煤矿智能机器人发展与应用

煤矿智能机器人发展与应用

徐闯

中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039

摘要：矿山智慧化建设是基于传统数字矿山基础，将物联网、多机器人、GIS系统等高端技术实施融合，形成集自决策、自控制、感知互联于一体的智慧化矿山系统。其中，矿山巡检作为矿山生产中最重要的一部分，有着重要意义。若巡检出现偏差，会直接影响矿山的生产进度，同时会造成不可预估的损失，机器人的提出，能够代替人工完成矿山巡检。但是该过程中会耗费大量的功率能耗，因此对巡检多机器人开展必要的低能耗控制，成为当前绿色智慧矿山建设的重要组成部分。但是，以上方法都是针对单一机器人的能耗控制策略，考虑到矿井内复杂的地理情况，针对机器人的联合控制所消耗的能量较多，需要进一步完善。为解决上述机器人低能耗控制过程中存在的问题，以工业物联网为基础，设计煤矿机器人低能耗控制方法。基于此，本篇文章对煤矿智能机器人发展与应用进行研究，以供参考。

关键词：煤矿；智能机器人；发展分析；应用分析

引言

在实际开采过程中，为保证生产的高效顺利，一些复杂生产环节仍需要人工干预。煤矿井下环境艰苦，一线综采工作面有许多不确定的自然灾害，因此，现代化煤矿的目标是实现综采工作面的无人化与智能化。采煤工作面直线度问题一直是阻碍无人化发展的重要难题，传统煤矿进行一段采煤时间后，需人工调直液压支架，效率较低。目前，我国煤矿多为地下矿井，占矿井总量的95%以上。地下矿井瓦斯爆炸、冒顶等自然灾害频发。由于现有矿井自动化程度不高，再加上井下环境异常复杂，导致矿难事故发生后人工救援困难。因此，利用机器人开展煤矿救援具有诸多优点，同时煤矿救援机器人技术是目前煤矿作业自动化领域内研究的重点方向。本文将研究机器人的采煤工作面直线度测量、障碍躲避的控制技术，设计机器人的自动控制系统，实现采煤工作面的无人化值守，利用机器人检测整个液压支架群的直线度，员工在调度室即可远程控制与监视设备。

1国内工业机器人发展概况

工业机器人在降低生产成本、减轻劳动强度、提高安全等方面具有明显的优势。我国是全球最大的工业生产强国，对工业机器人的需求与市场拓展有着越来越迫切的需求。20世纪70年代，我国一直致力于工业机器人的研究与应用，以求占有一席之地。在七个五年规划中，我们把重点放在了电子、智能、机械、基础元器件、工业机器人等方面，探索出一条符合中国特点的机器人产业发展新道路。90年代，我国的工业机器人已经逐渐步入了生产和使用的阶段。自21世纪起，我国工业机器人的需求量迅速增加，年均增长15%~20%，主要用于汽车装配，包括焊接、检测、装配、搬运、打磨、抛光等。在技术上，我们的机器人和美国、日本还有很大的差距，但在某些方面，我们已经超过了他们。尤其是我国在量子技术研究和应用方面，已经形成了较为完善的技术体系，在目前的工业机器人研究中处于领先地位。

2机器人结构

煤矿井下作业环境相对复杂，障碍点较多，待检设备之间距离较远且地势起伏较大。机器人行进过程应保持平稳，对行走机构的地面附着性能以及越障能力有较高的要求。因而采用履带式行走机器人来完成井下设备的巡检工作。机器人主要由本体、采集部和通信部所组成。本体负责支撑机器人的驱动与能源供给，通过采集部的工业相机、激光雷达等设备来收集运行数据，并由通信部完成信息的传递，最终完成巡检工作。

