矿用带式输送机巡检机器人控制系统方案研究与应用

任俊瑾

(山西吕梁西山华威矿业管理有限公司， 山西 交城 033000)

矿用带式输送机长时间、远距离、高负荷运行于井下恶劣环境，发生跑偏、纵撕、打滑等故障概率极高。研究高效、智能化的带式输送机巡检机器人，替代人工完成带式输送机故障点巡检任务以及实时监测煤矿巷道有毒有害气体、火灾隐患成为亟需解决的问题。黄世顶[1]等分析了巡检机器人国内外研究现状，探讨了巡检机器人移动平台、监测系统、自主充电系统等关键技术，并展望了巡检机器人灵活化、轻巧化、智能化发展趋势，但未进行试验及应用分析。赵仁渔[2]等针对深槽大倾角强力带式输送机研制了智能带式输送机巡检机器人，分析了巡检机器人本体、传动系统、无线通信系统、充电系统、远程控制系统以及故障诊断系统设计，但未对巡检机器人的智能控制系统做详细分析。邵珠娟[3]等为解决带式输送机人工巡检工作中存在的运行效率低的问题，提出了智能带式输送机巡检机器人方案，分析了应用要求、结构组成以及在鲁西煤矿的现场实际应用效果，为带式输送机“智能化减人”提供应用参考，但应用效果需进一步验证。本文在上述研究成果的基础上重点研究矿用带式输送机巡检机器人的系统组成、系统软硬件，分析了巡检机器人的工业试验情况，以为矿用带式输送机控制系统智能化提供借鉴。

1 控制系统总体方案

矿用带式输送机巡检机器人控制系统由感知单元、驱动单元、远程控制单元、充电单元以及行走轨道组成，见图1. 巡检机器人感知单元由主控箱、锂电池箱、智能传感器装置、高清防抖摄像仪、红外热成像仪、拾音装置以及机械辅助连接结构组成。主控箱内部布置有控制器、供电电源、模拟量隔离栅、语音报警器、继电器等电气元器件，用于接收并处理传感器装置、摄像仪等信号，并完成巡检机器人的行走、停止、充电、报警等控制。锂电池箱内布置有多块锂电池，为巡检机器人提供电源，可通过充电单元实现无线/有线自主充电。智能传感器装置用于监测带式输送机、巷道实时状态，需采集、处理的传感器信号有烟雾、CO、CO2、甲烷、温度、声音等；另外还需对带式输送机机身局部图像、巷道温度变化数据实时监测，防止皮带跑偏、纵撕、机架故障、设备热集中。高清防抖摄像仪用于对带式输送机运行环境进行全域监测并完成图像处理，可实现360°无死角监测[4-5]. 充电单元可为巡检机器人完成接触式、非接触式自主充电，当锂电池箱内电池电量过低时，自动寻找最近的本安型充电桩补充能量，保障巡检机器人不停机连续工作。充电单元还可完成自动电量监测，实现巡检机器人长距离巡检续航。驱动单元用于控制巡检机器人沿行走轨道运行，相较于轮式传动、履带式传动、悬线式传动，轨道式传动平稳性好、功耗低、能适应不同路面工况，适合煤矿井下恶劣运行环境。远程控制单元为巡检机器人的“大脑”，负责发送控制指令并实时显示巡检机器人运行状态，有故障时发出故障预警[6-7]. 远程控制单元与感知单元之间以5G无线通信模式完成数据交互，感知单元与充电单元以5G无线通信+有线方式完成充电及电量监测动作，感知单元与驱动单元以有线方式完成控制指令的传输。

图1 巡检机器人控制系统总体方案图

2 控制系统硬件设计

矿用带式输送机巡检机器人控制系统硬件方案框图见图2，感知单元获取安装在巡检机器人本体的传感器、激光雷达、摄像仪、红外成像仪数据后以无线通信模式传送给防爆控制箱，完成对巡检机器人的控制。

图2 巡检机器人控制系统硬件框图

矿用带式输送机巡检机器人控制系统用传感器及对应识别的故障见表1，自动巡检并监测带式输送机故障。巡检机器人感知单元周期性的采集传感器模拟量电流信号、模拟量电压信号后进行A/D处理、阈值判断，分析并识别是否发生故障。

表1 巡检机器人控制系统用传感器及识别故障表

高清摄像仪需具备无线图传、高清视觉成像、支持多种图像格式，可实现移动侦测、区域侦测以及越界侦测。红外热成像仪用于捕获带式输送机关键机械零件温度变化并可通过有线/无线通信方式将图片信息传送至感知单元。无线通信装置由无线基站、井下无线终端、地面监控无线终端等组成，在巷道内建立定向大数据无线传输系统，实现巡检机器人感知单元与远程控制单元、充电单元数据的实时传送，实现巡检机器人运行状态数据与地面监控室的实时回传。

3 控制系统软件设计

矿用带式输送机巡检机器人软件方案基于keil-MDK软件开发平台实现，采用C语言编程实现，系统软件框图见图3，由初始化模块、中断处理模块、信息采集模块、巡检机器人本体控制模块、故障处理模块以及数据显示模块组成，可实现对巡检机器人启动/停止、前行/后退控制。同时可控制安装在巡检机器人本体的摄像仪，进行360°旋转控制；可完成巷道图像成像、图像切换以及录像功能。

图3 巡检机器人控制系统软件框图

4 应用分析

设计并实现的矿用带式输送机巡检机器人在山西吕梁离石交口煤矿进行工业试验，根据现场试验环境，巡检机器人的主要技术参数见表2，数据传输用5G、TCP/IP、HTTP/HTTPS等混合通信模式，可实现手动巡检、一键智能巡检，并支持接触式、非接触式自主充电、紧急避障、行程限位、累计误差纠错等功能。

表2 巡检机器人主要技术参数表

经过6个月的工业试验，取得的实际应用效果有：1) 通过红外热成像仪，可对托辊温度异常升高的故障状态进行检测，同时还可利用抓拍的托辊图片进行二次检测。2) 通过高清摄像仪，可对带式输送机带面的损坏情况进行检测，检测带面是否存在大块矸石以及异物等，同时可获取带面与托辊边缘的距离，为判断跑偏故障提供辅助依据；可对巷道内的监控点拍照，判断是否存在漏水、堆煤故障。3) 通过温度、烟雾、有毒有害气体传感器可检测带式输送机运行巷道内的环境参数，当传感器参数异常时发出故障报警信号。

应用带式输送机巡检机器人后，能够实现对带式输送机的安全监控、故障识别、语音声光报警、直观可视化智能管理等功能。通过巡检机器人远程控制单元可实现对巡检机器人的远程控制、在线监测、参数设置、历史故障信息查询等功能，实现了带式输送机巡检可视化、巡检智能化。巡检机器人投入使用代替人工巡检后，每班减少巡检工2名，每天减少巡检工6名，按照每人每年人工成本12万元计算，年节约人工成本约72万元。

5 结 语

以矿用带式输送机巡检机器人控制系统为研究对象，重点研究了巡检机器人控制系统总体方案、软硬件设计，并在山西吕梁离石交口煤矿完成工业试验，得出以下结论：1) 带式输送机巡检机器人应用效果与感知单元、驱动单元、充电单元、远程控制单元相关，技术趋势为智能巡检、无线充电以及高效的图像、声音识别算法。2) 工业试验结果表明，采用带式输送机巡检机器人后，可降低巡检人员的劳动强度和数量，提升故障识别效率，推进带式输送机智能化水平，具有良好的社会经济效益。