轨道式巡检机器人应用中的技术问题及解决方案

对于煤矿井下设备的监测,传统的方法是采用现场人工巡检,人工巡检不仅劳动强度大、效率低,而且易受人为因素影响,巡检质量不能得到很好的保证.随着机器人技术的快速发展及应用领域的不断扩大,目前,煤矿井下巡检机器人越来越多的投入使用,利用巡检机器人可以实现煤矿井下巷道、水泵房、变电站、皮带运输机等场所和大型设备的自动巡检,做到无人值守,对保证煤矿生产的安全,实现"无人则安",具有重要意义.在投入使用的巡检机器人中,轨道悬挂式巡检机器人是应用较多的一种,由于煤矿井下环境复杂、潮湿阴暗,同时存在瓦斯等可燃气体,属于易燃易爆场合.巡检机器人在使用中受环境影响经常遇到一些技术问题,本文就轨道式巡检机器人在煤矿井下应用中遇到的问题及解决办法进行了论述.     

一种新型煤矿灾害信息探测机器人系统设计

针对现有救灾机器人难以适应煤矿井下灾害现场环境的问题,提出了一种新型煤矿灾害信息探测机器人系统,介绍了该系统在煤矿井下的布置、总体结构及控制系统设计,分析了机器人爬坡性能。该系统中机器人运行在煤矿井下已有的单轨吊工字钢轨道上,可在发生煤矿灾害时及时行进到灾害现场,采集现场图像信息和环境参数并发送至地面指挥中心。在煤矿巷道仿真实验室对系统进行测试,结果表明该系统运行稳定,图像传输清晰连续,机器人爬坡角度为18.5°。     

煤矿巡检机器人巷道气体环境智能检测系统设计

目前井下危险气体巡检机器人大多采用升降机构或固定探头的形式进行气体环境感知,对机器人的行驶灵活性产生了影响,且受机器人本体结构的限制,大多数巡检机器人只能检测到传感器安装范围内的局部气体环境信息,缺乏针对巷道任意截面空间内的气体浓度检测。针对以上问题,设计了一种基于气体扩散模型的煤矿巡检机器人巷道气体环境智能检测系统。该系统以气体扩散理论为基础,结合煤矿巷道气体环境特点,引入巷道壁帮围岩、风速、气体扩散系数对煤矿巷道气体扩散模型的影响,采用虚拟像源法和遗传算法优化BP神经网络智能算法建立了巷道气体扩散优化模型。通过传感器检测系统获取巡检机器人在行进过程中任意点的气体浓度等环境信息,代入气体扩散优化模型求解最优气体扩散系数,通过输入巷道某点坐标位置,可计算求解相应点的气体浓度分布情况,随着巡检机器人的移动,可获取其路径中不同巷道截面上气体浓度分布数据。实验结果表明,该系统能够解算出符合检测误差要求的巷道任意截面上任意点的气体浓度,并实现动态实时检测;克服了传统煤矿巷道气体检测方法的局限性。利用巡检机器人取代人工巡检作业,为煤矿井下气体智能检测提供了一种新思路与新方法。     

矿用巡检机器人风力充电方法研究

针对煤矿巡检机器人充电方式受井下爆炸环境限制安全要求较高的特点,提出一种风力充电方法,设计了以煤矿井下压缩空气为动力的机器人风力充电站装置,充电站采用PLC控制,输出稳定风速带动风力发电机转动进行发电;设计了以单片机为核心的镍氢电池充电电路,采用同步整流方式降低电路功耗;巡检机器人搭载的发电机与风力充电站叶轮间通过尼龙鼓型齿轮可靠对接;巡检机器人与充电站通过无线进行信息交换,实现机器人自动充电控制。实验表明该方法技术可行,具有安全性好、成本低、效率高等优点,值得推广应用。     

