基于无人机技术的煤矿带式输送机巡检方案

李 标

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京100013；2.煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京100013）

在矿山的安全生产中，带式输送机的巡检方式主要以人工徒步巡检为主，人工巡检方式主要依靠巡检人员完成对带式输送机定时、定点的监测，通过其工作经验与主观感知对带式输送机运行状态做出判断。那么这种方式也存在许多问题，一方面带式输送机测点多、工作量大，往往会出现漏检，误检等现象；另一方面带式输送机运行时，巡检人员无法对带式输送机上面做检查，对一些隐患无法给出即时的处理。同时传统人工巡检的方式工作强度大，可靠性不高，人力劳动成本大，难以满足现代化矿山的发展需要。随着带式输送机故障监测向着智能化、无人化的发展，如何为远距离带式输送机设计一种自动巡检的监测装置，如何利用先进的技术准确监测带式输送机的工作情况，减少人工巡检的负担，保障工人安全，成为当前重要的研究课题[1]。

1 带式输送机运输系统无人机巡检总体方案

带式输送机无人机巡检系统适用于煤矿井下，具有非GPS 导航功能，能够自主寻位和避障，可以在带式输送机沿线按规划路径自主或遥控飞行。无人机巡检时，可对带式输送机定点悬停拍摄，并将照片或视频信息通过无线网络，回传至管理平台，若中途故障，可给出报警提示[2]，方便管理人员确认现场情况及管理。同时，无人机能够往返沿线布置的充电桩，并自动充电，减少管理人员工作量[3]。

2 无人机结构和工作原理

2.1 无人机结构

无人机采用四旋翼垂直起落飞行器方案。四旋翼与六旋翼和八旋翼相比，机械臂少，维护和安全处理减少；在飞行可靠性方面不占优，但是在气动效率上和结构上均有优点，在续航时间上，四旋翼比六旋翼和八旋翼均大20%～30%的续航时间，为满足井下远距离的巡检任务，因此考虑结构较为简单，续航时间较长的四旋翼飞行器机体方案，采用全封闭设计，适应煤矿井下防尘，防爆，防湿，防腐的工作环境需求。4 个半径相同的旋翼，以同一水平，分别布置在无人机的前后左右4 个方向。机身中间位置安装飞行控制器，4 个旋翼分别由4 个电机驱动，均匀分布在无人机支架段。

2.2 无人机工作原理

四旋翼无人机要实现不同的运动方式，则需要通过控制4 个电机的转速，从而实现旋翼的速度变化，来实现对无人机运行姿态和位置的变化。无人机有6 个状态的运动输出，即六自由度无人机，同时无人机又称为欠驱动系统。无人机工作原理示意图如图1。

图1 无人机工作原理示意图Fig.1 Operation principle of UAV

当四旋翼无人机的旋翼1 和旋翼3 沿逆时针旋转，旋翼2 和旋翼4 沿顺时针方向旋转，那么当无人机的力矩达到平衡时，空气动力及陀螺仪效应均被抵消。在图1 中，旋翼1 和旋翼3 沿逆时针方向旋转，旋翼2 和旋翼4 沿顺时针旋转，规定正向运动为沿着x 轴正方向飞行，旋翼上方向上的剪头代表此处旋翼转速提高，旋翼上方的剪头方向向下，则代表此处旋翼转速下降。那么根据旋翼1 和旋翼3 的不同旋转方式以及转速的快慢，来提高无人机在煤矿井下飞行过程中的灵活性，可分为：垂直运动、仰俯运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、倾向运动6个自由度[4]。

3 无人机导航

无人机的高精度定位与自主导航是实现无人机自主飞行的关键因素，由于煤矿井下无GPS 信号，且巷道空间狭小，障碍物较多、风尘大、光线昏暗等问题，因此在导航部分采用UWB 精确定位技术与光流导航技术相结合。

1）UWB 精确定位技术。通过UWB 定位系统做无人机矿井定位导航，准确引导无人机飞行，在矿井里工作。UWB 定位系统，需要在矿井内部布置定位坐标，搭建UWB 定位系统网络和后台服务系统，为无人机提供实时准确的定位信息。

2）光流导航技术。采用视觉识别导引无人机循迹飞行，循迹线类似于特征点编码，由摄像头采集视频信号后，导引无人机按固定路线，固定速度稳定飞行。循迹线使用混合彩色荧光剂油漆，在带式输送机沿线机架描绘导引线段，无人机安装大功率紫外灯，对导引线进行照射，导引线段被动发光变为可识别的光带[5]。

