新型煤矿救援机器人研发与试验.pdf

第 45 卷第 6 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 6 2020 年6 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJun. 2020 移动阅读 朱华,由韶泽. 新型煤矿救援机器人研发与试验[J]. 煤炭学报,2020,4562170-2181. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. ZN20. 0352 ZHU Hua,YOU Shaoze. Research and experiment of a new type of coal mine rescue robot[J]. Journal of China Coal Society,2020,4562170-2181. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. ZN20. 0352 新型煤矿救援机器人研发与试验 朱 华,由韶泽 中国矿业大学 机电工程学院,江苏 徐州 221116 摘 要煤矿救援机器人是一种在矿井发生灾害事故时,替代救护队员进入危险区域进行环境探测 和对矿工实施救援的多功能智能救援装备,其应用对提升煤矿灾后救援效率、减少 2 次伤亡具有重 要的意义。 以中国矿业大学 CUMT-V 系列煤矿环境探测与救援机器人的研发为例,从行走机构、 防爆设计、结构轻量化、通信方法、传感探测和智能化等方面进行了相关技术和理论研究。 针对灾 后煤矿的巷道环境特点,推演了机器人行走机构的基本构型,设计了地形适应性好、越障能力强的 机器人行走机构;提出并采用基于短时防爆理论的本安兼隔爆的机器人防爆设计技术;提出了基于 多腔体自加强结构的机器人轻量化优化设计方法;采用了有线和无线相结合的机器人通信方式;搭 建了机器人传感探测与运动控制系统;研发了机器人井下地图构建和定位导航技术。 从而研制了 能够承载多种探测传感器和急救装备的煤矿灾后环境探测救援机器人,并取得了国家煤矿安全认 证。 井下应用试验及性能测试结果表明,机器人的行走能力强,能够适用于煤矿非结构复杂地形; 机器人续航能力强,通信距离长,环境感知和信息传输的可靠性高;能够通过遥控方式实现机器人 的灾后救援;采用有线和无线相结合的机器人通信技术可实现多台机器人的协同救援。 通过对机 器人进行智能化升级,提高了煤矿救援机器人的环境感知能力,并使其具备了实时定位与自主行走 的功能。 将上述技术的组合进一步完善,可研发出满足不同应用需求的煤矿环境探测、监控、救援 机器人。 关键词煤矿;救援机器人;环境探测;防爆;智能化 中图分类号TDP242;TD64 文献标志码A 文章编号0253-9993202006-2170-12 收稿日期2020-03-24 修回日期2020-05-13 责任编辑常 琛 基金项目国家重点研发计划资助项目2018YFC0808003;国家高技术研究发展计划863资助项目2012AA041504;江苏高校优势学科建 设项目PAPD 作者简介朱 华1960,男,江苏溧阳人,教授,博士生导师。 Tel0516-83591917,E-mailhzhu cumt． edu． cn 通讯作者由韶泽1993,男,山东淄博人,博士研究生。 E-mailyoushaoze cumt． edu． cn Research and experiment of a new type of coal mine rescue robot ZHU Hua,YOU Shaoze School of Mechatronic Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China AbstractCoal mine rescue robot CMRR is a kind of intelligent equipment which not only substitutes rescuer ente- ring the danger area to carry out environmental exploration and rescue the miners,but also contributes to improving the rescue efficiency,especially reducing secondary casualties when the disaster occurs in the mine suddenly. Taking the China University of Mining and Technology-V CUMT-V series CMRR as an example,the