矿用带式输送机巡检机器人驱动系统设计

目前矿用带式输送机巡检机器人的研究主要针对带式输送机巡检机器人故障识别与诊断等方面,忽视了巡检机器人运动问题。煤矿井下巷道设备较多,作业空间狭小且地形复杂,巡检机器人运动时会遇到爬坡、煤泥障碍等极端路面情况。鉴于矿用带式输送机巡检距离较长、巡检目标相对单一且巡检路线固定,采用轨道式传动作为巡检机器人的行走方式。但该方式在轨道面附着煤泥的情况下驱动轮会卡死,且面对坡度较大的轨道时可能发生打滑现象,因此设计了一种四轮支撑、两轮驱动的轨道式驱动系统,巡检机器人依靠驱动轮与轨道之间的摩擦向前运动,支撑轮承载巡检机器人的质量并起到辅助行走的作用。对巡检机器人驱动系统主要零件传动轴和摆臂进行了有限元仿真分析,得到传动轴和摆臂的极限应力分别为83.2,65.8MPa,远低于材料的屈服强度,保证了巡检机器人的可靠性。对巡检机器人驱动系统的爬坡和煤泥越障性能进行了试验,结果表明,巡检机器人在25°斜坡轨道上仍可完成加速运动,且在上下坡过程中运行平稳,在煤泥障碍轨道上运行没有发生打滑和卡死现象。     

可自动回撤煤矿探测机器人设计

为了解决煤矿井下探测机器人工作行程受限的难题,设计了一种可自主延长通信距离和自动回撤的煤矿探测机器人。当无线控制信号减弱时,机器人通过中继器弹射系统延长其无线通信距离;当无线控制信号突然中断时,机器人启动自动回撤功能,根据探测过程中已经记录的传感器数据按原路径回撤,自动回撤到安全位置。机器人自动回撤功能采用编码器与激光传感器数据集成的方法,并使用ICP算法进行双重数据匹配,以逐步调整机器人的位置和方向角,实现较高的回撤精度。测试结果表明,该机器人具有工作行程距离长的特点和自动回撤功能,可以在未知的煤矿灾难现场稳定、安全地工作,可替代煤矿救援人员深入煤矿井下完成初期危险的探测工作,为进一步的救援提供重要的现场数据信息。     

煤矿巡检机器人设计及模糊控制研究

基于煤矿井下回采工作面作业环境巡检需求,研究了一款基于高精度磁导航传感器和RFID射频识别模块的煤矿巡检机器人。同时,针对该机器人在复杂环境下的轨迹跟踪问题,对该机器人进行了数学分析和运动学建模,利用位置误差e和误差变化率e_c作为输入,左右轮速度差ΔV作为输出,提出了一种双输入-单输出的模糊控制方法,并在Matlab环境中搭建控制器模型,针对直线路径和圆形路径进行了计算机仿真验证。仿真结果表明,直线路径和圆形路径跟踪过程种,煤矿巡检机器人在1.5 s 时达到预设路径,方向偏差x_e、y_e超调量均≤0.1m,导航角θ_e超调量≤0.1rad,与常规PID控制器相比,所设计的模糊控制方法具有响应快、超调量小、稳定性强,系统可靠性和鲁棒性强的特点。     

轨道式煤矿巡检机器人在察哈素煤矿的应用与研究

随着察哈素煤矿井下原煤开采工作进程的不断深入,当前察哈素煤矿的井下原煤运输皮带数量正不断增多,且由于复杂的井下环境,这些皮带的布局呈现出了数量多、倾角大、距离长等特点,导致传统的人工巡检面临着较大的安全事故隐患,并且在井下环境中巡检精度越发难以保障.因此,察哈素煤矿通过招标,引进了高度智能化的矿用轨道式巡检机器人系统,...     

基于ROS的变电站室内巡检机器人的研究与设计

为了解决变电站室内人工巡检方式效率低、人工成本高、巡检精度低等问题,更好的促进数字化、智能化电网的发展,本文设计了一套适用于变电站室内巡检作业的机器人系统,该机器人系统包含巡检机器人终端、巡检专网、数据库、远程管理终端四部分,同时对机器人室内定位算法进行了研究,设计了机器人硬件结构,开发了机器人的控制系统,并对机器人的定位准确性、可靠性、安全性进行了模拟仿真实验和现场运行实验。实验结果显示：本文设计的巡检机器人可以很好的适应变电站室内环境,并且该机器人可以实现精确的定位与导航,对变电站室内设备运行情况进行精确巡检与故障预警,满足变电站室内巡检作业要求。最后对本次研究工作进行了总结,提出了下一步研究计划。     

