方 崇 全

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

0 引 言

帶式輸送機(jī)具有輸送距離長(zhǎng)、運(yùn)輸量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是煤礦煤流運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備[1]。由于煤礦運(yùn)輸環(huán)境惡劣、線路長(zhǎng)、運(yùn)輸量不均勻、設(shè)備負(fù)荷變化大、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行等原因，帶式輸送機(jī)常出現(xiàn)帶面損傷、斷帶、打滑、跑偏、電機(jī)超溫、托輥破損斷裂等故障[2]。輸送帶運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的好壞，不僅影響煤礦的正常生產(chǎn)，更關(guān)系到工作人員的生命安全，因此對(duì)帶式輸送機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)其安全高效運(yùn)行的重要保障。煤礦除了按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《MT872—2000煤礦用帶式輸送機(jī)保護(hù)裝置技術(shù)條件》[3]的要求安裝跑偏、超溫、打滑、煙霧、撕裂等保護(hù)傳感器外，在帶式輸送機(jī)運(yùn)行前、運(yùn)行過(guò)程中及停機(jī)檢修時(shí)段還需安排人工徒步巡檢，采用耳聽(tīng)、眼看等手段檢查托輥故障、帶面異物、帶面損傷、人員違章等異常，人工巡檢存在作業(yè)環(huán)境差、危險(xiǎn)性高，巡檢員勞動(dòng)強(qiáng)度大、巡檢質(zhì)量和效率低等問(wèn)題，為推動(dòng)煤礦機(jī)器人的應(yīng)用，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局于2019年1月2日發(fā)布了《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》[4]，其對(duì)帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的基本要求為：具備自動(dòng)行走、自主定位、輸送帶運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)、溫度與煙霧感知、煤流監(jiān)測(cè)、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)及預(yù)警等功能，替代人工實(shí)現(xiàn)輸送帶運(yùn)輸?shù)闹悄芑O(jiān)測(cè)。

國(guó)內(nèi)煤礦高校開(kāi)展了帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人相關(guān)研究[5-8]，有單位研發(fā)出了產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)用[9-11]，但還有以下關(guān)鍵技術(shù)亟待突破：①煤礦井下輸送帶運(yùn)輸巷道有甲烷、一氧化碳等易燃易爆氣體，有礦塵，有水霧及淋水，有道路積水，有巷道形變，有轉(zhuǎn)彎爬坡，里程長(zhǎng)、空間狹窄，帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人本體及行走機(jī)構(gòu)應(yīng)能適應(yīng)這些復(fù)雜環(huán)境?，F(xiàn)有自驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人均設(shè)計(jì)為一體式，車體較高或較長(zhǎng)[9]，在煤礦井下部分空間狹窄或轉(zhuǎn)彎半徑小的巷道應(yīng)用受限。目前，帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的行走方式有懸線牽引式[12]、循環(huán)軌道鏈條傳動(dòng)式[13]、雙軌自驅(qū)輪式[8]、單軌自驅(qū)齒輪齒條式[6，14]、單軌自驅(qū)輪式[15]。這些行走方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)綜合考慮防爆、轉(zhuǎn)彎、坡道等多種因素設(shè)計(jì)巡檢機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。②帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人優(yōu)選蓄電池供電[16]，當(dāng)電池組電量不足時(shí)，需對(duì)電池組充電。2016版《煤礦安全規(guī)程》[17]第四百八十五條規(guī)定：“機(jī)車等移動(dòng)設(shè)備需要在專用充電硐室或地面充電”，帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人屬于移動(dòng)設(shè)備，其蓄電池應(yīng)在專用充電硐室或者地面充電。輸送帶運(yùn)輸里程一般在數(shù)公里，最遠(yuǎn)超過(guò)10 km，距離地面較近的機(jī)器人可以在地面充電，但遠(yuǎn)離地面的機(jī)器人到地面充電將影響工作效率。目前，巡檢機(jī)器人井下充電采用隔爆型充電裝置[18-19]，或者無(wú)線充電，按現(xiàn)行防爆標(biāo)準(zhǔn)(GB3836)[20]的規(guī)定，這2種方式均存在一定的局限性和安全隱患，需研究符合防爆標(biāo)準(zhǔn)的巡檢機(jī)器人井下自主快速安全充電技術(shù)。③帶式輸送機(jī)托輥故障易導(dǎo)致輸送帶損壞、著火等事故，對(duì)托輥的故障自動(dòng)檢測(cè)意義重大，文獻(xiàn)[21]提出通過(guò)聲音信號(hào)的時(shí)頻域信號(hào)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)托輥故障診斷，該方法對(duì)基于振動(dòng)信號(hào)分析的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷有效，在煤礦井下環(huán)境噪聲嘈雜的條件下，易受音頻信號(hào)的混疊性、不同采集距離的影響。部分巡檢機(jī)器人具備視頻識(shí)別功能[22]，但未考慮煤礦井下高濕氣、多粉塵、低照度環(huán)境使得視頻質(zhì)量差，導(dǎo)致井下人員、煤流、帶面損傷、帶面異物等視頻目標(biāo)特征不顯著，通過(guò)視頻自動(dòng)識(shí)別帶式輸送機(jī)的異常工況困難的情況。亟待研究基于音視頻分析的帶式輸送機(jī)異常工況智能識(shí)別技術(shù)代替人工的耳聽(tīng)、眼看巡檢，提高帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人智能化水平。

