張海波 茹瑞鵬 張 靜

(1.潞安集團李村煤礦建設(shè)管理處，山西省長治市，046000； 2.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川省綿陽市，621010)

1 引言

與其它主要產(chǎn)煤國家相比，我國的煤炭賦存存在埋藏深、煤層穩(wěn)定性相對較差、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜以及水、火、瓦斯、煤塵、頂板等自然災(zāi)害因素較多的問題，且高瓦斯礦井偏多，瓦斯管理始終是煤礦的重點環(huán)節(jié)。因此，在煤礦瓦斯巡檢環(huán)節(jié)引入機器人技術(shù)代替專職瓦斯檢查員巡檢，對于提升作業(yè)環(huán)境安全、降低勞動強度以及提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

歐美等先進制造業(yè)國家在20世紀80年代開始，便將基于計算機遠程遙控加局部自主控制作為非結(jié)構(gòu)化采煤工作環(huán)境下機器人的重點研究方向，研制出了計算機控制采煤作業(yè)系統(tǒng)及多種特種機器人，如支護機器人、鑿巖機器人、裝載機器人、采煤機器人、煤礦救災(zāi)機器人等。目前，國內(nèi)煤炭行業(yè)也在大力推進煤礦機械化、自動化、信息化和智能化“四化”建設(shè)，重點探索在危險工種和崗位使用智能機器人技術(shù)，以提高生產(chǎn)效率和提升安全生產(chǎn)系數(shù)。

針對煤礦井下非結(jié)構(gòu)化、不確定和復(fù)雜未知環(huán)境的瓦斯巡檢作業(yè)問題，本文設(shè)計了一種強越障煤礦井下瓦斯巡檢機器人系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的專職瓦斯檢查員巡回檢查，研制強越障履帶式底盤結(jié)構(gòu)，以STM32F107微控制和μC/OS-III實時操作系統(tǒng)構(gòu)建機器人主控單元，搭載“四合一”瓦斯氣體檢測儀和多視角圖像傳感器，實時采集現(xiàn)場氣體信息和現(xiàn)場視覺信息，通過便攜式操控臺和綜合機器人測控臺經(jīng)由無線通信模組，完成復(fù)雜環(huán)境條件下的遠程交互控制和數(shù)據(jù)傳輸功能，并對系統(tǒng)的越障性能、交互控制性能、數(shù)據(jù)采集與傳輸能力進行了實驗測試。

2 機器人系統(tǒng)的總體設(shè)計

機器人系統(tǒng)總體采用分層設(shè)計，主要為機器人監(jiān)測平臺、多制式通信和交互控制平臺三層結(jié)構(gòu)。機器人系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 機器人系統(tǒng)總體設(shè)計

(1)機器人監(jiān)測平臺。機器人監(jiān)測平臺采用雙履帶式結(jié)構(gòu)設(shè)計，該設(shè)計具有機構(gòu)靈活和越障性能強等優(yōu)點，能夠更有效地適應(yīng)井下巷道復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，同時多自由度臂式云臺搭載高清光學(xué)變焦攝像頭，機身前后攜帶補光魚眼相機，視角轉(zhuǎn)換靈活，可獲取更多更全面的現(xiàn)場信息。

(2)多制式通信。多制式通信采用無線通信網(wǎng)絡(luò)和漏纜通信相結(jié)合的方式，能夠提高非視距通信的可靠性和適應(yīng)性。

(3)交互控制平臺。交互控制平臺包括便攜式控制臺和綜合操控平臺兩種終端，方便操作人員根據(jù)需要選擇性使用。

3 機器人系統(tǒng)的本體機構(gòu)設(shè)計

機器人系統(tǒng)的本體機構(gòu)由機器人底盤、多自由度臂式云臺、攝像機云臺和控制盒四大部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

(1)機器人底盤。機器人底盤使用履帶式結(jié)構(gòu)，履帶底盤主要是由動力驅(qū)動系統(tǒng)、從動系統(tǒng)、張緊系統(tǒng)、基架等組成。履帶輪采用鋁合金制作，履帶采用阻燃工程橡膠制作，既可以減輕機器人自身的重量，又可以提高了抗跌落性能，履帶底盤結(jié)構(gòu)可完成越障、攀爬和斜坡等各項任務(wù)。

