張守祥,張學(xué)亮,張 磊,楊士軍,劉 帥,南柄飛,張代祥

(1.山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005;2.北京天瑪智控科技股份有限公司,北京 101399; 3.中煤華晉集團(tuán)有限公司,山西 河津 043300;4.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司 設(shè)備管理中心, 山東 鄒城 273500)

0 引 言

目前,綜采工作面智能化處于初級(jí)階段。受制于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的綜采工作面生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，仍需要“有人巡視”進(jìn)行人工觀察和干預(yù)，未實(shí)現(xiàn)完全無(wú)人化。更高階段的智能化目標(biāo)是自適應(yīng)、自主無(wú)人化開(kāi)采,需要在綜采工作面敷設(shè)大量的傳感監(jiān)測(cè)、控制和通信等設(shè)備。綜采工作面是煤炭安全生產(chǎn)的中心場(chǎng)所,采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架是綜采“三機(jī)”開(kāi)采裝備,“三機(jī)”裝備的集控、遠(yuǎn)控和自動(dòng)控制是綜采工作面智能化的基礎(chǔ)條件,現(xiàn)有自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)和設(shè)備不能做到全方位、無(wú)縫覆蓋和實(shí)時(shí)監(jiān)控綜采生產(chǎn)采支運(yùn)全過(guò)程[1],主要原因在于:①支架上固定攝像頭監(jiān)視工作面存在死角盲區(qū),生產(chǎn)時(shí)對(duì)采煤機(jī)滾筒的跟蹤存在視角偏離、不同監(jiān)控相機(jī)切換不及時(shí)；②待開(kāi)采煤層賦存情況不清楚,煤機(jī)記憶截割無(wú)法適應(yīng)地質(zhì)條件的變化,不能根據(jù)煤層起伏決定上調(diào)、下調(diào)或維持煤機(jī)滾筒高度,仍然依賴于人工現(xiàn)場(chǎng)觀察,需要提前探測(cè)好煤層賦存情況或隨采隨探；③工作面生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)大塊煤,可能會(huì)擁堵采煤機(jī)過(guò)煤口或轉(zhuǎn)載機(jī)入料口,需要及時(shí)探測(cè)和處理[2]。

基于此,研發(fā)了一種自主或跟隨采煤機(jī)行走的巡檢機(jī)器人,實(shí)時(shí)監(jiān)控采煤機(jī)滾筒、探測(cè)待采煤層信息、機(jī)械臂操作的監(jiān)控和執(zhí)行裝置,代替人工巡視和操作,做到工作面生產(chǎn)工作面無(wú)人。根據(jù)國(guó)家、行業(yè)對(duì)煤炭開(kāi)采機(jī)器人的要求,借鑒地面機(jī)器人的成熟和先進(jìn)的理論、技術(shù),開(kāi)展煤炭開(kāi)采機(jī)器人研制和智能化綜采工作面的工程應(yīng)用[3]。

1 智能開(kāi)采對(duì)綜采機(jī)器人的需求

1.1 國(guó)家支持煤炭開(kāi)采智能化應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)

國(guó)家宏觀政策對(duì)煤炭開(kāi)采應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)提出了要求。原國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局于2019年1月發(fā)布了《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》,分5類共38種煤礦機(jī)器人,其中的安控類明確提出了“工作面巡檢機(jī)器人”[4]。2020年國(guó)家八部委印發(fā)《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》[5],為煤礦綜采機(jī)器人的體系建設(shè)、技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)與系統(tǒng)建設(shè)、典型應(yīng)用示范等提出了國(guó)家政策指導(dǎo)方針。

1.2 綜采巡檢機(jī)器人發(fā)展中的問(wèn)題

1.2.1 巡檢柔性軌道

針對(duì)礦用機(jī)器人主要分為2類:履帶式和軌道式。履帶式機(jī)器人主要面對(duì)礦山救援、救災(zāi)、井下搜救等場(chǎng)景,適合距離遠(yuǎn)、有較平整的地面;軌道式機(jī)器人主要應(yīng)用場(chǎng)景是輸送帶運(yùn)輸巡檢、水泵房、變電站、采掘工作面等巡視較為固定的場(chǎng)所,需要另外敷設(shè)機(jī)器人專用行走軌道。