針對(duì)現(xiàn)有帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人存在的問(wèn)題，在闡述帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究巡檢機(jī)器人在煤礦井下的環(huán)境適應(yīng)性、自主快速安全充電、基于音視頻分析的帶式輸送機(jī)異常工況智能識(shí)別技術(shù)，為促進(jìn)煤礦帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人研發(fā)及應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)由行走軌道、機(jī)器人本體、充電站、通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)組成，如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成示意Fig.1 Schematic of inspection robot system of belt conveyor

行走軌道采用吊掛H型鋼軌道，沿輸送帶運(yùn)輸巷道布置在巷道頂部。機(jī)器人本體依靠自帶的電機(jī)驅(qū)動(dòng)在軌道上自主行走，機(jī)器人本體設(shè)計(jì)為2個(gè)車體，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行工況參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、音視頻數(shù)據(jù)采集分析處理，具備自動(dòng)避障、自動(dòng)充電、緊急制動(dòng)、自動(dòng)換向、限位停止、電池箱充放電管理等功能。充電站配合機(jī)器人本體完成在煤礦井下的自主快速安全充電。通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體、充電站與遠(yuǎn)程管控平臺(tái)的通信連接，通信網(wǎng)絡(luò)采用“有線+無(wú)線”相結(jié)合的方式，在巡檢巷道內(nèi)設(shè)置大功率、高帶寬WiFi通信基站，實(shí)現(xiàn)巡檢線路無(wú)線信號(hào)全覆蓋，通信基站之間采用光纖級(jí)聯(lián)，確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。遠(yuǎn)程管控平臺(tái)基于C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由遠(yuǎn)程管控服務(wù)器、大屏客戶端、PC客戶端、移動(dòng)客戶端和遠(yuǎn)程管控平臺(tái)軟件組成，提供機(jī)器人管理、運(yùn)行場(chǎng)景監(jiān)控、巡檢任務(wù)規(guī)劃、自監(jiān)視及診斷、報(bào)表生成及查詢、日志及系統(tǒng)安全管理等功能，用戶在任一客戶端均可實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)。

2 巡檢機(jī)器人在煤礦井下的環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)

2.1 巡檢機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

煤礦井下巷道空間狹窄，機(jī)器人本體設(shè)計(jì)為模塊化、兩節(jié)車體掛載式結(jié)構(gòu)，車體間通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接，其中一節(jié)車體為蓄電池電源車體，另外一節(jié)車體為傳感、通信控制及充電車體。其優(yōu)點(diǎn)在于：車體高度低、轉(zhuǎn)彎半徑小、擴(kuò)展性好、易安裝維護(hù)。

機(jī)器人本體兩節(jié)車體共包含2個(gè)托架、4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、4個(gè)從動(dòng)輪、4組導(dǎo)向輪、4個(gè)隔爆型驅(qū)動(dòng)器、1個(gè)隔爆兼本安型蓄電池電源箱、1個(gè)本安型通信控制器、1個(gè)隔爆型發(fā)電機(jī)、2個(gè)本安型超聲波雷達(dá)、2個(gè)本安型云臺(tái)攝像儀、1個(gè)本安型讀卡器，本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—隔爆型驅(qū)動(dòng)器；2—從動(dòng)輪；3—導(dǎo)向輪；4—驅(qū)動(dòng)輪；5—托架；6—鏈輪；7—本安型讀卡器；8—隔爆兼本安型蓄電池電源箱；9—本安型超聲波雷達(dá)；10—本安型云臺(tái)攝像儀；11—隔爆型發(fā)電機(jī)；12—本安型通信控制器；13—萬(wàn)向節(jié)圖2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of robot body

