障，但不能對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，為此需要采集輸送帶工作的聲音，與正常的工作聲音分析對(duì)比以判斷輸送帶工作狀態(tài)。

為了提高拾音精度，語(yǔ)音識(shí)別模塊選擇的拾音頭配有大口徑鍍金震膜，其優(yōu)點(diǎn)在于本底噪聲極低，采音范圍廣，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。由于煤礦通訊功能受限，當(dāng)工人遇到緊急情況時(shí)匯報(bào)效率較低，該模塊的支持雙向語(yǔ)音對(duì)講功能，對(duì)講音量在110dB以上，為進(jìn)一步降低環(huán)境噪聲，該模塊采用Clear Speech技術(shù)，設(shè)計(jì)“電子噪聲動(dòng)態(tài)閉環(huán)抑制電路”，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)降噪處理。同時(shí)利用高靈敏度拾音器采集聲音，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的異響、異音，通過(guò)智能分析處理，判斷現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否出現(xiàn)異常，拾音器參數(shù)見表2。

表2 拾音器參數(shù)

拾音器采集到巡檢過(guò)程中的音頻數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)對(duì)采集到的連續(xù)多幀聲音信號(hào)進(jìn)行特征提取，利用深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練多組正常聲音特征的時(shí)間序列，構(gòu)建序列庫(kù)。原始聲音經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后被雙曲正切激活函數(shù)和交叉熵?fù)p失函數(shù)還原為新的序列，正常聲音會(huì)被還原為與輸入非常相似的特征序列，而異常聲音經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，則不能完整還原到輸入的特征序列。計(jì)算輸入特征序列與輸出特征序列的相關(guān)性，如果相關(guān)性低于預(yù)設(shè)閾值則當(dāng)前是否為異常聲音，否則為正常聲音。

1.3 環(huán)境感知模塊設(shè)計(jì)

雖然懸掛式巡檢機(jī)器人在固定軌道運(yùn)行，不易遇到障礙物，但不排除在低矮環(huán)境下，操作人員誤觸碰機(jī)器人，或軌道上出現(xiàn)障礙等特殊情況，為此巡檢機(jī)器人需具備高精度的定位、智能防撞、避障功能。

機(jī)器人搭載了姿態(tài)傳感器，可實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人姿態(tài)、加速度等數(shù)據(jù)；搭載的高分辨率編碼器可通過(guò)計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)獲得精確的里程數(shù)據(jù)。機(jī)器人結(jié)合基于RFID的定位算法，通過(guò)布置定位基站，測(cè)算機(jī)器人當(dāng)前位置，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度。機(jī)器人過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳自身位置信息至集控中心監(jiān)控平臺(tái)，根據(jù)不同的速度情況判斷是否存在卡滯、飛車等情況，防止驅(qū)動(dòng)輪干磨與超速失控情況的發(fā)生。

機(jī)器人選擇基于ToF原理的固態(tài)面陣激光雷達(dá)，雷達(dá)無(wú)任何旋轉(zhuǎn)部件，可靠性高，垂直方向視場(chǎng)角大，探測(cè)范圍廣。雷達(dá)通過(guò)發(fā)射與接收近紅外光并計(jì)算發(fā)射光線與接收光線的相位差與時(shí)間差確定機(jī)器人與障礙物的距離。其中激光雷達(dá)探測(cè)距離0～10m，探測(cè)角度120°，機(jī)器人遇到障礙會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行并報(bào)警，當(dāng)警報(bào)解除后機(jī)器人繼續(xù)運(yùn)行。

為了進(jìn)一步優(yōu)化避障系統(tǒng)，算法設(shè)置了指定的探測(cè)區(qū)域，并篩選出最關(guān)鍵的避障目標(biāo)，即選擇實(shí)際距離雷達(dá)最近的障礙物，并集中處理探測(cè)資源與運(yùn)算資源，精準(zhǔn)地反饋該障礙物的方位角信息和垂直距離信息，最終CANBUS傳輸給機(jī)器人以實(shí)現(xiàn)精確避障功能，固態(tài)面陣激光雷達(dá)探測(cè)如圖3所示，探測(cè)區(qū)域如圖4所示。

圖3 固態(tài)面陣激光雷達(dá)探測(cè)圖

圖4 探測(cè)區(qū)域示意圖

1.4 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人在帶式輸送機(jī)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫隙覆蓋與切換，巡檢機(jī)器人系統(tǒng)采用無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，利用帶式輸送機(jī)沿線光纖通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，大約每500～800m設(shè)置一臺(tái)無(wú)線基站，為確保通信系統(tǒng)在煤礦環(huán)境穩(wěn)定運(yùn)行，減少巷道對(duì)無(wú)線信號(hào)的吸收，測(cè)試所選無(wú)線基站為5.8GHz電信級(jí)增強(qiáng)型無(wú)線AP基站，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試基站最大發(fā)射功率可達(dá)1000mW，最高傳輸帶寬可達(dá)300Mb/s，無(wú)線設(shè)備CPU主頻高達(dá)720MHz，最遠(yuǎn)無(wú)線傳輸距離可達(dá)5km，這保證了視頻在傳輸中無(wú)卡頓，數(shù)據(jù)無(wú)斷點(diǎn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，布放2臺(tái)無(wú)線基站，分別安裝在巷道起點(diǎn)與終點(diǎn)，巷道長(zhǎng)度為700m，2臺(tái)基站通過(guò)光纜和電纜進(jìn)行連接，確保機(jī)器人巡檢路徑上無(wú)線信號(hào)全覆蓋。