為了使巡檢機(jī)器人能夠?qū)φ麄€(gè)綜采工作面進(jìn)行無(wú)縫全方位監(jiān)控,需要提供一種柔性軌道,以適應(yīng)綜采工作面整體向前推進(jìn)移動(dòng)。工作面的刮板輸送機(jī)2節(jié)刮板之間采用鉸接,其相鄰角度變化限制為水平不超過(guò)1°,垂直不超過(guò)3°,約束了機(jī)器人巡檢的柔性軌道變形。現(xiàn)有的柔性軌道分為吊掛式和跨座式2種,吊掛式將柔性軌道懸掛于工作面液壓支架下面,由于一般是單臺(tái)液壓支架移架,相鄰2臺(tái)支架會(huì)錯(cuò)開(kāi)接近1 m的偏差,對(duì)柔性軌道的連接要求較高。

文獻(xiàn)[6]將柔性軌道懸掛在支架頂部,由于相鄰支架錯(cuò)位在400～1 200 mm,造成相鄰柔性軌道的縫隙變大,操作復(fù)雜,巡檢機(jī)器人跨過(guò)縫隙時(shí)會(huì)有很大的震動(dòng),對(duì)液壓支架的運(yùn)行也會(huì)帶來(lái)一定的影響。文獻(xiàn)[7-9]解決了柔性軌道問(wèn)題,但不能提供軌道整體移動(dòng)功能,在軌道接縫處不能提供無(wú)縫連接。文獻(xiàn)[10]將巡檢軌道用吊纜懸掛于液壓支架下,采用滑軌和支撐機(jī)構(gòu)配合使用,實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人的雙向往復(fù)巡檢路徑。

已有的巡檢軌道存在間隙大、錯(cuò)茬嚴(yán)重和安裝維護(hù)復(fù)雜等,給移動(dòng)裝置帶來(lái)震動(dòng)甚至卡軌等問(wèn)題,為巡檢機(jī)器人搭載的傳感器帶來(lái)了噪聲干擾,降低了傳感測(cè)量精度。已應(yīng)用的2種不同柔性軌道如圖1所示,當(dāng)巡檢機(jī)器人經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)在接縫處產(chǎn)生較大的震動(dòng)。

圖1 巡檢柔性軌道接縫處

1.2.2 移動(dòng)通信無(wú)縫漫游

當(dāng)巡檢機(jī)器人在工作面移動(dòng)時(shí),通過(guò)工作面上的無(wú)線通信基站傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),由于綜采工作面的狹長(zhǎng)空間彎曲起伏,需要多臺(tái)無(wú)線基站才能完全覆蓋綜采工作面,存在不同基站漫游時(shí)的切換延時(shí)問(wèn)題,當(dāng)延時(shí)較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟包,切換延時(shí)目前最少為30 ms,大部分為200～600 ms,甚至?xí)^(guò)1 s,這對(duì)于巡檢機(jī)器人實(shí)時(shí)控制采煤機(jī)等會(huì)帶來(lái)較大的遲滯性,產(chǎn)生安全控制問(wèn)題[11]。

1.2.3 控制和操作功能

現(xiàn)在煤礦用的巡檢機(jī)器人只有供電、行走、感知和通信功能,就是一臺(tái)移動(dòng)設(shè)備上加裝了幾個(gè)攝像頭、紅外傳感器、煙霧、瓦斯等感知器件,通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把信息傳遞到上位主機(jī),離真正的機(jī)器人還差得很遠(yuǎn)。尉凱凱[12]設(shè)計(jì)了一款移動(dòng)機(jī)械手,如果在工作面行走,很難越過(guò)液壓支架底座和推移千斤頂。牛劍峰[13]在綜采無(wú)人化中引入了視頻技術(shù),但只研究了視頻檢測(cè)功能。如果通過(guò)機(jī)器人代替綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人工巡檢和操作,一方面需要提高、完善“望、聞、問(wèn)、切”等傳感器功能,另一方面要開(kāi)發(fā)研制具備操作功能類似于機(jī)械臂的機(jī)器人裝置,使得機(jī)器人不但可巡檢工作面,而且能夠控制綜采“三機(jī)”裝備的運(yùn)行,具備綜采工作面的簡(jiǎn)單操作維護(hù)能力,實(shí)現(xiàn)綜采生產(chǎn)時(shí)工作面無(wú)人的高級(jí)智能開(kāi)采功能。