1)驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)機(jī)器人本體自主行走，由直流無(wú)刷電機(jī)、電機(jī)控制器、減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、輔助輪組成。

2)蓄電池電源箱為機(jī)器人本體提供電力。

3)通信控制器采集煙霧、溫度、瓦斯、一氧化碳、氧氣、二氧化碳、濕度等環(huán)境參數(shù)用于環(huán)境異常監(jiān)測(cè)及報(bào)警，通過(guò)高精度聲壓傳感器、高清攝像儀采集現(xiàn)場(chǎng)音視頻數(shù)據(jù)用于輸送帶異常工況智能分析，讀取超聲波雷達(dá)、讀卡器、蓄電池電源箱、電機(jī)控制器的數(shù)據(jù)并分析處理，控制驅(qū)動(dòng)器行走，傳輸數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)程管控平臺(tái)，接收遠(yuǎn)程管控平臺(tái)的控制指令。

4)發(fā)電機(jī)用于給蓄電池電源箱充電。

5)超聲波雷達(dá)用于機(jī)器人本體前進(jìn)方向的障礙物探測(cè)。

6)云臺(tái)攝像儀采集巡檢現(xiàn)場(chǎng)的視頻數(shù)據(jù)，傳輸給通信控制器用于視頻智能識(shí)別。

7)讀卡器用于檢測(cè)沿吊掛軌道布置的無(wú)源RFID電子里程碑，配合驅(qū)動(dòng)電機(jī)的編碼器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體的定位。

2.2 巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人行走方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析如下：

1)懸線牽引式：沿帶式輸送機(jī)正上方架空鋪設(shè)鋼絲繩，機(jī)器人本體通過(guò)固定抱索器固定于鋼絲繩上，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用防爆電動(dòng)機(jī)，牽引機(jī)器人本體往復(fù)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：鋼絲繩架設(shè)成本較軌道式低，爬坡能力強(qiáng)；缺點(diǎn)：機(jī)器人本體易擺動(dòng)，運(yùn)行穩(wěn)定性差。

2)循環(huán)軌道鏈條傳動(dòng)式：沿輸送帶運(yùn)輸巷道環(huán)型吊掛布置開(kāi)口向下的C型軌道槽，槽內(nèi)安裝鏈條，由防爆電機(jī)帶動(dòng)鏈條循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人本體吊掛在鏈條上，隨鏈條移動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：爬坡能力強(qiáng)；缺點(diǎn)：環(huán)型軌道及鏈條成本高，機(jī)器人本體易擺動(dòng)，運(yùn)行穩(wěn)定性差，長(zhǎng)距離驅(qū)動(dòng)鏈條自重會(huì)增加驅(qū)動(dòng)阻力。

3)雙軌自驅(qū)輪式：沿帶式輸送機(jī)上、下輸送帶之間安裝平行雙軌，通過(guò)橫桿把軌道固定于帶式輸送機(jī)機(jī)架上，巡檢機(jī)器人自帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)在輪軌上行走。優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行平穩(wěn)；缺點(diǎn)：帶式輸送機(jī)上、下輸送帶之間空間狹窄，安裝不便；轉(zhuǎn)彎能力差；受軌道積水、煤泥影響，易打滑，爬坡能力差；軌道成本較單軌高。

4)單軌自驅(qū)齒輪齒條式：沿帶式輸送機(jī)安裝單軌，軌道上安裝固定齒條，巡檢機(jī)器人采用齒輪與齒條嚙合行走。優(yōu)點(diǎn)：承載力大、傳動(dòng)精度高，不受積水影響、爬坡能力強(qiáng)；缺點(diǎn)：齒條安裝精度要求高，不適合有彎道的應(yīng)用場(chǎng)景。

5)單軌自驅(qū)輪式：沿帶式輸送機(jī)吊掛安裝工字鋼軌道，機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)輪安裝在軌道兩側(cè)，在張緊機(jī)構(gòu)的壓緊下，靠驅(qū)動(dòng)輪與軌道之間產(chǎn)生的摩擦力帶動(dòng)機(jī)器人本體行走。優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行穩(wěn)定；缺點(diǎn)：隨著驅(qū)動(dòng)輪的磨損，張緊機(jī)構(gòu)壓力下降，會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，需要定期檢測(cè)驅(qū)動(dòng)輪張緊壓力，軌道積水易導(dǎo)致打滑。