4 无人机避障

目前无人机主流的避障方式有：超声波避障、基于单目或双目的机器视觉避障、激光雷达避障，设计采用超声波避障和双目立体视觉的避障方式。

4.1 超声波探测

无人机在执行路径飞行时，如遇到前方有障碍物，超声波探头可以在1～2 m 处探测到障碍物距离，并传给飞控，飞控控制无人机刹车并悬停一定时间，如障碍物没有位移，飞控指引无人机左右移动一定距离侧向飞行，如障碍物消除则指引无人机继续前行，并沿原设定路径飞行。

超声波探测原理主要依靠时间测距法，已知超声波在空气传播介质中的速度为340 m/s，在超声波发射的时候进行计时，遇到障碍物进行反射，当接收装置接收到超声波信号时，计时立即停止，根据时间t 就可以得出距障碍物的距离信息。超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、受环境影响比较小、使用场合与被测量物体不需要直接接触的优点。超声波测距示意图如图2。

图2 超声波测距示意图Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic distance measurement

4.2 双目视觉避障

通过双目视觉摄像头，获取视觉图像，再通过算法实现特征点提取，最终获得特征点的图像坐标，再通过双目视觉实现对图像深度的空间几何参数提取，以及空间位置姿态的精确计算，建立视觉范围里的3D 空间信息[6]。采用双摄像头组建双目视觉，更加准确的建立3D 空间，并且得到深度信息，建立立体视觉，通过SLAM 算法，主动计算出视觉范围里的场景，从而获取是否有障碍物，及障碍物的距离。引导无人机飞行和避障[7]。

双目视觉SLAM 分为前端（视觉里程设计V0），和后端，前端只要研究帧与帧的变换关系，通过对图像特征点的提取，然后进行特征点的匹配，最后利用RANSAC 算法去掉大噪声[8]，通过匹配方法得到1 个位置和姿态的信息，再结合INS 系统中的IMU惯性测量单元，对无人机姿态信息进行滤波融合。

后端的主要作用是利用滤波理论或者优化理论，或者图的优化，对前端做出的结果进行再次优化处理，从而获得最优位姿估计[9]。

5 充电桩

以神东公司上湾煤矿402 巷道工作面6 km 带式输送机为例，沿线布置4 台充电装置，每个充电装置放1 台无人机，无人机巡检往返路程1.5 km，保证无人机的续航时间。充电桩示意图如图3。

图3 充电桩示意图Fig.3 Schematic diagram of charging pile

充电桩为无人机充电，充电时间≤4 h。充电桩具有防护罩，封闭充电环境，同时，充电桩具有定位模块和充电口自动寻找装置，方便无人机寻位，及充电口对接。充电时，无人机定位充电桩，到达附近后，充电桩打开防护罩，无人机落入，然后关闭防护罩。减速电机控制充电轴360°旋转，寻找无人机位置；步进电机控制充电滑块沿丝杆滑动，寻找无人机充电口。充电口为电磁铁，无人机落入后通电，在充电轴扫描中，两充电口靠近时，因磁力自动吸合，开始充电。充电完毕后，电磁铁通反向电压，磁极反向，充电口脱离，停止充电，待无人机起飞时，打开防护罩，起飞后关闭[10]。

6 无人机飞行方案

无人机接收WIFI 起飞指令后，无人机开机，电机带动螺旋桨旋转起飞，同时超声波探头和摄像头采集数据，视觉识别荧光带方向。超声波探测到距离巷道顶部的距离，指引飞行器起飞达到距巷道顶部的指定距离，视觉识别指引无人机机头对准导引亮带，向前飞行。飞行时视觉识别每个亮带的节距，计算飞行距离及速度，并自动避障，同时无人机根据电压及最近充电桩距离，逻辑判断是否需要充电。无人机通过WIFI 网络与控制系统交换数据，指引在目的位置悬停拍摄，并将图像数据返回控制系统。巡检结束后，返回充电桩充电，等待下次任务。

无人机能够按照预先设定的路径飞行，实现自动导航、自主飞行。无人机亦可以通过遥控飞行，接收不到遥控信号，则自动改为自主飞行模式，保证无人机飞行安全。

7 结 语

无人机的巡检在各行各业已广泛卡站，在煤矿井下的应用尚属首例。无人机巡检通过搭载不同的检测传感器及网络摄像机，可以实时高效的检测带式输送机沿线的环境参数，以及通过视频分析检测是否有异物，大块煤，是否有人违规操作等，最终将检测数据通过WIFI 信号传输至监管平台，提高了对带式输送机检测的效率，减少了工人的劳动强度，无人机样机已在神东公司上湾煤矿402 工作面已完成试飞，试飞效果基本达到预期目标。