1.3 綜采工作面巡檢機(jī)器人研發(fā)現(xiàn)狀

針對(duì)煤炭智能開(kāi)采對(duì)機(jī)器人的需求,國(guó)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)陸續(xù)開(kāi)展了綜采工作面機(jī)器人的研究和應(yīng)用。2015年,北京天瑪智控科技股份有限公司開(kāi)始在“無(wú)人操作、1人巡視”可視化遠(yuǎn)程干預(yù)模式的基礎(chǔ)上,研究在綜采工作面上布置巡檢機(jī)器人,開(kāi)展了巡檢機(jī)器人及機(jī)載三維激光雷達(dá)掃描建模等技術(shù)研究,先后在中厚煤層和薄煤層綜采工作面進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。目前應(yīng)用較為廣泛的是軌道機(jī)器人,可分為掛軌式和跨軌式兩種軌道行走方式,中信開(kāi)誠(chéng)和華夏天信公司研制開(kāi)發(fā)的掛軌式機(jī)器人主要用于巷道帶式輸送機(jī)巡檢;北京天瑪智控公司研制的跨軌式機(jī)器人應(yīng)用于綜采工作面巡檢。2種軌道方式所承載的機(jī)器人都可以完成現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的可見(jiàn)光+圖像巡檢、現(xiàn)場(chǎng)噪聲監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)有害氣體檢測(cè)等基礎(chǔ)功能,配合傳感器的現(xiàn)場(chǎng)故障判斷,現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)記錄與云存儲(chǔ)和云分析,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)與各類傳感器的故障預(yù)警等[14]。

綜上所述,由于煤炭智能開(kāi)采的特殊性,綜采工作面應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)需要解決在柔性軌道上的精確定位、移動(dòng)、無(wú)線通信和快速漫游等技術(shù)難題,掃除機(jī)器人技術(shù)在惡劣環(huán)境下的技術(shù)障礙,推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在智能開(kāi)采中的推廣應(yīng)用。

2 綜采巡檢機(jī)器人技術(shù)體系

綜采機(jī)器人的技術(shù)研究,需要從頂層設(shè)計(jì)構(gòu)建機(jī)器人技術(shù)體系,在高精度傳感器、零切換快速漫游和低延時(shí)高可靠控制等關(guān)鍵核心技術(shù)上取得突破,以指導(dǎo)機(jī)器人的研制和應(yīng)用工作。

2.1 巡檢機(jī)器人技術(shù)體系

從整體結(jié)構(gòu)、控制、驅(qū)動(dòng)行走、供電、移動(dòng)通信、機(jī)械臂和協(xié)同控制等方面,建立綜采巡檢機(jī)器人技術(shù)體系,如圖2所示。

圖2 綜采巡檢機(jī)器人技術(shù)體系

根據(jù)智能開(kāi)采對(duì)綜采工作面的實(shí)時(shí)監(jiān)控需求,將巡檢機(jī)器人系統(tǒng)分為軌道、驅(qū)動(dòng)平臺(tái)、機(jī)載裝置、移動(dòng)通信、供電和上位機(jī)平臺(tái)幾部分,如圖3所示。

圖3 工作面巡檢機(jī)器人組成

2.2 綜采巡檢機(jī)器人技術(shù)研究重點(diǎn)方向

綜采巡檢機(jī)器人服務(wù)于綜采工作面無(wú)人化安全生產(chǎn),需要以下3個(gè)方面研究：① 研究適合綜采工作面條件下的井下機(jī)器人動(dòng)力供應(yīng)與能量補(bǔ)給技術(shù),在滿足煤礦井下電路防爆的前提下,保障機(jī)器人續(xù)航能力,滿足綜采多循環(huán)高效生產(chǎn)需要；② 建立工作面自主運(yùn)行、多傳感器融合、高精度探測(cè)和實(shí)時(shí)響應(yīng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)；③ 研究多源目標(biāo)成像與電液控制系統(tǒng)和自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)一體化集成技術(shù)[15-17],研制集成視覺(jué)雷達(dá)和煤層探測(cè)的超前探測(cè)機(jī)載裝置,通過(guò)超前探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)綜采生產(chǎn)截割模型的自動(dòng)精確修正。

3 綜采巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

綜采巡檢機(jī)器人以沿刮板輸送機(jī)電纜槽上的軌道為平臺(tái),搭載多源目標(biāo)融合巡檢裝備,實(shí)現(xiàn)工作面的快速全面精確感知,為數(shù)字化割煤提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.1 跨式柔性軌道技術(shù)