綜合現(xiàn)有帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人行走方式的優(yōu)缺點(diǎn)，巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)為單軌自驅(qū)輪式，滾輪加鏈輪鏈條混合驅(qū)動(dòng)方式，采用H型鋼作為行走軌道，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受巷道形變及路面地形影響、驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單可靠、運(yùn)行姿態(tài)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于巡檢路線固定、巡檢距離長(zhǎng)、空間狹窄、路面起伏多變的煤礦井下輸送帶運(yùn)輸巷道。

因煤礦井下多煤塵、高濕氣，軌道濕滑，故在大角度坡道處的軌道兩邊對(duì)稱設(shè)計(jì)了鏈條機(jī)構(gòu)，機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)滾輪側(cè)邊安裝鏈輪，在平路或者小角度坡道處由滾輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走，在大角度坡道處由鏈輪嚙合鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走，避免坡道打滑。滾輪與鏈輪混合驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

1—軌道；2—鏈條；3—鏈輪；4—滾輪圖3 滾輪與鏈輪混合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of hybrid drive of roller and sprocket

鏈輪鏈條驅(qū)動(dòng)方式與齒輪齒條驅(qū)動(dòng)方式相比較，其優(yōu)點(diǎn)在于：鏈條安裝精度要求低，鏈輪和鏈條配合要求精度低，鏈輪和鏈條屬于柔性連接可以解決機(jī)器人軌道爬坡拐彎和爬坡結(jié)束拐彎處的準(zhǔn)確嚙合問(wèn)題，鏈條為標(biāo)準(zhǔn)件，成本低、易維護(hù)。

3 巡檢機(jī)器人在煤礦井下自主快速安全充電技術(shù)

3.1 煤礦井下快速安全充電方法

煤礦井下巡檢機(jī)器人宜采用蓄電池供電，為實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人井下自主快速安全充電，筆者提出采用電—機(jī)—電能量轉(zhuǎn)換充電方法，即：充電站的電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再用機(jī)械能帶動(dòng)機(jī)器人本體自帶的發(fā)電機(jī)發(fā)電，為機(jī)器人本體的蓄電池充電。在煤礦井下，純機(jī)械連接可避免電氣連接帶來(lái)的隔爆設(shè)計(jì)及電氣閉鎖存在的安全隱患。與無(wú)線充電方法相比較，隔爆電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)組合可提供大功率電能輸出，滿足巡檢機(jī)器人大功率、長(zhǎng)續(xù)航的蓄電池快速充電的需求。

3.2 充電自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證巡檢機(jī)器人自帶的發(fā)電機(jī)與充電站的電動(dòng)機(jī)之間自動(dòng)可靠對(duì)接，設(shè)計(jì)了一種鼓形齒對(duì)接機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 鼓形齒對(duì)接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structural of drum tooth butt joint mechanism

巡檢機(jī)器人在巡檢過(guò)程中實(shí)時(shí)計(jì)算剩余電能W1及行駛至充電站所需的電能W2，當(dāng)W1逐漸接近W2時(shí)，機(jī)器人駛向充電站充電。充電站的電動(dòng)機(jī)固定在H型行走軌道上，當(dāng)機(jī)器人本體的發(fā)電機(jī)逐漸靠近電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)緩慢旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人本體發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的鼓形內(nèi)齒輪與電動(dòng)機(jī)輸出軸上的鼓形外齒輪進(jìn)行對(duì)接，當(dāng)鼓形內(nèi)齒輪和鼓形外齒輪出現(xiàn)內(nèi)齒和外齒對(duì)死時(shí)，機(jī)器人本體繼續(xù)緩慢行駛，鼓形齒外齒輪后端的彈簧緩沖裝置可以使鼓形外齒輪后退一定距離，此時(shí)因電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，可以讓對(duì)死的內(nèi)齒和外齒滑動(dòng)進(jìn)行嚙合，從而保證了機(jī)器人本體的發(fā)電機(jī)與充電站的電動(dòng)機(jī)自動(dòng)成功嚙合。充電站控制器通過(guò)行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)到對(duì)接到位信號(hào)后，電動(dòng)機(jī)全速運(yùn)行，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為機(jī)器人的蓄電池充電。

4 基于音視頻分析的帶式輸送機(jī)異常工況智能識(shí)別技術(shù)

4.1 基于音頻分析的托輥故障識(shí)別技術(shù)