矿井运输系统巡检机器人应用研究

针对人工巡检存在效率低、劳动强度高以及故障排除困难等问题,提出使用巡检机器人代替人工对带式输送机进行巡检,并进行工程应用.取得主要成果为:1)巡检机器人使用钢丝绳牵引、轨道导向,解决了巡检机器人续航能力差问题,同时提高了运行稳定性;2)巡检机器人本体上安装有各类传感器,可对带式输送机运行状况、沿线环境参数等实时检测,通...     

煤矿井下巷道变形巡检视频异常检测方法

采用智能视频巡检技术进行煤矿井下巷道变形检测时,常用的背景差分算法因要求输入图像具有良好的时空连续性而无法满足巡检视频背景建模要求。根据煤矿井下巷道变形巡检机器人匀速、定向运动及周期性采集视频数据的特点,提出一种巡检视频异常检测方法:结合巡检机器人定位信息对巡检视频分段并提取相应关键帧,采用均值哈希算法建立背景模型,对背景模型中图像进行特征跟踪以实现校正,之后将背景模型与关键帧进行差分运算,生成二值掩膜并进行去噪及连通处理后,输出异常检测结果并更新关键帧。实验结果表明,该方法在一定条件下可较准确地定位关键帧并检测出异常目标,检测速度约为50帧/s。     

矿山胶带运输智能巡检机器人的探索与应用

传统形式上矿山在安全巡检方面的工作,往往需要消耗大量的人力物力资源。为了解决矿山工作在这方面的问题,同时对在煤矿井下作业过程中,空间狭小且具有较多有害气体,湿度较大、光照情况复杂等特殊性,有针对性地提出了使用以胶带运输为基础的,智能巡检机器人将在矿山巡检工作中的人力进行取代。同时将这一系统的组成结构情况进行了详细介绍。通过诸多从现场获得的数据表明,使用该类机器人能够很好地达到使用自动化减人的目的,从而在成本上大大降低,提高了对应检查以及故障处理方面的效率,能够为矿产企业带来更大的经济效益。     

5G技术在煤矿井下应用架构探讨

通过对比、分析5G非独立组网(NSA)和独立组网(SA)架构的网络部署及优缺点,结合煤矿井下4G"一网一站"已普遍应用的现状,提出了基于NSA的煤矿井下4G与5G融合网络架构,利用4G网络实现语音、调度功能,5G网络拓展其他智能化应用,以最大程度地减少投资。研究了煤矿井下5G网络传输方式,重点探讨了5G承载网的3种前传组网方案及适用场景:光纤直连方案适用于井下水泵房、变电所等场所的机器人巡检,虚拟现实(VR)/增强现实(AR)培训,无人值守工作面等场景;无源波分复用方案适用于井下网络部署简单、独立维护性强的场景;有源光传送网方案可灵活适应不同场景。探讨了智能巡检机器人、环境监测与安全防护、VR/AR智慧煤矿、井下车辆无人驾驶4种煤矿井下5G网络切片应用场景,分析了不同场景下5G组网架构的应用模式。     

基于i.MX6Ul的煤矿轨道巡检机器人控制系统的设计

为了解决井下皮带沿线人工巡检的安全隐患以及数据难以形成系统性等问题,提高皮带沿线环境监测的准确性、实时性,设计了一种基于i.MX6Ul处理器与STM32F103控制器相结合的巡检机器人嵌入式实现方案。该方案通过采集多种模拟量与数字量传感器数据、语音信息、视频图像信息后进行数据融合实现智能决策,并且能够将相关数据通过MT7688N网关以wifi/4G/5G形式,实时传输到井上监控中心。实现井下皮带沿线环境实时监测和故障定位,可以有效地提高煤矿设备监测的准确性、实时性以及自动化水平。     

