张家峁煤矿回风巷道智能巡检机器人系统

毛 浩，薛忠新，范生军，赵红菊

（1.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西 榆林 719000；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122;3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

矿井一旦发生火灾、瓦斯爆炸，灾变气体产物、细小颗粒在负压作用下随风蔓延，最终经过主要回风巷、总回风巷至风井排至地面。据统计，回风侧6%的人员因片帮冒顶、水煤气爆炸、单纯性窒息等因素伤亡，高达90%的伤亡是化学性中毒致死，回风巷道的合理化监测直接反映出煤矿气体、风速的实际状态，对指导煤矿的安全生产，揭示潜在安全问题具有重要的意义。

回风巷道现有巡检方式是采用人工巡检方式，巡检人员依靠人力往返于回风巷道之间，检查回风巷道的环境状态。回风巷道距离较长，部分回风巷道甚至达到5 km以上，同时，作业环境较为复杂，可见度较低。巡检人员依靠“看、听、闻、测”的传统方式对回风巷道进行巡检，效率低、实时性差、工人劳动强度大。另一方面，回风巷道检测工作繁琐，难以快速通过人工感官和经验判断排出故障。随着我国智慧矿山建设的不断发展及各大矿企“减人增效”的要求不断提高，如何利用先进的智能化巡检装备对回风巷道进行实时监控，如何从根本上减少煤矿人员数量，提高工作效率，保障工人安全，成为当前重要的研究课题[1-4]。

1 巡检机器人系统

智能巡检机器人系统适用于煤矿井下的长距离巷道巡检。该系统采用了拖拽式钢丝绳牵引结构，其组成包括驱动执行系统、自动充电系统、巡检机器人、风门系统和主控制系统。在机电泵房内的机头处布置整机的驱动结构，用于动力传递；在回风巷道内的机尾部位由单个大定向滑轮实现巡检机器人的回转；在巡检轨道内部两侧布置多个小定向滑轮，用于固定钢丝绳；机器人内部放置本安型电池，实现内部传感器的能源供电。同时，巡检机器人搭载了风速传感器、断面扫描仪及多参数传感器等多种传感器，用于巷道内部环境实时检测。

巡检机器人系统原理如图1。主控制系统作为整个系统的核心，用于控制及监测巡检机器人运动状态，实现与驱动执行系统、自主充电系统、风门系统及巡检机器人相互间的即时控制指令和数据传输。巡检机器人采用wifi无线通讯方式，经由本安无线路由及交换机实时将巡检现场的图像、声音及多种气体浓度参数等信息传输给地面监控中心，实现了设备运行工况检测、巷道变形监测、气体浓度等环境感知、数据处理与预警及人机交互功能。通过数据分析可以为工作人员提供设备工作状态；通过历史曲线可以提高设备的预知性，为状态检修或状态评估提供有效数据支持，从而减少事故的发生。

图1 巡检机器人系统原理框图Fig.1 Principle block diagram of inspection robot system

1）智能巡检机器人。智能巡检机器人整机结构采用集成化设计[5-6]。智能巡检机器人吊挂于绳索上，在上壳体内布置前摄像仪、侧摄像仪及发射天线，前摄像仪和侧摄像仪能够调节拍摄角度，实现对矿井环境的可视化信息的准确采集。各传感器及摄像仪采集到的数据信息通过发射天线传递给地面监控中心，实现和矿井的4G通信基站及WiFi通信基站的数据互传。在下壳体内部前端安装有风速传感器、断面扫描仪、激光发射器、粉尘传感器等主要传感器；下壳体内部后端放置智能终端和本安电池，电池左侧放置无线充电接收线圈。巡检机器人外形如图2。

图2 巡检机器人整体外形结构Fig.2 Overall configuration of inspection robot

2）驱动执行系统。驱动系统采用架空式安装，将钢丝绳安装在驱动轮和迂回轮上，中间用托绳轮、压绳轮等将其定位，并经张紧装置将钢丝绳拉紧。巡检机器人工作时由电动机通过联轴器带动减速机旋转，减速机带动驱动轮，使缠绕在驱动轮和迂回轮之间的钢丝绳作循环运行或上下往复运行。机器人先与抱索器连接，然后抱索器锁紧在运行的钢丝绳上，从而实现巡检机器人行走的目的。

