矿用智能人体除尘系统设计

张为远 陈 博

（1.山西三元福达煤业有限公司，山西 长治 046300；2.太原科技大学，山西 太原 030024）

煤矿井下矿工工作结束后，衣服上全都是煤末，工人在清理衣服时会引起煤尘的二次飞扬，从而造成煤尘的二次吸入以及对井上通道和环境的污染。目前绝大多数煤矿没有意识到这个问题，而且现有的除尘设备多为简单的机械排风除尘，其吸尘罩都需要手动调节，矿工工作服厚重，清理极不方便而且除尘效果一般。本设计针对上述问题，在矿工的出矿通道内设置一系列传感器，通过传感器获取人体的位置信息，再根据AI 人体姿态识别技术确认人体的实际姿态，利用机械臂实现智能除尘。

1 系统结构设计及功能实现

智能人体除尘系统由传感器、数据采集单元、数据处理单元和受控单元四部分构成。系统整体框架见图 1。

图1 整体框架图

1.1 系统工作原理

当系统各单元初始化后，没人进入到工作区域时系统处于低能耗模式。当红外热释传感器检测到有人体信号出现在工作区域内并停留超过三秒时，工控机做出反应，开启除尘模式，通过AI 人体姿态识别以及测距传感器确定人体的位置以及姿态，工控机设计除尘器的工作路线，然后打开除尘系统并控制机械手臂进行除尘。第一遍除尘结束后，根据除尘过程中除尘口的粉尘浓度检测装置检测到的平均粉尘浓度，确定除尘是否达标，若没有达标则会重新除尘第二遍，当达到除尘标准或人体自行离开五秒后，中断除尘模式，关闭除尘系统，同时控制机械手臂复位。系统工作原理见图2。

图2 系统工作原理图

1.2 传感器选型及分布

本单元主要负责数据采集，其中包括粉尘浓度检测仪、测距传感器组、红外热释传感器。其中粉尘浓度检测仪设置于除尘口，用于检测除尘是否达标。测距传感器选用的超声波传感器的探测范围在15～500 cm，可以满足人体定位需求。但由于除尘口需要靠近人体，故另选红外测距传感器。红外传感器有光束发散小、响应速度快的特点，它的测距仅有0～25 cm，刚好满足吸尘口的要求。红外热释传感器可以识别进入工作区域的是人还是物。人体恒定的温度（约37°）可以辐射出一种波长约为10μm 的红外线，热释电红外感应元件可以接收到这一波长的红外线从而做出判断。它的能耗极低，同时对热源辐射反应迅速而且普遍体积偏小。

在0 点处设置AI 人体姿态识别的本安型摄像头且45°朝下与红外热释传感器并排，此处测距传感器组需要一组设置在吸尘口上方。在天花板上布置多组超声波测距传感器：两排，每排间距50 cm，一排两个，每个间距50 cm。在挂置吸尘口的墙壁上安置两列传感器组，两列间隔50 cm，每列三组传感器，每组之间间隔50 cm。具体如图3 所示。

图3 传感器分布图

1.3 数据采集、处理及控制单元

本单元以工控机作为处理中心，以西门子S7-300 控制器实现机械手臂的控制，一方面采集传感器的数据，另一方面根据人体姿态识别对人体轮廓的扫描结果，在确定人体姿态后发出控制指令，控制机械臂沿人体边缘进行除尘。

1.4 受控单元

受控单元主要指的是吸尘口、驱动电机等除尘装置以及控制吸尘口方位的机械手臂。除尘器采用负压除尘集尘装置，以矿井压风作为动力源，适合于煤矿井下应用，其供电电压为127 V。除尘集尘装置配置6 个吸尘口，可以满足6 个工人同时对自身煤尘进行清理，还设置两台集尘箱，可以根据吸尘口工作的数量自动启动，且两台具备轮换工作的功能，可以有效保护整个装置。吸尘口的宽度为26 mm，倾斜角为140°，排气管直径为30 mm。

1.5 主要识别技术

AI 人体姿态识别采用隐马尔可夫模型，它是目前应用最广的一种方法。HMMs 由状态和观测两部分组成，是一种基于转移概率和传输概率的随机模型，系统当前所处状态的概率只与前一个时刻的状态有关，与其他历史状态条件无关。在HMMs 的识别过程中，首先提取出特征序列，然后通过学习算法进行模型参数训练，最后对未知的运动序列进行识别分类。

2 应用及展望

本设计以三元福达煤业有限公司的智能除尘为研究背景，采用智能控制设计、现场试验相结合的方法，提出了一种智能除尘系统，具体实验数据如下：

人体姿态识别准确率/%人体识别时间/s人体覆盖率/%光照条件下 94 0.78 79.37身边有人干扰 91.3 1.03 74.7～76.3

正常情况下，人的头身比为1：7，需除尘的面积约为85.7%～83.3%，则系统覆盖需除尘面积比约为92%～95.2%，符合系统的设计要求。人体姿态识别时间不超过1s，具有灵敏的反应、较高的可靠性，整体上取得了良好的应用效果，具体如下：

（1）本系统的工作感应距离可达到1.5 m，工作感应广度可达到135°。

（2）本系统可在距人体5～7 cm 的距离进行除尘工作，确保除尘效果的同时，不会对人员造成损伤。

（3）本系统可以在工作人员进入工作范围时及时感应并判别是人还是物，当工作人员在范围内停留三秒则系统自动判别有除尘意图，并开启除尘系统，在工作人员离开系统感知范围5 s 后或达到除尘标准时除尘系统停止工作。

（4）在除尘系统开启以后，受控单元中的机械臂可以携带除尘口进行平移、翻转等功能，实现对人体除尘范围的全覆盖，故而可以达到最初设计智能除尘的目的。

本智能人体除尘系统具有主动性、智能识别性，实现了人体的全覆盖除尘，解决了目前大多数固定式或手动移动式除尘设备的弊端，极大地提高了除尘设备的使用率以及工人的除尘效率。