采用柔性與剛性一體化軌道。柔性軌道模式為巡檢機(jī)器人提供了一個(gè)易于安裝、敷設(shè)和快速運(yùn)行的通道,為綜采新技術(shù)和新裝備的應(yīng)用提供了一個(gè)無(wú)縫覆蓋的移動(dòng)平臺(tái)。設(shè)計(jì)了一種用于移動(dòng)平臺(tái)的無(wú)縫連接柔性軌道,包括主體導(dǎo)軌、支撐導(dǎo)軌和緊固件,巡檢軌道安裝在輸送機(jī)擋煤板電纜槽的外側(cè),采用壓軌器方式進(jìn)行固定,如圖4所示。

圖4 無(wú)縫柔性軌道組成

為達(dá)到柔性軌道為巡檢機(jī)器人快速移動(dòng)提供平穩(wěn)移動(dòng)通道的目的，需要解決巡檢機(jī)器人經(jīng)過(guò)2節(jié)軌道連接處出現(xiàn)強(qiáng)烈的顛簸震蕩現(xiàn)象的目的。支撐導(dǎo)軌通過(guò)緊固件固定于要求變形和移動(dòng)的基座上,剛性導(dǎo)軌分段以跟隨基座的變形和移動(dòng),支撐導(dǎo)軌由多段剛性軌道通過(guò)連接結(jié)構(gòu)拼接組成,每段支撐導(dǎo)軌的長(zhǎng)度與一節(jié)刮板長(zhǎng)度相匹配。主體導(dǎo)軌以可變形柔性方式依附于剛性導(dǎo)軌上,采用橡膠等彈性材料,具有衰減振動(dòng)、隔離噪聲和減緩沖擊作用,既能彌補(bǔ)剛性軌道間錯(cuò)位不平,又能實(shí)現(xiàn)均布輪壓。在每節(jié)設(shè)備平臺(tái)上安裝有防震彈簧,減小平臺(tái)震動(dòng)對(duì)機(jī)載裝備的影響。柔性無(wú)縫軌道解決了變形移動(dòng)帶來(lái)錯(cuò)位的軌道接縫處的震動(dòng)、卡軌等問(wèn)題,為移動(dòng)設(shè)備的可靠和快速運(yùn)行提供了保障。

3.2 行走控制技術(shù)

綜采巡檢機(jī)器人行走控制由PLC(Programmable Logic Controller)完成,控制巡檢機(jī)器人的運(yùn)行程序采用方便、快捷的梯形圖編程?？刂瞥绦蚍譃樽詣?dòng)運(yùn)行和遠(yuǎn)程遙控運(yùn)行2種方式,2種控制方式都需要在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)感知數(shù)據(jù),對(duì)運(yùn)行過(guò)程采用PID(Proportion Integration Differentiation)閉環(huán)控制,程序由循環(huán)中斷組織塊、程序初始化組織塊、主程序塊、數(shù)據(jù)塊等組成,如圖5所示。

圖5 巡檢機(jī)器人行走控制軟件流程

3.3 通信網(wǎng)絡(luò)體系技術(shù)

綜采工作面自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)提供以太網(wǎng)、CAN、RS232、RS485、Wifi、Lora等互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的有線和無(wú)線接入,便于實(shí)現(xiàn)各類綜采設(shè)備的監(jiān)控信息系統(tǒng)無(wú)縫連接,實(shí)現(xiàn)多路高清彩色和熱成像視頻傳輸,以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,網(wǎng)絡(luò)組成如圖6所示。

圖6 工作面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1)智能網(wǎng)橋。在工作面兩端和巷道監(jiān)控中心部署以太網(wǎng)遠(yuǎn)程網(wǎng)橋,支持雙芯超過(guò)100 m傳輸距離的銅纜,達(dá)到千兆傳輸速率,工作面抗干擾和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

2)無(wú)線接入器。采用低延時(shí)、零切換漫游的高速無(wú)線通信技術(shù),能夠確保機(jī)器人快速巡檢時(shí)的數(shù)據(jù)完整性。智能無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入器的性能參數(shù)如下

