可自动回撤煤矿探测机器人设计.pdf

第 4 4 卷 第 5 期 2018年 5 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 5 May 2018 ; “研 成 果t 令 _ 丨 1 丨 _ 令 _ 丨 丨 丨 ■ 令 _ 丨 1 丨 ■ 令 _ 丨 1 丨 _ 令 _ 丨 丨 丨令 文章编号671-251X 201805-0006-07 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017110034 可 自 动 回 撤 煤 矿 探 测 机 器 八 设 计 王志同， 牛志刚， 郭晨星， 李一君 太原理工大学机械工程学院，山 西 太 原 030024 摘要 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IC P 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，可以在未知的煤矿突难现场稳定、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。 关键词 煤矿救援； 探测机器人；中继器弹射系统；自动回撤； IC P算法 中图分类号TD77 文献标志码A 网络出版地址 http //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. tp. 20180417. 1721. 004. html 收稿日期收稿日期2017-11-17 ;修回日期修回日期 2018-03-09 ;责任编辑责任编辑 张强。 基金项目基金项目 阳泉煤业（ 集团） 股份有限公司科技创新项目（ JSH2015-103-42-774。 作者简介作者简介王志同（ 1991一） ， 男 ， 山西析州人， 硕士研究生， 主要研究方向为机器人， E-mail31976770qq. com。通信作者 牛志刚（ 1965 ） ， 男 ， 山西大同人， 教 授 ， 博 士 ， 主要研究方向为机器人技术、 汽车电子控制技术， E-mail gniu163. com。 引用格式引用格式 王志同， 牛志刚， 郭晨星， 等 .可 自 动 回 撤 煤 矿 探 测 机 器 人 设 计 工 矿 自 动 化 ， 2018,445 -12. WANG ZhitongNIU ZhigangGUO Chenxinget al. Design of coal mine detection robot with automatic returning [J]. Industry and MineAutomation， 2018， 445 -12. 0]工业和信息化部工业和信息化部.工业和信息化部关于印发信息化和工业和信息化部关于印发信息化和 工业化深度融合专项行动计划工业化深度融合专项行动计划“0 1 3 2018年 ） 的通年 ） 的通 知 工信部 信〔知 工信部 信〔20130317 号号[EB/O L]. 2013-09-05 [2018-03-20]. http//w w w . gov. cn/zwgk/2013-09/ 05/content_2481860. htm. [ 1] 国家安全生产监督管理总局国家安全生产监督管理总局.国家安全监管总局关于国家安全监管总局关于 开展开展“机械化换人、 自动化减人机械化换人、 自动化减人”科技强安专项行动的科技强安专项行动的 通 知 安 监 总 科 技 〔通 知 安 监 总 科 技 〔20150 63 号号[EB/O L]. 2015-06 12 [ 2018-03-20 ]. http//www. chinacoal-safety. gov. cn/newpage/Contents/Channel _ 6288/2015/ 0612/252177/content_252177. htm. [ 2] 张申， 丁恩杰， 赵 小 虎 ， 等张申， 丁恩杰， 赵 小 虎 ， 等.数字矿山及其两大基础平数字矿山及其两大基础平 台建设台建设[J].煤炭学报，].煤炭学报，2007,329997-1001. ZHANGShen, DING Enjie， ZHAO Xiaohu， et al. Digital mine and constructing of its two basic plats[J]. Journal of China Coal Society, 2007,32 9 997-1001. 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Industry and Mine Automation， 2018,442 1-5. 