基于TD-LTE技术的煤矿运输系统智能巡测机器人的研究

文/荣国庆

运输系统是煤矿正常生产经营的“血管”，而日常巡检是其可靠运行的必要保证。在分析巡测人员工作流程和工作内容的基础上，构建了基于TD-LTE技术和以MSP430F149微控制器为核心的适用于煤矿运输系统的巡测机器人系统，可以对煤矿运输系统沿线的运输设备和环境参数进行实时检测和数据采集，具有集成多种环境感知检测、超声波避障、摄像头视频获取、数据无线传输、智能充电与巡检以及可视化运行管理平台等先进技术，能够在很大程度上减少煤矿工人的巡检压力，提高煤炭企业的安全管理水平。

一、系统组成

基于TD-LTE技术的煤矿运输系统智能巡测机器人采用轨道吊挂式移动结构，由信息采集传感器、控制单元、无线通讯模块、电池和充电管理模块以及轨道与行走机构五部分组成。其中，信息采集传感器相当于巡检机器人的环境感知器官，用来采集与安全生产相关的关键信息；控制单元相当于巡检机器人的大脑，能够实现对控制信号的接收与处理，并实现对巡检机器人相关业务操作的控制与执行；无线通信模块相当于巡检机器人的神经网络，将通过搭载在机器人中用于信息采集的传感器所采集到的信息传输至巡检机器人控制单元，或是通过标准协议接口传输给第三方接收媒介用于二次开发与应用；电池和充电管理模块是巡检机器人的能源供应来源，是确保巡检机器人具备正常工作能力的基础；轨道与行走机构是确保巡检机器人能够正常移动的基本条件，可以尽可能地减少煤矿井下复杂生产环境对巡检机器人行进的影响。

二、系统设计

1.传感器单元

煤矿运输系统智能巡检机器人携带的传感器主要有涉及环境温度与湿度检测的温湿度传感器，涉及井下危险气体（甲烷、一氧化碳）和氧气含量检测的一体化气体浓度监测传感器，涉及井下异常噪声采集的拾音器、井下视频监测的高清摄像头，以及用于辅助巡检机器人定位的位移传感器等。

2.控制单元

控制器采用自带12位模数转换模块的低功耗MSP430F148芯片作为主控器件，其中A/D转换器模拟输入通道经P6数据管脚复来达成。利用多路开关芯片的通道选择解决了巡检机器人需要采集的数据信息种类繁多的问题。其中，将I2C接口数字信号作为温湿度传感器输出使用，应用较为便捷。

智能巡测机器人通过嵌入式低功耗微控制器进行智能控制，采用直流无刷电机实现大扭矩静音移动。首次使用时，手动复位并启动巡检机器人运行电机控制巡检机器人运行，通过起始黑线后，利用红外光电传感器与超声波传感器进行运行路径环境监测，由单片机判断避障条件并进行避障控制。同时，通过双极式H型PWM脉宽调制技术来优化巡检机器人在行进过程中的稳定性，保障巡检机器人的正常运行，巡检机器人的行进路程与时间通过动态共阴进行显示。

3.无线蓝牙模块

由于煤矿运输系统巡检机器人的使用环境复杂，运行覆盖面范围大，所以在进行关系信息传输时采用无线传输的方式以提高信息传输效率，降低系统运行成本。在这里使用的是以包含主机端、应用程式与微控制器为一体的低功率消耗的单晶片为主体的CC2540无线蓝牙模块。CC2540包含快闪记忆体、无线信号强度反馈、信息加密引擎、全速USB2.0界面等核心部件，并结合8051标准加强型微控制器及无线射频传输接收器。将一个容量为32KB的RAM用于存储运行过程中的数字信号，数字信号经MSP430F149处理器加工后将相关指令信息通过编码接口输出，以供其他设备接收与调用。通过无线蓝牙模块可以实现巡检机器人采集信息的实时无线传输，保障了信息传输的稳定性与便捷度，为巡检机器人在煤矿复杂环境的运行奠定了基础。

