煤矿救援机器人功能实现要素及未来研究方向

贾 媛

(山西煤炭进出口集团科技发展有限公司，山西 太原 030006)

矿井事故发生后，原有巷道地质条件遭到破坏，顶板垮塌，设备散落，地形复杂多变；现场温度高，充满粉尘、爆炸性气体及有害气体，存在二次爆炸风险。若直接派遣人力救援，种种不确定因素将为救援安全带来隐患。因此，运用救援机器人代替救援人员第一时间进入现场，探测井下巷道破坏程度、有毒气体含量、被困人员位置等信息，对提高救援效率，把握黄金救援时间，减少二次损伤意义重大。

救援机器人一般由机械结构、驱动电机、感应识别单元、信号传输单元、数据处理系统、执行系统组成。为实现煤矿救援目标任务，救援机器人需要具备环境建模、路径决策、数据传输等基本功能以及防爆性能。

1 煤矿救援机器人功能实现要素

1.1 环境建模

作为救援“先遣队”，获取现场环境信息是救援机器人的一项重要任务，也是作出后续救援决策的基础。机器人需不断通过传感装置探测周边环境信息，包括气体参数、温湿度、障碍物位置等，建立起环境场模型。气体分析传感仪、温湿度传感器已发展成熟，当前研究重点主要为探测障碍物位置，建立环境场模型。常见建模技术包括超声波扫描传感技术、激光扫描传感技术和视觉传感技术。

1.1.1超声波扫描传感技术

基于超声波反射原理，超声波遇静止障碍物形成反射回波，遇移动障碍物产生多普勒效应，通过测量超声波发射和反射之间的时间差计算障碍物距离。超声波扫描技术具有探测快、安装简易、成本低、质量轻[1]的特点，但声波传播时呈现锥形，无法做到垂直辐射障碍物，因此会导致测量误差较大[2].

1.1.2激光扫描传感技术

激光扫描传感技术通过光反射原理获取机器人与障碍物距离信息。现激光扫描设备有二维扫描和三维扫描两种，二维扫描通过平面光反射条获取单个平面物理信息，三维扫描则在二维扫描基础上转动扫描平面，实现第三空间方向上的扫描，因此三维扫描技术较二维扫描成本更高。激光扫描传感数据量小，且不受井下光照环境影响，技术发展成熟，现已广泛应用于室内移动机器人、无人车驾驶中[3].

1.1.3视觉传感技术

视觉传感是对同一场景通过两个或多个视点进行观察，获得不同视点在其对应视角下的一组图像，之后，通过三角测量原理计算不同图像中对应像素间的视差，获得场景中目标的空间位置[2].

煤矿应用中，视觉传感技术面临的主要问题是井下照度低、粉尘多，导致传输画面质量差，因此必须通过去噪、图像增强等后期图像处理方法提高图像信息质量，如基于深度图像的点云图三维建模、遗传算法、神经网络计算等。图像数据处理时耗长，有可能造成后续命令延迟，因此数据处理速度也是衡量机器人性能的一项重要指标。

为提高环境探测精度和效率，结合图像视觉分析、激光测距、超声波测距、红外线感应、雷达定位、碰撞感应等的多传感器融合技术将是未来环境建模研究的主要方向。

1.2 路径决策

路径决策分为被动与主动两种方式，被动决策即操作人员远程控制，主动决策即机器人自行分析数据进行自主决策。

1.2.1远程控制

远程控制即机器人无自主分析、决策能力，上位机采集机器人传感器数据进行后台分析，操作人员根据上位机处理信息对机器人直接发出控制命令，使其按要求作出动作。

1.2.2自主决策

远程控制高度依赖操作人员的时间投入和决策经验，为将操作人员的精力投入到更高层面决策中，同时避免误操作，需要开发机器人自主决策能力，即智能性。机器人自主决策一般分为两步：1) 根据已知地图信息计算出一条从起点到目的地的最优无碰撞路径。2) 根据该路径行进过程中，对未记录的障碍物进行探测和躲避，动态修正已知地图信息[4].