2 0 1 8 年 第 5 期 王 志 同 等 可 自 动 回 撤 煤 矿 探 测 机 器 人 设 计 Design of coal mine detection robot with automatic returning WANG Zhitong, NIU Zhigang, GUO Chenxing, LI Yijun School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China Abstract In order to solve problem of limited working travel of coal mine detection robot, a coal mine detection robot was designed, which can independently increase its communication distance and automatically return. When wireless control signal is weakened, the robot will use repeater catapulting system to increase wireless communication distance. When wireless signal is suddenly interrupted, the robot will initiate automatic returning function, and return to a safe place automatically according to sensor data memorized in the scouting process. Automatic returning function of robot adopts integration data between encoders and laser sensor, uses ICP algorithm to do double data matching and adjust position and orientation gradually of the robot, so as to realize high accuracy in the process of automatic returning. Testing results show that the robot has a long working travel distance and automatic returning function, can work stably and safely at the scene of unknown coal mine disaster, and can replace rescue workers to complete early dangerous detection work in coal mine, provide a significant on-site data ination for coal mine rescue. Key words coal mine rescue; detection robot; ICP algorithm 〇 引言 煤矿灾害发生以后， 灾害现场的环境十分恶劣， 有大量的有毒有害气体， 并且存在瓦斯爆炸、 冒顶、 片帮等二次灾害危险， 所 以 ， 当矿难发生时如何在 第一时间进行救援， 成为挽救被困工作人员生命财 产安全的一大难题[12]。2 1 世纪以来， 机器人技术 已经应用到各种危险环境中[34]， 以代替人类完成一 些危险作业。当矿难发生时， 若有自主探测功能的 机器人代替救援人员进人灾害现场进行信息采集， 并将这些信息反馈给地面救援人员， 便可制定合理 的救援方案， 极大地减少因矿井中存在危险而导致 的二次伤亡。 为了研制能够代替救援人员进人煤矿井下进行 探测的机器人， 国内外学者进行了大量的相关研究 开发工作。2006年 ， 国内首台用于煤矿环境探测和 煤矿灾难搜救的机器人CUMT-1]由中国矿业大 学研制成功。此后， 北京理工大学、 唐山开诚电气设 备有限公司等单位也纷纷投人到煤矿救援探测机器 人的开发与研制之中。同样， 国外的一些研究机构 也对煤矿救援机器人进行了大量的研究， 典型的有 美国智能履带车中心研发的R A T LE R 和日本东京 工业大学研制的蛇形履带车） ]。经过多年的研究， 煤矿井下探测机器人在结构、 机动性） ]、 自主导航定 位） M ]等方面已经有了很大的突破。随着各种算法 repeater catapulting system ； automatic returning ； 应用于煤矿井下机器人的各个方面） 012]， 煤矿探测 机器人的研究已经较为成熟。但 是 ， 纵观国内外的 每一起矿难， 均没有煤矿探测机器人成功应用的案 例 。其中一个重要原因是现在的煤矿探测机器人的 控制主要还是通过无线遥控来实现， 受其通信距离 的限制， 机器人深人煤矿井下的距离及其探测范围 也相应受到制约。为解决该问题， 笔者设计了一种 可自动回撤且可以自主延长通信距离的ZD- 2017 煤矿探测机器人。该机器人通过中继器弹射系统来 延长通信距离， 具有自动回撤功能， 当通信信号突然 中断时， 机器人可自动回撤到安全位置。