接口2×LAN10/100/1000Base-TX自適應(yīng)無(wú)線傳輸頻段2.4/5.8GHz協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11.a/n/ac/ax無(wú)線輸出功率/dBm30無(wú)線傳輸帶寬/Mbps300無(wú)線切換時(shí)間/ms20～35無(wú)線傳輸距離/m200

3)無(wú)縫快速漫游技術(shù)。傳統(tǒng)的漫游切換機(jī)制中,在切換鄰近的兩個(gè)基站時(shí)會(huì)產(chǎn)生大于100 ms的通信中斷。通過(guò)以802.11R+雙頻WiFi作為零時(shí)延切換基礎(chǔ),基于Openwrt開(kāi)源路由軟件設(shè)計(jì)零時(shí)延無(wú)縫漫游系統(tǒng),為巡檢機(jī)器人采集數(shù)據(jù)提供不間斷的高速無(wú)線通信傳輸。

3.4 移動(dòng)精確定位技術(shù)

綜采工作面推進(jìn)過(guò)程中,形成的開(kāi)采空間及開(kāi)采裝備不斷整體向前移動(dòng),需要及時(shí)更新三維地理定位信息;開(kāi)采空間中的巡檢機(jī)器人也要實(shí)時(shí)感知自身定位。分為工作面全局坐標(biāo)系和檢測(cè)裝備局部坐標(biāo)系,其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖7所示，圖中全局坐標(biāo)系(XT,YT,ZT)，原點(diǎn)為OT；局部坐標(biāo)系(Xc,Yc,Zc)，原點(diǎn)為Oc；P、P′和C為感知點(diǎn)；α、β、V和S為感知點(diǎn)在坐標(biāo)系中的參數(shù)。

圖7 巡檢機(jī)器人坐標(biāo)體系

1)高精度定位系統(tǒng)。基于UWB TDOA技術(shù)實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的精確定位,可以達(dá)到100 mm精度,配合機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪上的軸編碼器可以達(dá)到20 mm定位,達(dá)到對(duì)采煤機(jī)定位的精準(zhǔn)控制。

2)激光三維掃描技術(shù)。以工程采掘圖、巷道及切眼煤層小柱狀圖、鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立工作面三維地質(zhì)基礎(chǔ)模型。

3)減速開(kāi)關(guān)與限位開(kāi)關(guān)。巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的減速開(kāi)關(guān)與限位開(kāi)關(guān)采用礦用本安型磁性接近開(kāi)關(guān),具有反應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高、感應(yīng)距離遠(yuǎn)、非接觸、經(jīng)久耐用等特點(diǎn),限位傳感器接入巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)。減速開(kāi)關(guān)與限位開(kāi)關(guān)的技術(shù)參數(shù):接點(diǎn)容量為24 V/1 A(阻性負(fù)載);接觸電阻小于1 Ω;接點(diǎn)斷開(kāi)時(shí),輸出電阻大于100 kΩ;接點(diǎn)形式為常開(kāi)狀態(tài);動(dòng)作點(diǎn)距離不小于100 mm;復(fù)位點(diǎn)距離不大于190 mm。

4)軸編碼器。巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪采用防爆多圈絕對(duì)值編碼器,防護(hù)等級(jí)達(dá)IP67,可精確定位巡檢機(jī)器人在軌道上的位置,測(cè)量精度達(dá)到毫米級(jí),可用于慣性導(dǎo)航里程組合。

3.5 慣性導(dǎo)航技術(shù)

按照工作面“三平兩直”要求,液壓支架要沿工作面排成一條直線,任兩臺(tái)支架在推進(jìn)方向的水平偏差不能超過(guò)±50 mm。通過(guò)在巡檢機(jī)器人上機(jī)載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置,可實(shí)現(xiàn)不依賴于外部輔助定位的工作面直線度三維定位檢測(cè),能夠適應(yīng)工作面地質(zhì)起伏變化的條件。當(dāng)巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的行走速度在60 m/min之內(nèi),從工作面一端到另一端需要4～8 min,所檢測(cè)參數(shù)分別為刮板輸送機(jī)輪廓的航向角(方位軸)、橫滾角和俯仰角[18]。

1)巡檢型慣性導(dǎo)航裝置選型。從性能和成本上考慮,目前采用光纖陀螺儀作為慣性導(dǎo)航的主體部件是最佳選擇。

2)慣性導(dǎo)航裝置主要用于國(guó)防、航空、航天和船舶等領(lǐng)域,用于煤礦綜采工作面需要研究攻克其防爆技術(shù),通過(guò)分析煤礦綜采工作面的環(huán)境狀況及特點(diǎn),采用把慣性裝置封裝于防爆箱中,使其符合煤礦井下安全防爆要求。