relevant technology and research are carried out from the aspects of walking mechanism,explosion-proof design,structural lightweight,commu- nication ,sensing detection and intelligence. Aiming to the environmental characteristics of the post-disaster coal mine,firstly the robot walking mechanism is designed for a good terrain adaptability and strong barrier ability. Secondly,the robot explosion-proof design technology based on the short-term explosion-proof theory is presented and adopted. Thirdly,the robot lightweight optimization design which called a multicavity self-strengthening struc- 第 6 期朱 华等新型煤矿救援机器人研发与试验 ture is adopted. Fourthly,the robot sensor detection and motion control system are constructed. Fifthly,the robot com- munication of wired-wireless combination is proposed for improving rescue efficiency. Finally,the robot under- ground map construction and positioning navi-gation technology was developed to simplify personnel operations. Thus, the CMRR which can carry many kinds of sensors and first-aid equipment is developed,and has obtained the national coal safety certification. The results of field application and perance test show that the robot has strong walking a- bility and can be applied to the non-structural complex terrain of coal mine. Additionally,the robot has a strong range, long communication dis-tance,and high reliability of environmental awareness and ination transmission. To be de- light the robot can be remotely controlled for post-disaster relief and the collaborative rescue of multiple robots can be achieved. Furthermore,through the intelligent upgrade of the robot,the environment perception ability of the CMRR is improved,and it has the ability of real-time positioning and autonomous walking. By further improving the combination of the above technologies,the detection,monitoring and rescue robots of coal mine environment can be developed to meet the needs of different applications. Key wordscoal mine;rescue robot;environmental detection;explosion-proof;intelligence 瓦斯爆炸、粉尘爆炸、水灾、火灾和顶板坍塌事故 是煤矿生产中的主要灾难性事故,事故发生后,必须 快速展开救援行动,但由于事故后井下充满杂乱障碍 物与危险气体,传统救援方式效率低,且救援人员贸 然进入灾区极易导致 2 次灾害与伤亡的发生。 