张玉强
陕西长武亭南煤业有限责任公司 陕西咸阳 713600
摘要：目前，现代化建设迅速，随着科技的不断进步和对机器人代替人类工作的不断需求，人工智能在煤矿的研究和应用得到了快速发展。《中国制造２０２５》发展规划提出，要实现关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能控制以及建设重点领域智能工厂，未来的煤矿将实现生产设备网络化和生产现场无人化，这为智能煤矿发展提供了借鉴性指导。在我国《能源技术革命创新行动计划》中，明确了要提升煤炭开发效率和智能化水平，研发高效建井、快速掘进、智能化工作面等技术，重点煤矿区基本实现工作面无人化，全国采煤机械化程度达到９５％以上。
关键词：煤矿巡检机器人；同步定位；地图构建方法研究
引言
对煤矿井下巷道环境和设备运行状态进行安全巡检，是煤矿企业安全生产的重要保障。传统煤矿井下的巡检分为２种：一是人工巡检，由于效率低、强度大、危险性高而逐渐被淘汰；二是视频监控，存在覆盖面积小、投入成本高、维护效率低等问题。随着机器人技术的快速发展，人们希望危险性、重复性的巡检工作能由机器人替代自己完成，尤其是近年来，在全世界引发了应用于煤矿巡检领域的特种机器人的研究热潮。定位导航技术是煤矿井下巡检机器人一个非常重要的研究课题，也是实现真正智能化和完全自主移动的关键所在，它的核心是要解决关于机器人“在哪”和“要去哪”的问题，解决该问题的关键点在于如何实现巡检机器人的自主定位。
1机器人将开创智能采矿新时代
通常把机器人技术发展分为三代。第一代机器人指只有操作器（手）的机器人，以可编程序或示教再现方式工作，不具有对外界信息的反馈能力。第二代机器人指装备各种传感器（如力觉、触觉、视觉等）的机器人，在一定程度上能感知客观环境的变化及动作的结果，即具有对外部信息的反馈能力，能适应客观环境的变化。第三代机器人指智能机器人。智能机器人装有丰富的传感器，并将人工智能技术与机器人相结合，使机器人不仅能够感知环境，而且能够建立并适时修正环境模型，然后根据确定的任务，以实时模型为基础进行问题求解，作出决策及制订规划，并且具有一定的学习功能，它具有高度的自适应性及自治功能。按照替代功能和应用领域划分，机器人大致可分为工业机器人、服务机器人和特种机器人３类。工业机器人指具有焊接、切割、搬运、涂装、包装和码垛等功能的机器人；服务机器人包括能够为人类提供家政服务、医疗服务和公共服务的机器人；特种机器人则是指在军事、救灾、极地、高危作业以及采矿等领域所使用的机器人。在采矿业中，机器人将逐渐代替矿工的劳动，从几千年前的人工挖煤，到１００多年前的动力助人采煤，再到几十年前的机械化替人采煤，发展到今天的自动化减人开采，而且最终采矿业会实现无人智能化开采。
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2煤矿井下巡检机器人控制系统设计
2.1系统总体架构
煤矿井下巡检机器人控制系统是以轮式移动机器人为本体结构、以ＲＯＳ（Ｒｏｂｏｔ ＯｐｅｒａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）开源机器人系统为总体架构，采用上下位机二级式分布共同搭建的，上下位机之间采用ＷｉＦｉ通信。整个系统由轮式机器人主体、车载计算机、双目相机、激光雷达、电动机驱动器、直流电动机、红外传感器、超声传感器、惯导元件、云台摄像机等硬件构成。轮式机器人主体包含２个驱动轮和２个同步轮，电动机驱动器与车载计算机通过串口通信。双目相机用来获取图像信息，以进行机器人位姿状态估计，通过ＵＳＢ与车载计算机通信。激光雷达能够实时获取机器人与周围环境的距离测量值，从而实现地图构建，通过ＴＣＰ／ＩＰ与车载计算机相连。云台摄像机负责监测区域的实时监控。
2.2系统工作原理
系统工作原理：以轮式机器人为主体，以高性能计算机作为控制核心，以直流电动机、编码器、霍尔传感器作为运动控制系统，以红外热像仪、可见光摄像机、气体传感器等作为远程监测系统，以超声、红外传感器作为应急避障系统，以多线激光雷达和双目相机结合而成的多传感器为环境感知系统。其中，激光雷达负责周围环境的地图构建，双目相机负责自身状态估计，与激光雷达所建地图相结合，实现机器人实时定位、构建地图的功能，并根据地图环境信息和机器人位置信息进行行为决策。