3)慣性導(dǎo)航直線度檢測(cè)分析。按照工作面直線度精度要求,考慮大部分綜采工作面的長(zhǎng)度在100～300 m,通過(guò)陀螺儀導(dǎo)航定位目標(biāo)將綜采工作面矯直在±50 mm范圍內(nèi),可以推算出對(duì)慣性導(dǎo)航陀螺儀的精度要求為0.01°。

3.6 巡檢動(dòng)態(tài)圖像采集技術(shù)

搭載多源融合采集裝備,通過(guò)高清相機(jī)掃描采煤機(jī)滾筒前方的煤巖分界線,利用視覺(jué)測(cè)量計(jì)算出頂板相對(duì)于底板的高度,作為采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高的依據(jù)。巡檢機(jī)器人跟蹤采煤機(jī),滾筒割煤時(shí)產(chǎn)生的粉塵會(huì)嚴(yán)重影響巡檢圖像采集,采用智能圖像處理技術(shù)能夠改善圖像質(zhì)量,將圖像中的目標(biāo)特征清晰化顯現(xiàn)。移動(dòng)圖像處理流程如圖8所示。

圖8 巡檢機(jī)器人移動(dòng)視覺(jué)圖像處理過(guò)程

基于深度學(xué)習(xí)構(gòu)建液壓支架頂梁邊緣、大塊煤等目標(biāo)對(duì)象的輕量級(jí)實(shí)時(shí)檢測(cè)、識(shí)別算法模型[19-20]。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中,熱成像儀與垂直煤壁高清攝像機(jī)安裝于同一個(gè)機(jī)殼內(nèi),這樣有利于成像時(shí)對(duì)清晰度和透霧性能的互補(bǔ)。

3.7 綜采巡檢機(jī)器人控制采煤機(jī)調(diào)高技術(shù)

1)采煤機(jī)滾筒定位。根據(jù)熱成像儀采集的煤機(jī)滾筒成像,生產(chǎn)時(shí)的采煤機(jī)滾筒定位幾何模型對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖9所示，計(jì)算方法如式(1)—式(3)所示。

檢測(cè)滾筒搖臂水平夾角α,通過(guò)公式(1)計(jì)算。

(1)

熱成像最高溫度點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1),L為最高溫度點(diǎn)至中心點(diǎn)距離,計(jì)算得出滾筒中心點(diǎn)坐標(biāo)(x2,y2),如公式(2)和(3)所示。

圖9熱成像測(cè)量滾筒坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

x2=x1-Lsinα

(2)

y2=y1+Lcosα

(3)

2)采煤機(jī)智能調(diào)高控制。智能調(diào)高技術(shù)思路如圖10所示。

圖10 智能截割模板調(diào)整

巡檢機(jī)器人超前采煤機(jī)測(cè)量煤巖分界的高度,傳輸給采煤機(jī)截割控制系統(tǒng)。采煤機(jī)截割控制系統(tǒng)在上一循環(huán)截割軌跡的基礎(chǔ)上,對(duì)滾筒高度進(jìn)行預(yù)設(shè)調(diào)整。對(duì)煤層煤厚變化異常區(qū)內(nèi)采煤機(jī)的截割軌跡進(jìn)行優(yōu)化，如圖11所示。

圖11 巡檢模式下滾筒高度調(diào)節(jié)

4 巡檢機(jī)器人應(yīng)用情況

2019年5月至2020年6月,在國(guó)家能源集團(tuán)神東榆家梁煤礦43101工作面進(jìn)行了巡檢機(jī)器人技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。在工作面刮板輸送機(jī)電纜槽上鋪設(shè)軌道,巡檢機(jī)器人搭載三維激光掃描儀和慣性導(dǎo)航系統(tǒng),最大巡檢速度60 m/min。進(jìn)行了巡檢無(wú)縫漫游快速切換、巡檢三維建模和巡檢智能割煤工藝的試驗(yàn)。

