煤矿井下巡检机器人自主控制系统的研究

周密林

（中国煤炭科工集团山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原 030006）

引言

随着煤矿井下掘进技术的不断发展，井下掘进深度和效率不断提升，现代煤矿井下的巷道分布和综采机械设备的分布日趋复杂。为了确保各类综采设备的正常使用，通常在井下设置专门的巡查人员，定期对各设备的运行状态和参数进行监测和控制，但该方案不仅需要投入大量的设备维护人员，而且效率低下，无法对设备的运行状态进行连续监测，已经无法适应井下快速掘进、自动化设备大量应用的现状[1]，因此本文结合井下的实际情况，提出了一种煤矿井下巡检机器人自主控制系统。

1 巡检机器人自主控制系统结构（见图1）

由于煤矿井下地质条件复杂，巷道内具有较多的设备和管线，而且在实际工作过程中巡检机器人可能会面临各种不确定因素，因此仅依靠传统的巡检机器人的机械控制系统无法做到对各类突发异常的处理，而且也不利于监控人员在地面上对井下设备运行情况进行检测，综合多种需求和实际情况，本文提出了一种具有自主控制和远程监测结果的巡检机器人自主控制系统[3]。该自主控制系统主要包括监控层、通讯层和控制层三个部分，监控层主要包括远程无线信号发射系统及监控主机，用于监控人通过巡检机器人上的监控装置对井下各设备的运行状况进行监测，同时通过无线电信号实现对井下巡检机器人的远程交互控制，控制层则主要是指巡检机器人上的各类控制电机，系统在接收到控制人员下达的控制指令后便控制各类机构实现对巡检机器人运行状态的调节，从而使机器人更好地适应井下复杂的地质环境，更快地完成井下巡检作业。

2 巡检机器人自主控制系统的无线传输方案

图1 井下巡检机器人自主控制系统结构示意图

煤矿巷道地质条件复杂，传统的采用有线控制的方式不仅需要大量的电缆而且其运行范围受到了极大的限制，在运行过程中巡检机器人的电缆极易出现缠绕或者破损，影响巡检机器人的正常使用，因此本文提出了该巡检机器人采用无线传输的方案。考虑到煤矿井下电气设备多、电磁干扰严重而且无线信号作用距离较小，本文提出了在井下设置多组无线信号发射装置的方案，但考虑到多点设置需要花费大量的资金，而且施工周期较长，提出了在现有的井下通讯系统基础上进行改造，使其具有发射无线信号的功能，既节约了资金又能有效保持无线电信号的可靠性，其结构如下页图2 所示[4]。

同时巡检机器人的控制系统还具有对不同区域无线信号的判别功能，根据所接收到的无线信号的不同自动判别自身所处的区域，便于控制人员能够及时准确掌握机器人在井下的运行位置。

3 巡检机器人自主控制系统的应用

为了对该井下巡检机器人自主控制系统的实际应用效果进行分析，本文采用井下巡检机器人对视频控制和自主控制系统进行升级后，将其放置到煤矿井下巷道内，对其自主工作情况进行现场验证，井下巷道内的试验验证如下页图3 所示。

图2 井下无线电基站结构示意图

图3 巡检机器人自主监控画面

根据在煤矿井下巷道内的实际验证表明，该巡检机器人在井下对复杂地形表现出了良好的适应性，能够根据井下的实际情况规划路径，躲避障碍，最大能够跨域斜度为25°的障碍物，最大的跨域台阶高度为237 mm，最大的跨域壕沟的宽度约为770 mm，能够满足井下巷道内绝大多数地质条件下的通行要求。无线通信系统稳定性高、抗干扰能力强，监控信号传输质量高、画面流畅，在2 km 范围内的画面滞后仅0.2 s，完全满足长距离控制的要求。

4 结论

针对煤矿井下巷道内的设备多而且分散，多数煤矿采用在井下安排专门的巡检人员对设备和线路的工作状态进行定期巡检，存在效率低下、危险性高的缺陷，本文提出了一种新的煤矿井下巡检机器人自主控制系统，采用无线传输控制和自主路径规划方案，不仅取消了井下巡检人员设置，极大提升了井下巡查的效率和准确性，而且克服了传统的有线控制机器人控制范围小，易被缠绕的难题，根据实际应用表明：

1）该自主控制系统主要包括监控层、通讯层和控制层三个部分，利用设置在机器人上的监控设备对井下设备的运行状态进行监测，通过无线传输通讯系统将监测信息传输到地面上的监控中心，控制人员通过控制层可以对巡检机器人的运行进行远程控制；

2）采用对井下现有通讯系统改造的方式，使其具有发射无线信号的功能，既节约了资金又能有效保持无线电信号的可靠性。

3）该巡检机器人在井下对复杂地形表现出了良好的适应性，能够根据井下的实际情况规划路径，躲避障碍，满足井下巷道内绝大多数地质条件下的通行要求。无线通信系统稳定性高、抗干扰能力强，监控信号传输质量高、画面流畅，在2 km 范围内的画面滞后仅0.2 s，完全满足长距离控制的要求。