煤矿巡检机器人同步定位与地图构建方法研究

针对煤矿井下无GPS环境下巡检机器人自主定位问题,研究了基于激光雷达的同步定位与地图构建方法。首先建立激光雷达观测模型和里程计预测模型,将机器人定位和地图构建的实际问题转换为概率数学模型的逻辑推理问题。同时采用自适应蒙特卡罗定位算法进行机器人实时位姿估计,提出了根据粒子权重(地图的匹配度)进行重采样的方法,以去除权重小的粒子,实现了用较少、较好粒子精确表达机器人位姿的后验概率分布,满足机器人利用传感器在栅格地图上实时定位的需求。通过对Fast-SLAM算法进行优化,减少了粒子数量,缓解了粒子耗散,提高了地图构建的精确性。实验结果表明,基于激光雷达的同步定位与地图构建方法有效解决了巡检机器人实时位姿估计和环境地图构建的问题,结合自适应蒙特卡罗定位算法和优化Fast-SLAM算法提高了机器人定位的自适应性和地图构建的精确性。     

基于BRISK特征点约束的电力管廊点型气体探测器检测

随着人工智能等技术的快速发展,智能巡检机器人在综合管廊设备巡检中的应用已经非常普遍。电力综合管廊由于电气设备的特殊性,管廊内部需要专用传感器对管廊结构进行监测。智能巡检机器人负责对各种传感器是否处于正常工作状态进行巡检。点型气体探测器作为管廊内部重要的环境气体探测装置,对火灾预警、爆炸预警、人员生命安全,以及维护管廊正常运行安全具有重要作用。针对巡检机器人在管廊内部定位不精确导致目标在图像中成像位置不固定的问题,提出一种基于BRISK(Binary Robust Invariant Scalable Kepoints)特征点约束的方法,通过提取管廊内部安装的气体探测器特征点,利用几何约束实现特征点的精确匹配,实现智能巡检机器人对管廊内部安装的气体探测器的精确定位。实验结果表明,提出的算法定位精度高、速度快,可以完成智能巡检机器人对气体探测器的精确定位,减少了人工辅助,为智能巡检机器人对电力设备的精确巡检提供了重要的技术支撑。     

煤矿巷道悬线巡检机器人结构设计及仿真

针对现有的煤矿巷道轮式或履带式巡检机器人结构及控制复杂、可靠性低,轨道式巡检机器人成本高、占用巷道空间资源等问题,设计了一种不受井下巷道复杂地理环境和人员及设备分布影响的煤矿巷道悬线巡检机器人。重点介绍了该机器人的结构设计,在ADAMS软件中建立了机器人虚拟样机模型,并对其水平行走且过障、上坡且过障、下坡且过障3种运动状态进行了仿真分析。结果表明:该机器人在水平沿线方向始终能够保持匀速直线运动;在竖直方向和水平侧摆方向上有波动,但均在允许范围之内;在3种运动状态下的位移变化比较平稳。仿真结果验证了该机器人结构设计的合理性。     

变电站巡检机器人控制系统设计

变电所作为电力传输的枢纽,为保证其安全可靠的运行,必须对变电站的设备做定期巡检。本文针对变电站环境设计在变电站运行的巡检机器人携带多种传感器,按照设计指令进行设备状态检测、记录仪表数据,提高了变电站自动化水平。     

高压电力廊道巡检机器人控制系统研究

定期巡检是保障高压电力廊道正常生产、安全运行的重要工作。针对电力廊道空间大、内部环境复杂、空气湿度大以及含可燃性气体的问题,设计了一种多传感器、可远程操控的智能巡检机器人,克服了时间和环境的约束,保障了巡检结果的准确性。经测试表明,该巡检机器人既可以完成巡检任务,还具有适应性强、可靠性高、控制灵活且抗干扰性高等优点。     

煤矿井下综采工作面巡查机器人磁迹导航的研究

提出了一种煤矿井下综采工作面自主移动巡查机器人磁迹导航方案;通过实验确定了该机器人的磁轨材料和磁传感器分别为条状强磁磁铁和MS-324型干簧管,以轮式机器人采集煤矿井下图像信息为例,确定了干簧管在机器人上的安装位置及工作过程。实验结果表明,该机器人在中间2个干簧管之间的距离为40 mm时能稳定行走。