3煤矿智能机器人发展与应用分析

3.1控制器软件设计

本系统设计的软件基于STM32进行开发，设计的软件主要功能包括传感器的信号采集、摄像头图像的拍摄、电机信号的控制以及数据的通讯传输功能。软件整体采用模块化编程思想，根据不同的子功能，编制不同的子程序。机器人放在第一架液压支架平行板上，软件开始执行自检程序，检查传感器与通讯等功能正常，执行直线度测量程序，并沿着液压支架行走，当检测到最后一架液压支架时，测量结束，机器人自动返回。

3.2控制器硬件设计

3.2.1主控制器模块

主控制器采用NVIDIA的JetsonNano开发套件，总体尺寸为69mm×45mm，采用4核Quad-coreARMA57微处理器的CPU，采用NVIDIA研发的128-coreMaxwell作为GPU，使用4GB64-bitLPDDR425.6GB/s的内存。板载2路CSI摄像头接口、4个USB3.0接口和一个MicroUSB接口，提供外接GPIO口、两个I2C接口、两个UART接口和两个SPI接口。JetsonNano是业内先进的AI计算平台，支持多种深度学习框架，如TensorFlow、PyTorch、Caffe、Keras、MXNet等，可实现图像分类、目标检测、语义分割和智能分析等功能，可用于构建自主机器人和复杂人工智能系统。同时具有低功耗和并行处理快速的优势，可以并行处理多个传感器并在每个传感器上运行多个现代神经网络。JetsonNano搭载Ubuntu18.04系统，支持Melodic版本的ROS系统，可实现井下机器人的同步定位与建图功能和自主导航功能。采用电源模块输出的5V电压为主控制器JetsonNano供电，通过串口通信模块和运动模块相连实现运动指令的下发和里程计信息的获取，通过USB接口连接感知模块的摄像头和激光雷达实时获取环境信息。

3.2.2电机驱动模块

电机驱动模块选用东芝半导体公司生产的TB6612电机驱动元件，TB6612电机驱动模块的工作温度为-20℃～85℃，具有两路最高频率为100kHz、最高电流为1.2A直流电流的PWM波输出，可同时驱动两路直流电机实现正转、反转和急停功能。相比于常用的L298N电机驱动模块散热性能更好，进行电路设计时不需设计额外的散热元件。电机选择带有高精度编码器的12V直流减速电机。直流减速电机通过在直流电机外加装一套齿轮通过齿轮线速度的变化，实现在低转速时为车轮提供较大力矩。高精度光电编码器通过光电装置实时测量车轮的实时转速数据，通过运动学公式计算得到机器人的里程计信息。

3.3无线通讯设计

井下环境复杂，有线通讯布线麻烦，成本高，后期使用过程中容易损坏电缆，导致与设备通讯中断，并且工作面存在许多电缆无法到达的地方。采煤工作面的电气设备较多，电机电流信号与环境的噪声较大，会产生严重的电磁信号，导致无线通讯信号易受到干扰，影响数据的实时传输。因此，本系统采用有线与无线结合的通讯方式，其中，无线通讯采用WIFI与蓝牙两种通讯。为了提高无线传输效率，蓝牙通讯采用最新的BLE5.0协议，理论传输距离可达300m，实测井下超过30m，大大降低了蓝牙的传输速率，蓝牙传输适用于移动终端的短距离信号传输。调度室上位机与控制器之间的无线通讯通过WIFI模块完成，为了保证信号传输的强度，在液压支架上布置WIFI信号的中转模块。蓝牙选用高性能、低功耗的DX-BT20，WIFI模块选用ESP8266型号。

结束语

通过分析煤矿机器人要求，在最优路径长度、搜索用时、能耗等多项评价指标中，均有良好的表现，表明了基于煤矿机器人路径规划方法的合理性与可行性，可以作为机器人及相关设备路径规划研究的参考。

参考文献

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作者简介：徐闯（1982-），男，工程师，现就职于中煤科工集团重庆研究院有限公司，主要从事煤矿安全监控系统研究工作。