2.3系统软件实现
根据不同的功能要求将机器人控制系统划分为４个模块：环境感知模块、地图构建模块、行为决策模块、运动控制模块。其中，环境感知模块的功能是感知机器人周围的环境信息，并基于传感器数据为环境建立可靠和详细的描述；地图构建模块的任务是利用激光雷达采集到的实时距离信息，结合ＳＬＡＭ算法和基于粒子滤波的自适应蒙特卡罗（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｍｏｎｔｅ ＣａｒｌｏＬｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ，ＡＭＣＬ）算法构建环境栅格地图和定位；行为决策模块的任务是利用所有输入的原始数据计算得出行为层面的决策；运动控制模块的设计目标在于让机器人尽可能地按照行为决策规划的动作序列运动。
2.4驱动系统设计
机器人系统中的各电机驱动控制均采用Ａｔ－ｍｅｇａ ８工业级单片机实现，利用大功率ＭＯＳＦＥＴ搭建Ｈ桥式电机驱动电路实现对电机的驱动和对直流电机的转速控制和位置控制。用４只大功率ＭＯＳＦＥＴ功率管构建的电机功率驱动电路，从而保证上下臂的特性一致，提高功率驱动器工作效率。导通任意对角线上的一对ＭＯＳＦＥＴ后电机运转，切换导通对角线的ＭＯＳＦＥＴ后电机转动方向改变。结合直流斩波技术，采用ＰＷＭ波来控制ＭＯＳＦＥＴ的导通与关断，从而实现电动机转速和力矩的控制。机器人行进电机采用４８Ｖ和５００Ｗ大功率直流无刷电机，每个电机均独立设计Ｈ桥驱动电路。机械臂关节分别采用４８Ｖ和１５０Ｗ以及４８Ｖ和９０Ｗ的电机提供动力。实际应用中，机械臂电机装有霍尔传感器，以反馈机械臂关节位置信息。
3机器人化主运带式输送机
井下大型带式输送机的机器人化控制是基于带式输送机自适应控制系统，体现为启动自适应、张紧自适应、负载自适应、驱动自均衡、故障自诊断５个方面。中国矿业大学与北京百正创源公司联合研发出机器人化带式输送机系统，滚筒驱动采用永磁电机直接驱动技术，张紧系统采用永磁变频张紧技术，整个系统通过综合控制装置执行驱动系统的智能感知控制策略。该系统具有智能全工况调速控制、智能多点多机动态负载调配与平衡控制、智能力矩调节和输送带打滑抑制、智能张力控制及张紧驱动预测前馈控制、智能化运行状态监控与驱动系统协调控制等功能。超长运距输送带运输系统的驱动及张紧运行无需人为干预，实现了无人化操作。该系统已在伊泰集团红庆河矿井的可伸缩带式输送机投入运行，运输距离为５０６０ｍ，运量为３０００ｔ／ｈ。永磁智能张紧与滚筒永磁直驱成套控制系统已在昊华精煤高家梁矿投入运行。井下抢险作业机器人在巷道塌方、堵塞等狭小空间进行快速抢险救援作业，应具备自主行走、精确定位、井下环境识别、挖掘、钻扩、运送、远程遥控等功能，实现抢险作业无人化。井下抢险作业机器人的主要作用就是代替人工去清堵、清淤、清道。瑞典Ｂｒｏｋｋ公司制造出小尺寸破拆机器人，作业效率是手持风镐的８倍，可用于煤仓清堵作业。
结语
煤炭在我国经济发展中占有举足轻重的地位，一切事物都始于采矿，煤炭开采在机器人应用方面也同样拥有较大的需求和市场，未来的煤矿生产将逐步趋于机器人化，成为一个人工智能非常强大的工业领域。在未来的煤矿，我们将不再看到满面煤灰的煤矿工人们，替代他们的将是一批智能化的机器人矿工。到那时，我国煤矿生产将最大限度地解除各类安全隐患，节省成本，提高效率。
参考文献：
［１］蒋新松．机器人的历史发展及社会影响评价［Ｊ］．中国科学院院刊，１９８６（３）
［２］郝雪弟，纪伟亮，景新平等．基于机器人化掘支锚联合机组的折叠式钻车钻臂工作空间分析［Ｊ］．中国煤炭，２０１８（９）
论文作者:张玉强
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第13期
论文发表时间:2019/12/5
标签：机器人论文; 煤矿论文; 系统论文; 井下论文; 环境论文; 电机论文; 作业论文; 《建筑细部》2019年第13期论文;