针对环境不确定性，西安科技大学进行了基于虚拟现实的救援机器人远程控制技术研究[5]. 该研究首先以巷道图纸为基础作为已知地图信息，设置原始地图数据库，建立包含虚拟巷道与虚拟机器人模型的机器人远程控制仿真系统。通过机器人传感器(如超声波传感器、激光测距仪、倾角仪、摄像头等)以及碰撞检测所得数据，得出井下机器人在巷道所在位置及旋转角度；确定位置后，针对原始巷道形变，机器人不断将传感器信息传回虚拟仿真及控制平台，获得遮挡物位置，对原始地图数据库进行实时动态修正。上述过程称为定位与地图创建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)[4]，是机器人实现自主决策的关键步骤。

依据以上信息，调整仿真系统中虚拟机器人的位置和状态，使其与井下机器人一致。系统以虚拟机器人为分析对象，根据其所处环境及自身姿态进行运动轨迹仿真，并根据仿真结果不断修正决策，从而决定实体机器人路径规划，这种方法也称为动态路径规划[6]，基于虚拟现实的救援机器人路径决策方式见图1.

图1 基于虚拟现实的救援机器人路径决策流程图

在实际应用中，为提高救援机动性和灵活性，可以将远程控制与自主决策结合，形成人机协作，即操作人员可通过仿真界面观察救援机器人行进状态，并做出指令进行人工干预。中国矿业大学提出了人机协作混合控制体系，系统按照控制方式分为3种：直接控制、共享控制和监督控制[2].

1) 直接控制。等同于远程控制，机器人完全按操作人员指令动作。

2) 共享控制。操作人员发出总路径规划指令，机器人以总指令为行为准则，根据自身感知结果进行决策，机器人有一定的智能性。

3) 监督控制。机器人将感知信息传输到仿真系统中进行路径规划，并在执行过程中根据实际情况修正仿真模型，操作人员仅起监督和人工干预作用，机器人有更高层面的智能性。

1.3 数据传输

为上传感应数据、下达决策命令，数据传输是救援机器人能否实现其设计功能的基础之一。数据传输方式分有线、无线两种，其中无线包括WiFi、Zigbee、蓝牙、LoRa等，各个无线通信的传输特性见表1[7]. 基于无线通信无需布线、建网便捷、扩展性强的特点，大多选择无线通信。

表1 无线通信传输特性对比表

可见WiFi通信速率高，适用于大容量、高质量数据传输，如图像数据，其通信距离略微制约其应用；LoRa通信速率较低，通信距离覆盖广，同时功耗低，适用于对传输速率要求不高的情景，如煤矿数据监测；Zigbee主要性能介于LoRa与WiFi之间；蓝牙通信速率低、传输距离短，不适宜用于工程救援中；因后两种技术较WiFi与LoRa并无优势，暂不进行讨论。

中国矿业大学提出无线有线相结合的混合以太网通讯系统，该系统以光纤为主要通信介质，辅以无线中继模块，通过多台机器人搭建长距离范围的通讯系统[2]. 每台机器人搭载1 000 m光缆，光缆两端端头有WiFi无线模块，多台机器人共同行进，1号机器人逐渐释放电缆直至末端，此时1号机器人停止行进，2号机器人继续行进并开始放缆，两段电缆的无线模块自动连接，如此，N台机器人可以搭建1 000×N m的通信网络。此方案特点是数据抗干扰性强、传输速率高、通信距离长，但依赖机器人数量，系统整体能耗高、成本高。

西安科技大学提出一种煤矿井下应急救援无线通信网络搭建系统，即当井下机器人检测到网络通讯不畅、信号弱时，将储存在机器人内部的多个嵌入通信电子元件的无线中继器推出，作为新增通信点，在通信主机与机器人之间搭建通信线路，实现信号恢复和增强[5].

基于LoRa技术传输距离远、功耗低的特点，LoRa多应用于物联网、智慧农业、数据抄表中，在机器人领域应用较少。东南大学以LoRa为通讯媒介，结合无线图传模块设计了一款影音实时传输搜救机器人，达到实时传输环境参数和位置参数的目的[8]. 该方案已成功实现，但未见试验结果，因此该技术在救援机器人中的应用仍待进一步观察。