針對(duì)環(huán)境噪聲復(fù)雜的帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)，基于信號(hào)時(shí)頻分析方法濾除環(huán)境噪聲困難，筆者提出一種基于聲壓及聲品質(zhì)分析的帶式輸送機(jī)托輥故障識(shí)別方法。聲品質(zhì)是指相同聲級(jí)的聲音，由于頻譜結(jié)構(gòu)的差異，會(huì)引起人耳聽(tīng)覺(jué)感知的大不相同，聲品質(zhì)參數(shù)主要有響度、尖銳度、波動(dòng)度、粗糙度等，聲品質(zhì)數(shù)據(jù)由專業(yè)的分析軟件計(jì)算得出。巡檢機(jī)器人搭載聲壓傳感器采集輸送帶沿線的音頻數(shù)據(jù)，通過(guò)聲音分析軟件計(jì)算1/3倍頻程譜及聲品質(zhì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)托輥故障的自動(dòng)診斷。

4.2 基于視頻分析的帶式輸送機(jī)異常工況識(shí)別技術(shù)

基于深度學(xué)習(xí)的視頻分析技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人搭載高清攝像儀采集視頻圖像，針對(duì)煤礦井下輸送帶巡檢場(chǎng)景，采用常用的暗通道先驗(yàn)去霧算法，通過(guò)對(duì)比度增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)視頻去霧。對(duì)于粉塵稀疏場(chǎng)景，采用普通的濾波器，對(duì)于粉塵稠密場(chǎng)景，可采用去霧算法?；诖髿馍⑸淠Ｐ秃蛨D像成像先驗(yàn)知識(shí)，融合光照歸一化方法，整合圖像去粉塵、去霧和光照均衡化理論到統(tǒng)一算法框架中，協(xié)同提升視頻圖像的清晰度和對(duì)比度。

煤礦井下人員、煤流、帶面異物、帶面損傷等目標(biāo)受煤礦井下環(huán)境因素影響，目標(biāo)與背景相似度高，導(dǎo)致在視頻圖像中目標(biāo)整體成像顯著性低。基于目標(biāo)輪廓先驗(yàn)知識(shí)，采用候選區(qū)域生成方法，結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，學(xué)習(xí)各部件之間的拓?fù)潢P(guān)系，在準(zhǔn)確檢測(cè)目標(biāo)顯著部件的基礎(chǔ)上推理回歸目標(biāo)整體輪廓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非顯著性的帶式輸送機(jī)異常工況的視頻識(shí)別。目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別算法框架如圖5所示。

圖5 目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別算法框架Fig.5 Target detection and recognition algorithm framework

5 巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證測(cè)試

5.1 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)測(cè)試

為驗(yàn)證機(jī)器人轉(zhuǎn)彎、爬坡性能，在我院帶式輸送機(jī)實(shí)驗(yàn)室搭建了機(jī)器人試驗(yàn)平臺(tái)，研制了巡檢機(jī)器人樣機(jī)，機(jī)器人能平穩(wěn)通過(guò)半徑1 m的彎道，在負(fù)重220 kg、巡檢速度0.4 m/s的情況下，可在角度為20°的坡道上平穩(wěn)運(yùn)行，優(yōu)于2016版《煤礦安全規(guī)程》[17]第五百七十條 “采用帶式輸送機(jī)運(yùn)輸時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵守下列規(guī)定：帶式輸送機(jī)運(yùn)輸物料的最大傾角，上行不得大于16°，嚴(yán)寒地區(qū)不得大于14°；下行不得大于12°”的規(guī)定，爬坡試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖6所示。

圖6 機(jī)器人爬坡試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.6 Photos of robot climbing experiment

5.2 機(jī)器人快速安全充電技術(shù)驗(yàn)證

為驗(yàn)證電—機(jī)—電能量轉(zhuǎn)換充電方法的實(shí)用性及安全性，開(kāi)展了充電試驗(yàn)，試驗(yàn)圖片如圖7所示，電動(dòng)機(jī)選用YBBP-90L-2-2.2 kW隔爆型變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，額定輸出功率2.2 kW，發(fā)電機(jī)選用FB-800/24Y隔爆型永磁發(fā)電機(jī)，額定輸出功率800 W，配套定制了42 V直流輸出的發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器，滿負(fù)荷充電試驗(yàn)時(shí)間4 h。由于實(shí)際電池在充電不同階段對(duì)充電功率需求大小不同，無(wú)法驗(yàn)證電—機(jī)—電能量轉(zhuǎn)換充電方法持續(xù)大功率運(yùn)行的溫度安全性，因此選用2.2 Ω/kW的功率電阻作為模擬負(fù)載用于驗(yàn)證大功率充電時(shí)的溫升情況。測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度21 ℃，電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間通過(guò)聯(lián)軸器及鼓形齒連接，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速2 850 r/min，發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷工作4 h后，測(cè)試發(fā)電機(jī)經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出最大功率809.82 W，電動(dòng)機(jī)溫度43.7 ℃，發(fā)電機(jī)溫度49.5 ℃，發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)機(jī)械對(duì)接旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的表面溫度39.2 ℃，滿足現(xiàn)行的防爆標(biāo)準(zhǔn)(GB3836)規(guī)定的最高表面溫度不超過(guò)150 ℃的要求。