圖2 機器人系統(tǒng)的本體結(jié)構(gòu)示意圖

(2)多自由度臂式云臺。多自由度臂式云臺主要由三節(jié)主臂和底部攝像頭組成，主臂端部安裝有力矩馬達和角位移傳感器，可伺服調(diào)節(jié)主臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角大小和控制云臺的空間高度，實現(xiàn)搭載攝像頭上升、下降和旋轉(zhuǎn)觀測等動作，實時監(jiān)控機械臂的運動情況，方便操作者遠程控制。

(3)攝像機云臺。攝像機云臺采用密封防爆設(shè)計，并帶有自動清潔窗口裝置，從而使整個系統(tǒng)能在水淋環(huán)境和可燃氣體環(huán)境中均可正常可靠工作。

(4)控制盒?？刂坪羞x用優(yōu)質(zhì)鋁合金或不銹鋼由機器鈑金制成，耐腐蝕且重量輕。

(5)氣體檢測單元。氣體檢測單元采用“四合一”瓦斯氣體檢測儀檢測環(huán)境氣體類型及其濃度值，選用X-am 5000氣體檢測儀，該氣體檢測儀能有效測量O2、CO、H2S和CH4等氣體的濃度。為了支持其數(shù)據(jù)的遠程傳輸，另外安裝了一套X-zone 5000無線傳輸檢測儀，該儀器可以通過RS485傳輸數(shù)據(jù)。

4 機器人系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 主控制系統(tǒng)設(shè)計

主控制系統(tǒng)采用模塊設(shè)計和多層次分布式控制體系結(jié)構(gòu)，主要由主控制子系統(tǒng)、電機控制子系統(tǒng)、傳感器控制子系統(tǒng)、云臺控制子系統(tǒng)和其它控制系統(tǒng)構(gòu)成。當(dāng)各控制子系統(tǒng)收到主控制系統(tǒng)發(fā)來的控制指令后，能獨立完成對模塊的控制，同時各控制子系統(tǒng)將機器人系統(tǒng)本體的信息和傳感器監(jiān)測的信息返回給主控制子系統(tǒng)，控制系統(tǒng)整體框圖如圖3所示。

主控制子系統(tǒng)可以通過RS485總線與各自系統(tǒng)模塊進行通信。主控制子系統(tǒng)采用基于Cortex-M4嵌入式微控制器STM32F407和嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-III，系統(tǒng)支持多任務(wù)管理和任務(wù)間的同步與通信，能對多個傳感器信息進行實時處理，實現(xiàn)自主控制，滿足復(fù)雜環(huán)境條件下的控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

圖3 控制系統(tǒng)整體框圖

4.2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

機器人系統(tǒng)中的各電機驅(qū)動控制均采用Atmega 8工業(yè)級單片機實現(xiàn)，利用大功率MOSFET搭建H橋式電機驅(qū)動電路實現(xiàn)對電機的驅(qū)動和對直流電機的轉(zhuǎn)速控制和位置控制。用4只大功率MOSFET功率管構(gòu)建的電機功率驅(qū)動電路，從而保證上下臂的特性一致，提高功率驅(qū)動器工作效率。導(dǎo)通任意對角線上的一對MOSFET后電機運轉(zhuǎn)，切換導(dǎo)通對角線的MOSFET后電機轉(zhuǎn)動方向改變。結(jié)合直流斬波技術(shù)，采用PWM波來控制MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速和力矩的控制。

機器人行進電機采用48 V和500 W大功率直流無刷電機，每個電機均獨立設(shè)計H橋驅(qū)動電路。機械臂關(guān)節(jié)分別采用48 V和150 W以及48 V和90 W的電機提供動力。實際應(yīng)用中，機械臂電機裝有霍爾傳感器，以反饋機械臂關(guān)節(jié)位置信息。

5 機器人系統(tǒng)的信息與通信系統(tǒng)設(shè)計

機器人系統(tǒng)的信息與通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括高清相機、魚眼模擬相機、云臺編碼器和氣體檢測器，通信系統(tǒng)包括前段通信部分和后端通信部分。信息與通信系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 信息與通信系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)圖