1.4 防爆性能

防爆性能是煤矿救援机器人能否投入井下应用的一项重要指标，通过借鉴传统矿用机电设备防爆设计，加设隔爆外壳可以满足防爆性能。隔爆外壳是指能承受渗入到外壳内部可燃性气体混合物的爆炸压力，并阻止内部的爆炸向外壳周围可燃性混合物传播，同时也不会造成机器人自身损坏的电气设备外壳[9]. 救援机器人一般由其携带的电池供电，机器人体积小、重量轻，则所需电池容量小；若加设普通防爆外壳，其体积和重量又会增大工作功率，耗电量增大，所需电池容量大，大容量电池本身的体积和重量再次加剧耗电量，形成容量和耗电量互为矛盾的现象。为解决上述问题，可以从外壳材料轻量化[10]、防爆结构简易化[11]两方面研究。

1.4.1外壳材料轻量化

从外壳材料轻量化角度进行探索，可以研究应用碳纤维、钛合金等，取代当前钢铁材料，兼具防爆及轻量性能，目前喷涂机器人已部分使用碳纤维达到减轻质量的目的；或采用传统轻量材料并辅以表面处理，提高表面阻燃、抗压和抗静电性。具体应用过程中需考虑不同材料特性以及成本投入问题，可采用一体化结构设计减少用料。

1.4.2防爆结构简易化

中国矿业大学从理论上进行了煤矿救援机器人防爆创新设计探讨，提出简化防爆结构和短时防爆技术两项措施减轻机器人重量[11]. 简化防爆结构即井下救援时，一般不会对机器人进行拆装和维修，因此认为可省略隔爆电机接线腔；短时防爆技术即在机器人工作时长内，保证其隔爆腔内爆炸气体浓度低于爆炸下限即可。此方案仅从理论上进行研究，未进行试验检验，同时还需考虑其对当前防爆标准和煤矿安全标准的响应问题。

与救援机器人工作环境相似的喷漆机器人现已配备经反复修订的行业标准JB/T 9182—2014《喷漆机器人通用技术条件》，可为煤矿救援机器人提供技术及标准层面的借鉴。

2 其他发展方向

2.1 模块化设计

实际救援中，复杂地质环境需要救援机器人频繁进行越障工作，且二次垮塌、爆炸、遇水短路等隐患使机器人面临不可避免的破坏，一旦机器人停止工作，将直接导致救援工作失败，前期投入尽弃。国外两起应用先例中，美国Sago煤矿救援机器人行进过程中陷入泥潭导致救援工作停止[12]，新西兰救援机器人在井下途径水面发生短路无法继续行进，因早期机器人体型庞大，在救援行动失败后就被遗弃在井下[13].

因此，救援机器人系统的容错能力与故障处理能力成为救援能否成功的关键因素之一，模块化设计[14，15]成为救援机器人的又一发展方向。一方面，模块化设计可以实现软硬件模块可拆卸可替换性，实现搭载模块即插即用，节约成本的同时促进功能多样化发展；另一方面，从产品市场化角度出发，通过模块化设计，规范机器人的规格型号与制造标准，统一接口，实现救援机器人批量生产，打破行业发展壁垒。

2.2 无人机应用

目前，救援机器人机械部分多为履带式、足式、轮式等，随着无人机在各领域的应用，煤矿救援机器人多样化发展有了新思路。2016年中航鹰航空技术(北京)有限公司研制的全球首款防爆无人机—赤鸢，采用航天专用金属材料和大容量防爆专用电池，实现了防爆性能，其内置高清摄像头及红外热像仪可实时传输现场画面，并且拥有自主避障飞行、人工操控双模式控制系统。

淮北矿业股份有限公司提出理论上可以将该防爆无人机用于煤矿井下救援中，发挥其自主避障技术和对起降所需环境要求低的优势[16]. 但井下救援除了获取图像数据，还需对气体参数、温度等环境信息进行检测，因此未来可以在应用试验中丰富无人机传感装置，对其救援性能进行检测。

3 结 语

为消除制约煤矿救援机器人发展的瓶颈，高校与企业进行了大量探索研究，但大多处于理论研究与室内仿真阶段，并未在模拟煤矿环境中进行测试，因此距离投入实际应用仍有一段距离。精确高效的环境建模技术、自主智能的路径决策技术和稳定快速的数据传输技术直接决定了救援机器人的性能优良，防爆性能满足程度则决定了救援机器人能否获得市场应用准入许可，因此需要不断加强关键技术领域的研究，进行多样化探索，加快煤矿救援机器人投入实践应用的发展进程。