3）过风门结构。考虑到煤矿安全规程要求，回风巷道内不允许放置防爆型电气设备，因此，设计主驱动在机电泵房内，通过钢丝绳牵引的方式，完成回风巷道内部机器人的往复运动，过风门结构如图3。巡检机器人工作时，需要穿过风门完成驱动电源的更换及必要的数据通信，同时，钢丝绳也需要穿过风门完成巡检机器人的牵引，所以在风门的两侧分别布置了2个单扇叶的风窗。这个风窗在正常使用过程中，需要开启一定的角度，保证钢丝绳能够穿过风窗，完成机器人的牵引和驱动。在风窗前后的适当位置布置光电检测开关，当机器人运行到开关位置时，控制风窗进行相应的开启和关闭动作，实现巡检机器人在回风巷道及机电泵房之间的顺利通行。根据巡检机器人系统的控制策略，对巡检机器人穿过双风窗的运行状态进行了研究，当巡检机器人到达指定开窗位置，光电开关检测有效之后，控制系统首先确认风窗2是否处于关闭状态，当风窗2处于关闭状态之后，风窗1能够开启，巡检机器人通过风窗1，到达风窗2的开窗位置处，完成风窗2的开启及闭合动作，风窗控制流程图如图4。

图3 风门模拟设计Fig.3 Door simulation design

图4 风窗控制流程图Fig.4 Flow chart of wind window control

4）通信系统。考虑到数据通讯的实时性及巷道巡检信息的可展示性，在回风巷道内布置无线通讯基站，每隔400 m布置1台本安型无线通讯基站，以张家峁2-2煤为例，2 km巡检巷道共需布置5台基站[7-8]。在巡检机器人巡检过程中，能够通过无线基站，将采集的回风巷道图像、气体、风速等信息实时传递给操作终端，保证通讯的实时性。专家在地面远端操作台或者井下近端控制台，也可以实时观测到机器人的巡检状态，提高了系统的可展示性。同时，为了防止内部无线基站的通讯故障和不稳定性，巡检机器人也会将采集的信息存储在内部存储器，在回到机电泵房后，内部控制器借助煤矿现有的4G通信方式，完成信息的通信。采用2种通讯方式，且这2种通讯方式能够自主选择，保证了巷道信息的完整性。

5）能源供给及自主充电。巡检机器人采用本安型电池进行供电[9]。本安电池安装在电池盒内，由于电池只需要供给内部电控箱及传感器的电源，因此，电池续航能力能够达到8～9 h。巡检机器人本体自带电池电量自动检测电路，且可人工设置电量报警下限，当机器人检测到电池电量低于设置值时则会自动停止当前巡检任务，同时发出警报，之后自主运行到机电泵房内的充电位置进行能源供给。若充电不成功智能巡检机器人将自动报警，等待人工处理。智能巡检机器人同时保留手动充电功能，在出现紧急情况下，可利用手动充电器对机器人进行紧急充电，满足临时性任务需求。

2 关键技术

1）复杂环境下机器人智能感知与积水识别技术。巡检机器人的可靠作业依赖于各种传感器对井下空间、环境、设备等信息的智能感知[10-11]，通过搭载可移动高清摄像机采集图像数据，并把图像数据上传至数据处理单元对所采集的数字图像进行处理，通过模式识别技术对图像进行处理、分析，检查巷道是否有积水，若有积水则反馈给指挥中心，分析结果通过后台人机交互系统报警、显示和存储。提出的积水识别技术采用数字图像处理技术和基于区域建议的卷积神经网络Faster R-CNN的深度学习方法，通过对积水样本集标签的制作，借助角度变换扩充数据集以及灰度图像转换扩充数据集，建立积水训练模型并反复进行参数调整，确定最优模型后输出积水面积。积水检测流程如图5。

图5 积水检测流程图Fig.5 Flow chart of ponding detection

2）井下受限封闭环境下机器人精准定位技术。煤矿巷道作业区域具有典型的半结构化或非结构化环境特征，GPS技术无法直接应用于井下，通过时间-速度映射计算法，建立双重坐标系的对应关系，实现了煤矿机器人的自主定位系统方案，解决井下机器人精确定位、姿态感知等问题，进而实现对机器人能耗、稳定性、安全性的最优控制。巡检机器人行走控制系统具有高精度回转编码器，能够实时计算巡检机器人的位置。设置巡检起始点和位置检测点，位置检测点用于消除机器人巡检过程中，由于传感器精度、机械误差等因素产生的相对误差；巡检起始点作为整个系统的统一时间参考点，利用此时间定义回转编码器1圈时，驱动机构行走的速度和位置。即当巡检机器人通过风门进入回风巷道内部后，通过速度或位置对时间的微积分，进行上位机和主控系统对巡检机器人本体的轨迹规划以及速度和位置的离线控制。

3 结语

以张家峁煤矿2-2煤回风巷为施工场景，研制出的巡检机器人系统，集计算机、传感器、自动化、信息通信于一体，具有体积小、动作灵活的特点，既可以减轻作业人员的日常工作强度，又实现了对井下回风巷道工况的同步观察和监测，对预防和减少事故的发生有积极的作用。同时，从根源上解决煤炭行业的安全生产难题，提高煤矿生产的效率，从根本上减少煤矿的人员数量，符合国家对煤矿“减人、少人”的发展要求，真正实现无人值守、有人巡视。