前端通信部分較為復(fù)雜，包括多制連接單元、漏纜通信模組和無線組網(wǎng)模塊。在完成機器人和控制臺的物理連接后，通過網(wǎng)絡(luò)配置來建立端到端的通信鏈路，實現(xiàn)視頻、傳感器采集和控制信號的傳輸。多制連接單元提供RS232/485接口，連接機器人控制器和氣體檢測器；提供視頻接口，連接采集周圍環(huán)境圖像的廣角鏡頭；提供高速以太網(wǎng)接口，連接高清相機。漏纜通信模組提供三路以太網(wǎng)下行接入，分別連接多制連接單元的串行輸出、多制連接單元的模擬視頻輸出和多制連接單元的高清數(shù)字視頻輸出；提供兩路上行接入，一路通過無線組網(wǎng)接入控制臺，一路通過通信線纜接入控制臺。另外，為了支持手持遙控器，通信系統(tǒng)還增加了一個數(shù)傳電臺連接機器人控制器，一個圖傳電臺連接前后視廣角鏡頭。信息與通信系統(tǒng)拓撲圖如圖5所示。

圖5 信息與通信系統(tǒng)拓撲圖

6 實驗測試

6.1 基本動作和越障性能測試

對機器人系統(tǒng)的基本動作和越障性能進行了測試，包括機器人系統(tǒng)的云臺動作、行進動作等?；緞幼鳒y試結(jié)果表明，機器人系統(tǒng)的各項運動功能控制靈敏、運動平穩(wěn)，實現(xiàn)預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。越障性能測試結(jié)果表明，機器人爬坡角度>30°，越障高度>18 cm，跨越溝壑長度>25 cm。機器人系統(tǒng)的基本動作測試和越障性能測試如圖6和圖7所示。

圖6 機器人系統(tǒng)的基本動作測試

圖7 機器人系統(tǒng)的越障性能測試

6.2 信息與通信系統(tǒng)測試

對機器人系統(tǒng)的信息與通信系統(tǒng)進行測試，測試結(jié)果表明，視距無線傳輸距離在200 m時，通信速率為4.8～38.4 Mbps，平均速率為20 Mbps；非視距傳輸距離在60 m時，通信速率最低為5～ 40 Mbps，平均速率為22.8 Mbps，均可同時傳輸全景視頻、雙魚眼相機視頻和控制命令。

6.3 電池續(xù)航能力測試

考慮到機器人系統(tǒng)的實用性問題，對機器人系統(tǒng)的續(xù)航能力進行了嚴格測試，實時檢測機器人系統(tǒng)的電池電壓變化和放電電流大小。機器人系統(tǒng)的電池為48 V磷酸鐵鋰電池，多次充放電實驗發(fā)現(xiàn)，機器人電池最大放電電流電流可以達30 A，充滿一次電的續(xù)航時間>2.5 h，續(xù)航能力滿足2 h的續(xù)航設(shè)計要求。機器人系統(tǒng)的電池續(xù)航能力測試如圖8所示。

圖8 機器人系統(tǒng)的電池續(xù)航能力測試

6.4 綜合測試

在煤礦井下安全可控、不進行生產(chǎn)、危險可控的環(huán)境對機器人系統(tǒng)進行綜合測試，包括機器人系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的越障巡檢作業(yè)能力以及信息傳輸能力等，機器人系統(tǒng)的綜合測試如圖9所示。

圖9 機器人系統(tǒng)的綜合測試

經(jīng)過綜合測試操作驗證，機器人系統(tǒng)能夠完成在煤礦井下復(fù)雜環(huán)境中的越障巡檢作業(yè)，能夠?qū)崟r反饋視覺信息和氣體信息，能夠?qū)崟r在后臺軟件界面更新數(shù)據(jù)，機器人系統(tǒng)操控延時<0.3 s，最大數(shù)據(jù)更新延時<0.5 s。

7 結(jié)語

通過對機器人系統(tǒng)的越障性能、交互控制性能、數(shù)據(jù)采集與傳輸能力的實驗測試表明，該系統(tǒng)能及時有效地檢測到煤礦井下巷道中的瓦斯含量，并準確記錄檢測時間、檢測地點以及檢測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，能夠代替人工巡檢，降低人工勞動強度，提高了巡檢效率和精度，并能根據(jù)巡檢設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)及時制定靈活有效的處理方案，對煤礦的安全生產(chǎn)、減人提效以及打造智慧化礦山起到積極的推動作用。