4.1 巡檢無(wú)縫漫游測(cè)試

綜采工作面布設(shè)了2.4和5.8 GHz雙頻WiFi基站,在測(cè)試過(guò)程中斷開(kāi)2.4 GHz頻段的連接,觀察實(shí)際網(wǎng)絡(luò)吞吐量曲線的變化,如圖12所示。

圖12 2.4 GHz斷連時(shí)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量

由圖12可知,切換過(guò)程中2.4 GHz發(fā)生了斷連,但整體雙頻WiFi客戶端的網(wǎng)絡(luò)吞吐量波動(dòng)很小,表明切換過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生網(wǎng)絡(luò)中斷與丟包的問(wèn)題。同理斷開(kāi)5.8 GHz頻段的連接,網(wǎng)絡(luò)吞吐量滿足通信要求。

4.2 移動(dòng)掃描工作面三維地質(zhì)模型

在工作面內(nèi)部按照一定距離間隔懸掛能夠被掃描到的驗(yàn)證標(biāo)志物,以此來(lái)驗(yàn)證巡檢機(jī)載激光掃描的精度,點(diǎn)云與地測(cè)測(cè)量的坐標(biāo)差異,計(jì)算勘探數(shù)據(jù)三維地質(zhì)模型在更新前后的差異，如圖13所示。

圖13 絕對(duì)坐標(biāo)系三維點(diǎn)云與頂板提取線

4.3 割煤工藝智能化流程

通過(guò)巡檢機(jī)器人實(shí)時(shí)檢測(cè)反饋,按照示范-檢測(cè)-修正的思路,實(shí)現(xiàn)了自主截割,其工藝流程如圖14所示。

圖14 巡檢模式下的截割工藝過(guò)程

利用全站儀數(shù)據(jù)和三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,如圖15和圖16所示。

圖15 地測(cè)與掃描數(shù)據(jù)高度對(duì)比

圖16 地測(cè)與掃描數(shù)據(jù)直線度對(duì)比

第1次試驗(yàn)在高度上最大差異為1.15 m,平均差異為0.59 m;在工作面走向方向上最大差異為0.6 m,平均差異為0.098 m。第2次試驗(yàn)在高度上最大差異為0.735 m,平均差異為0.01 m;在工作面走向方向上最大差異為0.631 m,平均差異為0.03 m。

對(duì)地測(cè)與三維激光掃描測(cè)量對(duì)比,以全站儀測(cè)量底板高程為基準(zhǔn),通過(guò)巡檢機(jī)器人機(jī)載激光掃描測(cè)量底板高程,測(cè)量誤差不超過(guò)150 mm,2種測(cè)量方法所得出的曲線趨勢(shì)一致。

5 結(jié) 論

1)從國(guó)家政策要求和煤礦智能化無(wú)人開(kāi)采技術(shù)發(fā)展2個(gè)層面,提出了巡檢機(jī)器人發(fā)展需要解決的巡檢柔性軌道、移動(dòng)通信無(wú)縫漫游、控制和操作等方面的問(wèn)題,闡述了綜采工作面巡檢機(jī)器人研發(fā)現(xiàn)狀,指出目前研究處于起步階段。

2)從綜采巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)、控制、驅(qū)動(dòng)行走、供電、移動(dòng)通信、機(jī)械臂和協(xié)同控制等方面,建立綜采巡檢機(jī)器人技術(shù)體系,總結(jié)了綜采巡檢機(jī)器人技術(shù)研究的5個(gè)重點(diǎn)方向。

3)系統(tǒng)分析了綜采巡檢機(jī)器人的跨式柔性軌道、行走控制、零切換快速漫游和控制采煤機(jī)調(diào)高技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

4)綜采巡檢機(jī)器人在神東榆家梁煤礦43101綜采工作面進(jìn)行了試驗(yàn),在工作面刮板輸送機(jī)電纜槽上鋪設(shè)軌道,綜采巡檢機(jī)器人搭載三維激光掃描儀和慣性導(dǎo)航系統(tǒng),最大巡檢速度60 m/min。進(jìn)行了巡檢無(wú)縫漫游快速切換試驗(yàn),通過(guò)采用雙頻WiFi基站實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)無(wú)縫漫游快速切換;進(jìn)行了巡檢三維建模試驗(yàn),獲取了基于點(diǎn)云的工作面三維地質(zhì)模型;進(jìn)行了巡檢智能割煤工藝試驗(yàn),復(fù)測(cè)割煤工藝誤差不超過(guò)150 mm。