因此 利用机器人替代或协助救援人员进入灾后危险环境 进行搜索和施救,对提高救援效率,确保救援人员的 自身安全具有重要意义,已成为应对矿难救援的趋势 之一[1-3]。 煤矿救援机器人属于特种机器人的一种,主要执 行矿难之后的井下环境探测任务,获取灾后环境信 息气体体积分数、温度和灾害场景等,为救援决策 提供依据。 国外较早开展了煤矿救援机器人的研发, 并有部分机器人投入了尝试性应用,如美国的 V2 煤 矿机器人[4],Gemini-Scout 搜救机器人[5],加拿大 的 Micro VGTV 机器人[6],以及澳大利亚的 Numbat 遥控无人驾驶急救车等。 但就在仅有的几例救援应 用中也因为电器短路、机械故障或通信中断等因素未 能完成期望的任务与功能[7-10]。 国内煤矿救援机器 人研发起步较晚,到目前为止基本上还处在实验室阶 段。 中国矿业大学是国内率先开展煤矿救援机器人 研发的单位,经过十多年的努力,研发了多种类型的 CUMT 系列煤矿救援机器人。 其中 CUMT-VA型 煤矿救援机器人于 2016 年在山西大同塔山煤矿进行 了现场示范应用[11],并取得了很好的应用效果,为煤 矿救援机器人的研发应用积累了宝贵的经验。 笔者 以 CUMT-V 煤矿救援机器人的研发为例,综合课题 组长期以来的研发工作[12-14],对煤矿救援机器人的 行走机构、防爆设计、结构轻量化、通信方法、传感探 测和智能化等方面进行介绍,旨在加快推动我国煤矿 救援机器人的研发应用。 1 机器人行走机构设计 1． 1 机构构型设计 运动能力是保证机器人正常工作的基础。 煤矿 爆炸后,井下环境极其恶劣,空间狭小、障碍物多,行 走机构必须具有优秀的行走能力以应对非结构化地 形,且要易于进行防爆设计。 腿式行走机构地形适应 性强,但结构复杂、控制难度大,且不利于防爆设计, 因此不适合在煤矿井下使用;轮式行走机构结构简 单,机械效率高,但地形适应性欠佳,因此也不适合在 煤矿救援机器人上使用。 研究表明,履带式行走机构 地形适应性好,易于操控;从复杂性和操控性而言,比 较适合作为煤矿救援机器人的运动机构。 课题组分 析了煤矿灾后井下非结构化地形的特点,将非结构化 障碍抽象表征为凸台、壕沟、连续台阶、坡道等常见的 结构化障碍类型,并根据障碍物属性对履带式行走机 构进行了深入研究,以普通型履带机构Track,代号 T为基础,推导并衍生出了单摆臂型TA,双摆臂 型TAA、梯形tr-T,W 型W-T等不同类型的履 带式行走机构构型形状代号-T,并根据相应的英 文名定义了机构构型简称A-摆臂履带,C-卡特比勒 履带机构,M-对称布置,V-可变形;O,I,P 表示摆臂 履带处于外侧Outboard、内侧Inboard 或者平 行Parallel [15-16],如图 1 所示。 1． 2 机构学分析 相对其他履带式行走机构,梯形履带式tr-T行 走机构具有如下特点在同等箱体以及外形尺寸下, 可充分利用悬架空间,电机可沿履带方向布置,紧凑 性好,且易于进行防爆处理;与摆臂型相比,减少了摆 臂电机,易于操纵和电机防爆;采用弹簧避震模组构 建张紧轮组的梯型履带相较于其他形式的行走机构 1712 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 具有减震、防脱带的能力;其越障能力以及爬坡能力 亦可满足井下非结构化地形要求。 之后采用了网络 分析法ANP从行走能力、防爆难易、操控性以及可 靠性等方面对其进行了定量评价[17]。 定性和定量分 析表明,梯形履带式行走机构具有明显的优点,因此, 最终择优选取了梯形履带式行走机构作为机器人的 移动机构。 如图 2 所示, L 机器人前后轴距;R 驱动轮半 径;W 机器人宽;H 机器人高;G 为机器人重心;l 机器人壕沟通过距离;h 机器人可翻越台阶高度; θ1为机器人抬升角;θ2为履带与地面夹角。 以最 小机体外尺寸L2R WH、底盘高度 H2为基 准,梯型履带的壕沟通过性式1 与台阶通过 性式2如下 图 1 履带式行走机构构型推演 Fig． 1 Structure deduction of crawler-type walking mechanism 图 2 通过性示意 Fig． 2 Trafficability diagram l L 2 R 2 H 2 2 1 h {Rtan θ1 2 L 2 - H2 - R tan θ2 - H 2 - H2 tan θ1 - H 2tan θ1 }sin θ1 2 由式2可知,h 为关于 θ1函数, h′θ1 0 时取 得极大值,即重心与台阶立面平齐时的值图 2b 的 h。 