ZD- 2017 煤矿探测机器人可以在未知的煤矿灾难现场长距离 稳定、 安全地工作， 在矿难发生时， 可替代煤矿救援 人员深人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。 1机器人系统组成 ZD- 2017煤 矿 探 测 机 器 人 的 外 部 结 构 如 图 1 所示， 它主要包括移动底盘、 中继器弹射系统、 电池 箱和各种传感器及控制系统。 1.1 移动底盘 ZD- 2017煤矿探测机器人的移动底盘采用履 带传动结构） 314]， 即 由 2 个直流伺服电动机分别驱 动车体左右两侧的履带轮。此外， 在车身的前后部 各安装2 个摆臂， 从而确保ZD-2017煤矿探测机器 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 图图1 ZD -2017煤矿探测机器人外部结构煤矿探测机器人外部结构 Fig. 1 External structure of ZD 2017 type coal mine detection robot 人可以爬斜坡和跨越台阶。ZD-2017煤矿探测机 器人选用48 V/60 A h 可充电锂电池作为电源模 块 ， 其主要技术参数见表1。 表表1 ZD -2017煤矿探测机器人的主要技术参数煤矿探测机器人的主要技术参数 Table 1 Main technical parameters of ZD 2017 type coal mine detection robot 技术参数技术参数参数值参数值技术参数技术参数数值数值 车身长度车身长度/mm1 020最大爬坡度八最大爬坡度八 30 车身宽度车身宽度/mm730摆臂长度摆臂长度/mm600 总高度总高度/mm1 050轴距轴距/mm680 质量质量/Gg400轮距轮距/mm 650 动 速动 速/ im s- 1车轮直径车轮直径/mm 200 1 8 传感器组 ZD-2017煤矿探测机器人车体内外分别安装 有各种传感器。车体内部安装的传感器主要包括用 于测量车体侧倾斜的倾角仪、 用于记录两侧车轮位 的编码器、 用于记录摆臂 于车身 的电位 计 。车体外部安装的传感器主要包括 传感器、 压力传感器、 各 检测传感器、 激光测距传感 器 。其中， 激 光 测 距 传 感 器 （ LIPS1LIPS4共有 4 个 ， 分别安装于车 方 、 正后方、 左右 的 中间位置， 如 图 2 所示。此外， 分别在车体左右 丨 安 扬声器， 在车 方 、 后方和左右 置安 个矿用本质安全型便携式无线摄像机， 利用 图像分割器获 中多方位的图像信息。 1 020 m m 图图2激光传感器的位置分布激光传感器的位置分布 Fig. 2 Distribution of laser sensors 1 8 中继器弹射系统 ZD-2017煤矿探测机器人通过中继器弹射系 统延长其通信 。中继器弹射系统包括6 组中继 弹射 中继器固连的中继 块 架 。弹 射器如图3a所示， 利用继电 开启弹射器的弹 射开关； 中继 块 架 如 图 3b所 示 ， 结构设 计参考了雨伞的工作 。ZD-2017煤矿探测机 人工作时， 弹射器固定在其车身后部， 中继 块 支 撑 架 折 叠 放 置 在 弹 射 器 中 。 作人员发现 ZD-2017煤矿探测 人所在工作 信号较弱 时 ， 通过上 第 1 组弹射器的电磁 开 关 应的中继 块 架弹射出去， 由于各中 继 块及外部网络可以 信 ， 所 以 ， 此时 第 1 组中继器的网络 外部网络 意一个车载 中继器的网络相连， 从 外部网络信号 发 ， 起到延 信 的作用。每 个 中 继 器 的 传 [离 为 1 000 mm左右。ZD-2017煤矿探测机器人车载 6 组中继器弹射模块， 所以， 在井下作业时可将工作 行程延长到6 000 mm。 a 中继器弹射器中继器弹射器 图图3 b 中继器模块支撑架中继器模块支撑架 中继器弹射系统中继器弹射系统 Fig. 3 Ejection system of repeater 2机器人控制系统 ZD-2017煤矿探测机器人的控制系统结构如 图 4 所 示。ZD-2017煤矿探测机器人车载CPU为 无线数据 模块 ■]编码器I I车轮电动机I 丨摄像机卜 陳蔽商悪1丨摆臂电动机丨丨中继器弹射器丨 激光多参数气体压力温度 倾角仪 传感器传感器传感器 传感器 无线数据 模块 工控机 无线图像 接收模块 无线 遥控器 -► 10 M ► TMS320F28335 手操盒-► 扩展板 DSP 无线图像图像 发射模块分割器 图图4 ZD -2017煤矿探测机器人控制系统结构煤矿探测机器人控制系统结构 Fig. 4 Control system structure of ZD- 2017 type coal mine detection robot 2 0 1 8 年 第 5 期 王 志 同 等 可 自 动 回 撤 煤 矿 探 测 机 器 人 设 计 TMS320F28335 DSP芯片， 后方控制台为嵌入式工 控 机 MEC-5031， 工控机与ZD-2017煤矿探测机器 人之间通过无线进行通信， D SP根据所接收到的工 控机指令控制机器人完成相应的动作和功能。