圖7 充電測(cè)試照片F(xiàn)ig.7 Photos of charging test

5.3 基于音視頻分析的帶式輸送機(jī)異常工況智能識(shí)別技術(shù)驗(yàn)證

在神東布爾臺(tái)煤礦井下通過(guò)聲壓傳感器及手持音頻信號(hào)分析儀，錄制了4段托輥故障(開(kāi)裂、斷裂、潤(rùn)滑不良)音頻數(shù)據(jù)，每段音頻數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為1 min，通過(guò)專用聲學(xué)測(cè)量與分析軟件及信號(hào)分析軟件對(duì)托輥正常及托輥故障的聲壓和聲品質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，特征區(qū)分較明顯的參數(shù)有中心頻率630～16 000 Hz范圍的1/3倍頻程譜和尖銳度指標(biāo)，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 托輥故障識(shí)別音頻特征指標(biāo)Table 1 Audio characteristic index of roller fault recognition

根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，托輥正常音頻與異常音頻數(shù)據(jù)中心頻率630～16 000 Hz的1/3倍頻程譜區(qū)別明顯，該值大于96.74 dB或聲品質(zhì)尖銳度大于1.320的情況下可判定為托輥故障。

在重慶能投集團(tuán)采集了煤礦井下運(yùn)輸巷道的視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)自適應(yīng)圖像增強(qiáng)算法可以顯著提升多粉塵、濃霧氣、低照度的環(huán)境下圖像的清晰度和對(duì)比度，圖像增強(qiáng)前后的效果對(duì)比如圖8所示。

圖8 視頻圖像增強(qiáng)算法前后對(duì)比Fig.8 Contrast before and after video image enhancement algorithm

在重慶能投集團(tuán)石壕煤礦，通過(guò)視頻分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工人在帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)闖入危險(xiǎn)區(qū)域的視頻智能識(shí)別，在帶式輸送機(jī)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了帶面損傷視頻智能識(shí)別試驗(yàn),視頻識(shí)別截圖如圖9所示。

圖9 視頻智能識(shí)別截圖Fig.9 Screenshot of video intelligent recognition

音視頻分析技術(shù)用于帶式輸送機(jī)異常工況智能識(shí)別方案可行，但還需要采集更多的現(xiàn)場(chǎng)樣本訓(xùn)練識(shí)別模型，以進(jìn)一步提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

6 結(jié) 論

1)模塊化、兩節(jié)車體掛載式巡檢機(jī)器人本體及吊掛單軌式、滾輪與鏈輪鏈條混合驅(qū)動(dòng)的行走機(jī)構(gòu)可適應(yīng)煤礦井下輸送帶運(yùn)輸復(fù)雜環(huán)境。

2)煤礦井下電—機(jī)—電能量轉(zhuǎn)換充電方法及基于鼓形齒的充電自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人在煤礦井下自主快速安全充電，滿足遠(yuǎn)距離巡檢需求。

3)基于聲壓1/3倍頻程譜及聲品質(zhì)尖銳度特征指標(biāo)的托輥故障識(shí)別方法，煤礦井下視頻圖像質(zhì)量增強(qiáng)方法及基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的非顯著性目標(biāo)識(shí)別技術(shù)用于帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人，經(jīng)驗(yàn)證測(cè)試具有可行性，可替代人工耳聽(tīng)、眼看巡檢，提高機(jī)器人的智能化水平，但需進(jìn)一步豐富訓(xùn)練樣本，提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

4)設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人最小轉(zhuǎn)彎半徑1 m，在負(fù)重220 kg、巡檢速度0.4 m/s的情況下，可在角度為20°的坡道上平穩(wěn)運(yùn)行；在充電站端的電動(dòng)機(jī)額定功率2.2 kW情況下，機(jī)器人本體端的發(fā)電機(jī)能穩(wěn)定輸出功率800 W。