重心过高时,无弹簧避震的梯型履带越障高 度一般;而由弹簧避震轮组构成的梯形履带机构在翻 越台阶时,由于自重使弹簧进行压缩,因此具备一般 刚性梯形履带机构与 W 型履带机构的双重优点,有 利于重心前移,利用惯性跨过障碍。 因此该机构理论 上所能翻越的最大单级台阶高度不应大于其驱动轮 轴心距地高度,即翻越能力亦与 H2有关图 2c, 因此机器人实际台阶通过性为 2712 第 6 期朱 华等新型煤矿救援机器人研发与试验 h minH2,hθ1max3 除了进行越障能力分析之外,机构学分析的另一 目的是分析行走机构的抗倾覆性能。 履带式行走机 构的抗倾覆性能主要由如图 3 所示的极限俯仰角 δ1 与横滚角 δ2决定 δ1≤ arctan[XG0/ YG0 R]4 δ2≤ arctanb/2YG05 其中, XG0与 YG0为车体的质心 G0在坐标系 XO3Y 下 的坐标,具体形式如式6所示,其中单侧履带悬架 质量为 m1;主箱体body的质心为 G2xb,yb,质量 为 m2;O1O3长度为 s。 由式4,5可知,俯仰角与 横滚角主要与机体质心分布有关,由于重心难以测 量,因此采用实验进行测定。 当机器人宽度为 b,机 器人履带为 b0时,横滚角 δ2可通过单边桥测试得 出式7。 通过实验测得机器人单边桥通过性为 20 cm,计算得横滚角约为 15． 5,爬坡性能测试测得 极限俯仰角 32。 XG0 m2xb 2m1 m 2 scos π - φ 2 YG0 m2yb 2m1 m 2 ssin π - φ 2 6 T b - b0sin δ2 bb - b0 /b2 4Y2 G0 7 式中,T 为单边桥高度。 1． 3 动力学分析 CUMT-V 型救援机器人采用了具有转动副与杆 组配合的倾角式弹簧履带结构,与其他类型的减震系 统相比,具有安装简单、主运动方向越障能力强的优 点,图 4 为倾角式梯形弹簧履带系统。 基于机器人尺寸和履带悬架的安装空间,初步确 定了减震单元的基本尺寸范围表 1,为了确定减震 杆组的最优尺寸,需要建立弹簧履带系统的动力学模 型,并进行参数优化[18]。 图 3 机器人倾覆极限 Fig． 3 Overturning limit of robot 图 4 梯形履带悬架 Fig． 4 Trapezoid type track suspension 表 1 减震单元的基本参数范围 Table 1 Basic parameters of the shock absorber unit d1/ mmd2/ mmd3/ mmα1/ α3/ 阻尼 c/ Nms -1 -1 刚度 k/ kNm -1 10020602012545251210010600 90016 25 单个减震单元的物理模型与等效动力学模型如 图 5 所示,其中 A 点与 C 点是机架,B 点为浮动的转 动副。 设减震器刚度为 k0,阻尼为 c0,d1与 d2夹角的 变化为 Δα,则等效刚度 ke及等效阻尼 ce为 ke k 0 d2 2sinα3 Δαsin Δα d2 1[cos α1 - cosα1 Δα]sinα1 Δα 8 ce c 0 l2 2sinα3 Δαcos Δα l2 1sin 2α 1 Δα 9 根据单个减震单元动力学模型与履带悬架布置 形式可以得到图 6 所示的单侧履带悬架的动力学模 型。 由于设计时减震单元为等间距布置均为 l0, 因此车体静平衡时单侧履带悬架的动力学微分方程 如式10所示,其中 ε 为履带单元 Z 轴的变化量;与 3712 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 5 单个减震单元的动力学模型 Fig． 5 Dynamic model of single shock absorber unit 每个减震单元 y 方向的变化量有关;θ 为车身摆角; qit为路面的激励高程。 Mε - ke5 ke4 ke3 ke2 k e1ε - ce5 c e4 c e3 c e2 c e1ε 2ke1 k e2 - k e4 - 2ke5l0 θ 2ce1 c e2 - c e4 - 2ce5l0θ ∑ 5 i 1 keiqi∑ 5 i 1 ceiq i Iy l0 θ - 2ke5 ke4- ke2- 2ke1 ε - 2ce5 c e4 - c e2 - 2ce1ε - 4ke5 k e4 k e2 4ke1l0 θ - 4ce5 c e4 c e2 4ce1l0 θ 2ke5q5 k e4q4 - k e2q2 - 2ke1q1 2ce5q 5 c e4q 4 - c e2q 2 - 2ce1q 1 10 图 6 单侧履带单元动力学模型 Fig． 