与此 同时， ZD-2017煤矿探测机器人收集的传感器数据 和图像通过DSP传输给工控机， 以便操作人员了解 井下状况。无线遥控器比上位机有更高一级的控制 级 ， 若发生特殊情况， 操作人员可以直接通过无线遥 控器对ZD-2017煤矿探测机器人的运动及相关功 能。 3机器人自动回撤功能实现 即便 ZD-2017煤矿探测机器人可通过车载中 继器弹射系统延长其通信距离， 但当矿难发生时， 井 下环境非常复杂， 其与上位机的通信很容易被突然 中断， 一 旦 通 信 中 断 ， 后方的操作人员将失去对 ZD-2017煤矿探测机器人的控制， 机器人将不能继 续正常作业。为 了 确 保 可 以 完 成 整 个 探 测 任 务 ， ZD-2017煤矿探测机器人设计有自动回撤功能， 即 当无线通信突然中断时， 机器人将启动自动回撤功 能 ， 沿其探测时的运动路径原路返回， 直到回撤到无 线通信正常的区域。自动回撤由路径记忆和按原路 返 回 2 个阶段组成。在路径记忆阶段， ZD-2017煤 矿探测机器人不仅可采集环境信息， 而且可根据编 码器和激光传感器采集的数据记录该过程相应的运 动路径信息； 在按原路返回阶段， ZD-2017煤矿探 测机器人利用已采集的路径信息与回撤时传感器获 得的路径信息进行数据匹配， 实现按原路径返回。 采用编码器与激光传感器集成数据的方法， 且基于 迭代最近点（ IterativeClosest Point， 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， 从而达到较高的回撤精度。自动回撤算法的流程如 图 5 所示。 ZD-2017煤矿探测机器人在探测阶段记录运 动的路径， 具体步骤如下 “ 创建堆栈并进行初始化， 0々为此时刻 所处的运动状态）机 器 人 以 初 始 位 置 点 为 参 考 位置点， 并做一次激光传感器扫描， 得到参考扫描点 集 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重 庆 400037 摘要 针对煤矿瓦斯抽放监控系统中瓦斯管道设备及其相关联的电源和通信接口必须满足“ ia” 安全防 爆等级要求， 在现有“ ib” 防爆等级的煤矿瓦斯抽放监控系统基础上， 通过增加一种安全等级转换接口对瓦斯 管道设备进行了升级改造。详细介绍了具有梯形输出特性的阻性限流的电源转换原理和具有线性输出特性 的阻性限流的信号转换原理， 并对关键元件的相关参数进行了分析及计算。测试结果表明， 该转换接口具有 转换效率较高、 频率失真小等特点， 输出特性满足“ ia” 安全防爆等级要求。 关键词 瓦斯抽放瓦斯管道设备转换接口 “ ia” 安全防爆等级梯形输出；阻性限流 中图分类号TD684 文献标志码A 网络出版地址Ettp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180419. 1556. 001. html Design of an explosion-proof grade conversion interface for mine gas pipeline equipments LIN Yin1’ 2 1.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China; 2. State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology’ Chongqing 400037’ China Abstract According to requirements that gas pipeline equipments and its associated power supply and communication interface must satisfy the “ia“ safety explosion-proof grade in mine gas drainage monitoring 收稿日期收稿日期 2017-12-18;修回日期修回日期 2018-03-06;责任编辑责任编辑 胡娴。 基金项目基金项目 国家重点研发计划项目（2016YFC0801405。 作者筒介作者筒介林引（1979 ），男， 四川资中人， 副研究员，现主要从事电气防爆技术、安全监控系统、电子产品可靠性设计等相关研究工作， E-mail idlinyn 163. com。 引用格式引用格式林引. 一种矿用瓦斯管道设备防爆等级转换接口设计工矿自动化，2018,445 2-15. LIN Yin. Design of an explosion-proof grade conversion interface for mine gas pipeline equipments [ J * Industry and Mine Automation， 2018， 445 12-15. CHEN Huan, MIN Huaqing, LUO Ronghua， et al. 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