現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示，無(wú)線基站連接了各個(gè)部件，機(jī)器人處理并將環(huán)境中的圖片、聲音、氣體濃度等信息傳遞到上位機(jī)，權(quán)限用戶可以通過(guò)上位機(jī)獲取環(huán)境信息，也可以在地面使用智能手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控異常情況，根據(jù)需求控制機(jī)器人的異動(dòng)情況，當(dāng)機(jī)器人電量不足時(shí)會(huì)自動(dòng)返航到充電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及分析

2.1 紅外測(cè)距試驗(yàn)及分析

懸掛式巡檢機(jī)器人工作時(shí)，需要根據(jù)紅外熱成像儀的數(shù)據(jù)判斷設(shè)備是否有故障，為確定紅外熱成像儀的測(cè)距精度在不同溫度下進(jìn)行了測(cè)距試驗(yàn)，試驗(yàn)中，軌道處于水平狀態(tài)，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)為3臺(tái)相同設(shè)備，3臺(tái)機(jī)器人的懸掛高度為5.3m。被測(cè)黑體的與機(jī)器人的紅外熱成像儀鏡頭中心處于同一水平面，黑體直徑為11cm，這與紅外熱成像儀的鏡頭直徑相同，分別測(cè)試紅外熱成像儀距離黑體1.5m、3m和5m時(shí)對(duì)高溫的測(cè)試誤差，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 紅外熱成像儀在不同距離與溫度下的測(cè)量結(jié)果

由表3可知，紅外熱成像儀距離被測(cè)目標(biāo)越遠(yuǎn)，誤差越大。1、2號(hào)有效測(cè)量距離10m，3號(hào)有效測(cè)量距離5m，在鏡頭測(cè)量有效范圍內(nèi)，1、2號(hào)最大誤差為±6.8℃，最小誤差為±0.7℃；3號(hào)最大誤差為±7.4℃，最小誤差為±0.5℃，準(zhǔn)確度比較接近。

2.2 環(huán)境感知試驗(yàn)及分析

圖像采集模塊集成了低照度高清攝像機(jī)與高精度紅外熱成像儀，后者能夠?qū)δz帶托輥、電機(jī)、滾筒、減速機(jī)、巷道電纜等表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)分析檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果如圖6所示，圖6中4個(gè)場(chǎng)景從左到右依次為支撐架、巷道電纜、暗光條件下的拉緊滾筒和暗光條件下拉緊硐室。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

圖6中的4個(gè)場(chǎng)景中的最高溫度分別為20℃、16℃、27℃和28℃，設(shè)備處于安全狀態(tài)，另外環(huán)境中的CH4濃度為0.3%，O2濃度為20.9%，CO、CO2和H2S的濃度均為0%。機(jī)器人的智能檢測(cè)情況如圖7所示，圖7(a)中儀表數(shù)據(jù)示數(shù)為0.02，圖7(b)中旋鈕狀態(tài)與預(yù)設(shè)情況一致，圖7(c)中紅色線條為膠帶兩側(cè)邊，藍(lán)色線條為固定設(shè)備的邊緣，根據(jù)紅色線段與藍(lán)色線段夾角與膠帶長(zhǎng)度測(cè)算膠帶跑偏距離，當(dāng)膠帶跑偏距離小于跑偏閾值，膠帶處于正常狀態(tài)，否則膠帶跑偏，圖7(d)為火焰。

圖7 智能檢測(cè)分析

除了視覺檢測(cè)外，異常聲音表示膠帶存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，聲音識(shí)別流程如圖8所示。圖8中正常的聲音頻譜經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還原為與原序列相似的序列，異常聲音被還原為與原序列存在差異的序列。

圖8 聲音識(shí)別流程圖

系統(tǒng)分析圖像和聲音信息，將分析結(jié)果發(fā)送至監(jiān)控中心進(jìn)行顯示和播報(bào)，并具備異常狀態(tài)報(bào)警功能。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)煤礦復(fù)雜環(huán)境下巡檢問(wèn)題，設(shè)計(jì)了巡檢機(jī)器人的智能傳感與控制系統(tǒng)，其中圖像采集模塊可識(shí)別儀表數(shù)據(jù)、旋鈕狀態(tài)、膠帶跑偏和火焰等情況，語(yǔ)音識(shí)別模塊可識(shí)別異常聲音，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警異常情況并生產(chǎn)報(bào)警日志，環(huán)境感知模塊可感知環(huán)境溫度和多氣體濃度、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)避障，無(wú)線通訊模塊為系統(tǒng)中各個(gè)模塊提供了穩(wěn)定的通訊環(huán)境。該系統(tǒng)對(duì)于煤礦減人，機(jī)器換人，實(shí)現(xiàn)煤礦智能化與無(wú)人化有良好的促進(jìn)作用。