6 Dynamic model of single-side crawler unit 由式4 6可知动力学系统的变量均与时 间 t 有关,即动力学系统为时间 t 的函数,因此弹簧履 带系统的参数优化方程为 ε″t fzt,ε′t,θt,θ′t,qt θ″t gzt,ε′t,θt,θ′t,qt { 11 由于此方程为变系数微分方程且方程个数和未 知量个数相同,无法求出解析解,因此通过 Mat- lab/ Simulink 工具箱迭代求数值解,最终获得见表 2 的避震结构最优参数。 表 2 减震单元的最终参数 Table 2 Final parameters of the shock absorber unit d1/ mm d2/ mm d3/ mm α1/ α3/ 阻尼 c/ Nms -1 -1 刚度 k/ kNm -1 120801752510085021 2 机器人防爆结构设计 防爆是煤矿救援机器人下井工作的必要条件,没 有通过防爆检验的设备无法进入矿井内,救援也就无 从谈起。 根据 GB3 8362010 爆炸性气体环境用电 气设备通用要求所述,防爆的实质是通过隔爆、增安、 本质安全等技术手段使电气设备不引起环境中的易 燃易爆气体发生爆炸。 机器人暴露在外界的部分通常有外挂传感器、主 箱体和驱动单元 3 部分。 对于前者来说,其设计功率 一般较低,可以直接采用本质安全型传感器实现所需 功能。 而对于后两者,其中装载的电池、电机、工控机 等设备一般不满足本质安全要求,需要对这些设备外 加隔爆壳体,并要求电池腔与设备腔分离,且腔体间 线缆的引入和引出必须经由接线腔。 因此 CUMT-V 系列机器人采用本安兼隔爆的设计方案进行防爆设 计。 图 7 为 CUMT-V 机器人的防爆主箱体结构设计 图。 图 7 CUMT-V 机器人主箱体设计 Fig． 7 Housing design drawing of CUMT-V robot 现有的防爆设计方法主要是针对井下大型用电 设备如“三机”制定的,而救援机器人是移动设备, 它采用电池续航,对于体积质量都有一定的限制,因 4712 第 6 期朱 华等新型煤矿救援机器人研发与试验 此机器人不适合直接采用常规加厚隔爆壳体的防爆 方法。 因此,根据煤矿救援机器人的使用要求,提出 了一种基于短时防爆理论的机器人防爆技术[19]通 过一定的隔爆处理,使机器人能够在规定的工作时间 内满足防爆要求,但在防爆性能失效前,机器人电池 耗尽或断电使其不再具备引发爆炸的能力。 这一防 爆技术理论在 CUMT-V 系列机器人主箱体设计中得 到应用。 短时防爆技术的理论基础来源于气体的 Fick 扩 散定律,通过计算临界方程得到气体浓度达到爆炸下 限所需要的临界时间 tcrit - ln1 - Yi/ YaVLf FD 12 其中,Yi和 Ya为气体内、外甲烷体积分数; Vcm3,Lfcm和 Fcm2分别为腔体体积、隔爆结 合面长度与缝隙横截面积;Dcm2/ s为甲烷气体扩 散系数,本文取 0． 067 3。 根据 GB3836 要求,主箱 体结构设计参数见表 3,假设缝隙在腔体与各个箱盖 结合处,外界甲烷体积分数为 Ya100,当腔体内达 到爆炸下限 Yi 5 时,求得有效防爆时间约为 5． 8 h。 由于计算时假设的体积分数远超甲烷爆炸极 限5 16,且机器人实际使用时箱-盖结合处 会采用密封件封装进一步增加密封性,因此理论上机 器人在工作时间与电池续航时间内满足防爆有效性。 表 3 CUMT-V 系列机器人主箱体设计参数 Table 3 Main cavity design parameters of CUMT-V robot 参数类型取值 设备腔尺寸/ mm684387180 电池腔尺寸/ mm800168230 接线腔尺寸/ mm200334180 腔体壁厚/ mm6 隔爆结合面宽度/ mm25 隔爆接合面的最大间隙/ mm0． 3 箱体材料Q690 3 机器人轻量化设计 机器人轻量化是提升续航能力、实现灾后快速部 署的重要途径之一。 根据上节所述,机器人主箱体由 钢板焊接而成,在采用短时防爆技术后其外壳仍颇为 厚重,因此在考虑到防爆的同时,机器人轻量化也是 提升续航能力、实现灾后快速部署的重要要求之一。 由于现阶段能达到防爆要求的轻质高强金属材料稀 少,且大多没有经过防爆合格检验,所以想通过材料 的选取来达到轻量化的目的在现阶段是不太可行的。 因此,主箱体的轻量化设计只能通过优化箱体结构来 实现。 在煤矿救援机器人主箱体设计过程中,为了快速 有效地进行防爆设计,以焊接单个钢板应力分析的公 式为基础,提出了一种基于钢板结合加强筋的应力分 析的方法;由于接线腔体积较小,因此在满足大腔体 壁厚的前提下,同等壁厚的接线腔一定满足,因此仅 计算电池腔与设备腔的防爆性能即可,从而简化了设 备防爆设计的步骤[20]。 