4.LTE无线模块

大唐TD-LTE网络CPE是针对行业应用的专业型LTE无线模块，集LTE调制解调器、路由器和接入点三者功能于一体，提供安全、可靠、方便、灵活的无线宽带连接，可实现组建物联数据专网、远程数据接入、数据监控等7×24小时无人值守的高带宽应用。

模块采用MIPS内核高性能网络处理器，主频600MHz，配有128Mbytes DDR2内存和16Mbytes SPI NOR FLash。设备丰富的外设满足用户从远距离串口通信、近距离串口通信、I/O通信、以太网到LTE网络的多种通信方式。

5.自动充电与电池管理

智能巡测机器人移动机构由30AH锂电池组供电，由电池管理板对电池状态进行管理，并提供高/低电量报警输出。当低电压预警时，自动控制机器人由正常巡视模式转入低电压充电模式，机器人将自动进入充电区域，由接近开关精准定位行走机构接入充电器，导通充电器进行充电；当充电管理模块检测到电池充满后，控制器自动控制充电器断电，系统由充电模式转入充满返回状态并向正常巡视区域移动。当经过区域临界点后，系统切换至正常巡视状态并自动往返运行。

三、实际应用

目前，基于TD-LTE技术的煤矿运输系统智能巡测机器人已在张双楼煤矿主运系统投入使用。

机器人巡检过程中可通过携带的红外热成像仪对管线与关键设备温度进行实时监测，通过配套机器人运行管理系统软件实现对数据范围的甄别，当检测结果超出预设阈值时，通过管理系统发出警报，提醒调度值班人员对异常情况进行核查，并安排相关岗位工人进行现场故障排查。

利用TD-LTE无线基站与现有井下万兆光纤网络，将巡检机器人巡检过程中采集到的视频画面，传输至调度室的机器人运行管理系统，通过智能图像识别算法实现对皮带跑偏、撕裂以及输送物料中是否存在异物（锚杆、钎子等条形尖锐物）的监测。当出现异常检测结果时，通过运行管理系统在调度室发出报警，同时系统画面会自动跳转显示异常监测点的视频画面，以便于人工排查。

利用拾音器采集现场生产运行的声音，将运行的声音信息传输至运行管理系统，通过声音识别算法将现场采集的声音转换成对应声音的振幅与振动频率信息，并实现对异常声音的诊断与识别。同时，可实现声音监测异常报警，当出现异常报警时调度室值班人员可通过机器人运行管理系统控制机器人至异常点附近位置进行核查。

利用OPC协议打通机器人运行管理系统与煤矿生产控制系统的信息传递实现联动控制，运行管理系统可以实时监测生产控制系统的运转与报警信号。当监测到生产控制系统报警信号时，机器人运行管理系统可根据预先设定的相应报警点对应的位置信息自主运行至报警点位置，以便于生产调度管理人员在第一时间掌握现场实际情况。基于TD-LTE技术的煤矿运输系统智能巡测机器人续航能力达20小时以上，可以通过机器人运行管理系统自主设置巡检计划与巡检路线，通过实际使用验证可以满足煤矿现场生产使用的需求。

四、结论

基于TD-LTE技术的煤矿运输系统智能巡测机器人控制系统，采用MSP430F148微控制器作为核心处理器，采用基于大唐电信的TD-LTE网关模块和CC2540无线蓝牙芯片，实现数据的无线传输和系统的远程交互控制，结合直流无刷电机驱动单元和轨道行走结构组成智能巡测机器人的硬件系统，为矿用巡测机器人的实用化奠定了基础。同时，智能巡测机器人控制系统能够在运输系统沿线移动过程中进行多种传感器信息的采集和现场图像的回传，并通过运行管理系统实现现场运行故障诊断与报警，可适用于低照度、高温潮湿以及具有粉尘的严苛工作环境，实现机器换人、智能减人，具有极大的市场应用前景。