基于以上分析,得到了主箱 体优化模型,如图 8 所示,并给出了主箱体的质量优 化方程 argminMl1,w1,h1,l2,w2,h2,z,ws Mx M s, Subject to l1w1h1 V 1 l2w2h2 - l 1w1h1 - z V2 0 ≤ z ≤ h1 , 13 其中,l1,w1,h1为上箱体设备腔与接线腔的长宽 高;l2,w2,h2为下箱体的长宽高;z 为上箱体距底部距 离;Mx和 Ms分别为电池腔和设备腔的质量优化方 程,由焊接箱体的板材尺寸、壁厚 tf、加强筋宽度 ws 以及高度 ts共同决定;V1和 V2分别为电池腔和设备 腔的容积。 由于电池容量在设计选型时已经确定,因 此下箱体电池腔V2的体积以及长宽高是定值l1 766 mm,w1150 mm,h1230 mm,主箱体优化方案 图 8 主箱体优化模型 Fig． 8 Housing optimization model 可进一步化简为针对上腔体进行优化。 基于第 2 节 5712 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 短时防爆技术设计的箱体壁厚,在给定加强筋宽度 ws10 mm,箱体长宽限制l1 l 2,w1≤w2≤3w1之 后,通过 Matlab 进行了优化迭代计算,最终得到箱体 质量范围为 53． 85 kgl2 766 mm,w2 365 mm,z 150 mm至 92． 66 kgl2766 mm,w2 150 mm,z 0 mm,此时优化后的箱体53． 85 kg 时程嵌套结 构,因此称其为“多腔体自加强结构” [20]。 为了验证 优化后的箱体是否满足强度要求,对主箱体的电器 腔、接线腔和电池腔分别进行了 ANSYS 有限元仿真, 分析结果如图 9 所示,可以看出采用自加强结构与加 强筋后,3 个腔体壁板的最大应力值均小于 Q690 的 许用应力值,而超额数值为应力集中现象,不考虑疲 劳问题时可以忽略,因此箱体满足设计要求。 图 9 隔爆箱体仿真分析 Fig． 9 Simulation analysis of flameproof cabinet 4 机器人通信技术 通信系统是保证机器人远程信息交互的桥梁,由 于煤矿事故多发生于工作面,而井口距离工作面往往 具有很长一段距离,灾后井下运输和通信系统遭到损 坏,因此机器人自身需要具备远距离通信能力,以保 证数据与控制命令的远距离传输。 适用于空旷环境中的传统无线通信技术蓝牙、 ZigBee,4G 等在井下巷道中由于拐弯、地磁等影响, 尤其是灾后杂物堆积的环境中,信号衰减极大,因此 很难实现井下远距离无线通信。 而采用有线通 信光纤、同轴电缆、网线等方式,长距离的铠装通 信线缆将增加机器人的负荷,从而影响机器人整机质 量及续航能力,因此依靠单台机器人背负长距离通信 线缆的有线通信方案也不易实现。 为此,提出了一种 有线-无线相结合的通信方式,设计了基于以太网的 分布式机器人通信系统通过采用以太网供电技 术PoE实现数据与直流电源同时传输的功能,并建 立基于以太网和 WLAN 的局域网络来实现多机器人 的协作。 4． 1 单机器人通信 在机器人单机作业时,可以通过去除中继盒、 采用光纤直插上位机的 AP 模式,或者中继盒直接 作为无线发射源的 Router路由模式与控制终端 进行通信。 单台机器人配置有两个无线通信模块和一套内 储1 km 长高强度光纤的光纤盘。 其中无线通信系统 包括主箱体上部放置的网桥与用于抛掷的中继盒。 主箱体上网桥外配置有隔爆壳,通过网线与机器人主 箱体内部交换机相连;中继盒内部装有充电锂电池、 网桥、光纤收发器,通过光纤收发器连接内部网桥与 外部光纤。 网桥间采用标准 UDP 协议进行通信。 有线通信系统通过光纤收发器光纤转网口与 机器人内置的交换机进行通信,用于延长单机通信距 离。 为了解决释放光纤时的打结和缠绕问题,设计了 一种带旋转轴的光纤释放装置,该器件使用光纤滑环 在光纤释放过程中实现不间断通信。 4． 2 多机器人通信 该通信方式主要由多台机器人协同完成,组成一 个有线-无线相结合的通信系统,每台机器人载有 1 km 的通信线缆,机器人之间通过无线中继采用 Re- peater中继模式进行通信,具体方式如图 10 所示。 走在后面的机器人通过内置无线通信模块与走在前 面的机器人投放下或仍搭载中的中继盒进行通 信。 机器人编队中紧靠上位机终端的机器人将中继 盒投放至终端旁边,或者直接接入控制终端的光纤接 口。 通过无线模块作为中继,解决了有线通信链路自 动链接和防爆问题。 由于前后两台机器人的无线模 块距离很近,所需无线信号的功率很低,因此可以做 成本安型防爆设备,降低了无线模块的体积和重量, 提高了安全性与便携性。 如一个 3 台机器人的编队 最终可获得 3 km 长的有效通信距离。 5 机器人探测技术 煤矿救援机器人的主要任务是能够准确、快速的 获取井下环境信息,避免救援人员贸然进入带来的危 险,并为救援人员选择合适的救援方式提供有力的依 据,是其服务于煤矿救援行动的意义所在。 因此煤矿 6712 第 6 期朱 华等新型煤矿救援机器人研发与试验 救援机器人的传感探测装置主要是为了收集灾后井 下的环境信息并向后方传送,其中包括灾后图像、温 湿度、气体成分及浓度、风速信息等。 基于以上所述 煤矿救援机器人的环境探测功能的需求,构建了基于 以太网与 STM32F107 RCT6 微控制器为核心的传感 探测与运动控制系统,如图 11 所示,该系统整合了机 器人内部所有的传感探测与控制模块,选用以及研发 了多种所需的传感器。 图 10 有线-无线结合通信方式 Fig． 10 Wired-wireless combined communication mode 图 11 基于以太网的探测与控制系统结构 Fig． 11 Block diagram of Ethernet-based detection and control system 5． 1 气体信息探测 环境探测系统中的温湿度、气体成分检测由购置 的集成化多参数测定器 CD10 提供,该测定器可实现 对甲烷、氧气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫 共 6 种气体含量的检测,以及温度、湿度、差压和风速 检测。 风向由购置的 GFW15 型煤矿专用风速传感器 进行测量。 由于甲烷比空气轻,一般以距地面高度1． 5 m 左 右的测量值为宜,因此研发了一种具有升降功能的甲 烷传感器,如图 12 所示。 其体积小、重量轻、便于升 降,为了精确探测瓦斯爆炸后的矿井中甲烷气体的浓 度,采用全量程设计,并取得了本安认证。 可以在机 器人行进时平放于机器人侧边,到达目标区域时升起 使用。 7712 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 12 甲烷传感器 Fig． 12 Methane sensor 5． 2 场景信息探测 除了进行相关气体及风速的探测之外,灾后井下 的影音数据也是制定救援方案的重要信息。 因此机 器人上部装有两个定制的防爆红外探测摄像头,前向 摄像头用于观测灾害场景,后向摄像头用来查看光纤 释放状态。 在机器人尾部安装了本安型拾音器与对 讲机,前者用于采集环境中的异常声音,后者用来跟 受伤矿工进行语音交流。 所有环境信息数据及机体 实时状态可以实时传输至后方或地面的机器人终端 设备,最终显示在控制终端的界面上,图 13 为机器人 遥控终端。 图 13 机器人终端 Fig． 13 Terminal of robot 6 机器人智能化 CUMT-VA型煤矿救援机器人如图 14a所 示,其在满足机械性能和救援探测功能的基础上,主 要使用机器人终端进行遥操作,没有过多地考虑自主 决策与自主行走能力。 在人工智能大为发展的今天, 各种探测传感器及计算设备迅速发展,地面上基于即 时定位与地图构建SLAM的无人驾驶技术也已经 相对成熟,为了提升机器人操作的便捷性,降低人工 干预程度,实现精确绘制井下形貌的功能,在 CUMT- VA型机器人上进行了自主化、智能化研究和升 级,研发了 CUMT-VB型煤矿探测救援机器人,如 图 14b所示。 图 14 CUMT-V 型煤矿探测救援机器人 Fig． 14 CUMT-V coal mine detection and rescue robot 提升机器人的智能性主要从环境感知和自主 行走 两 方 面 来 进 行, 为 了 实 现 相 应 的 功 能, 在 CUMT-VB机器人上方安装了 2 个 Velodyne 16 线三维激光雷达,其中 1 个平置用于探测周围环 境,1 个呈 40倾斜放置用于探测顶板形貌;采用 RGBD 相机和双目相机的组合替代了红外摄像头, 并搭载了泛光-远光灯组合的可拆卸光源;在尾部 增加了 UWB 辅助定位装置,可以通过自行建立锚 节点来进行区域内定位;在机器人内部,加入了 Xsens-MTi-G710 惯性导航单元,用于确定机器人 位姿。 为了进一步满足三维地图、激光点云、双目 图像的传输,采用满足煤安要求的 Mesh 节点代替 原有的基于单节点传输的 Wifi 中继模块,提升了通 信性能以及速度。 在环境感知方面,针对煤矿井下环境特征太单一 的特点,提出基于三维激光雷达与惯性里程计相结合 的 3D NDT-SLAM 环境建模算法[21],在回环检测和 激光里程计信息中采用 NDT 扫描配准,并进行位姿 估计和环境相似性检测,以应对结构单一的狭长巷道 中的退化问题并建立三维高精地图。 开发了基于 UWB-IMU 融合的井下伪 GNSS 定位方法[22],通过预 先布置锚节点来建立导航坐标系,能与 GIS 系统进行 集成,有利于机器人自主行走时在巷道环境中进行精 确位置感知。 8712 第 6 期朱 华等新型煤矿救援机器人研发与试验 在自主行走方面,针对履带式机器人特性与所 处环境差异,在巷道单方向、长距离行走时,采用传