煤矿辅助运输机器人关键技术研究

煤矿辅助运输机器人关键技术研究

宋阳

山西天地煤机装备有限公司 山西省太原市 030000

摘要：煤炭资源在我国能源结构中占据主导地位，对国民经济发展起至关重要的作用。随着科技的发展与交叉应用，各类煤机装备自动化和智能化程度越来越高，大幅改善了煤炭行业人员的工作环境和劳动强度，煤炭开采的安全性得到极大提升，但同其他行业相比其安全系数仍然较低。２０１９ 年国家煤矿安监局颁布了煤矿机器人重点研发目录，从国家层面指明了煤矿机器人的发展方向，使用机器人代替人工采煤是践行无人则安理念的重要途径，煤炭开采少人化、无人化已成为大势所趋。

关键词：煤矿辅助运输机器人；关键技术；

煤矿辅助运输机器人是矿井智能辅助运输系统的配套装备。在煤矿井下深部受限空间内，实现可靠的环境感知、精确的定位导航和快速的路径规划是研究辅助运输机器人的关键。

一、煤矿辅助运输

辅助运输装备的机械化研究始于２０ 世纪７０ 年代，经过多年发展，已形成轨道机车、钢丝绳牵引车、无轨胶轮车三大系列。未有煤矿实现煤矿轨道运输的无人驾驶和远程值守，目前国内大多数矿井有轨运输均采用人工操作驾驶，仅有极少数矿井引入了人工地面远程遥控驾驶。矿井轨道电机车无人驾驶系统。有轨电机车无人驾驶技术在遥控驾驶和远程监控形式上得以实现，但尚未达到自主自动驾驶程度；井下无轨运输车辆无人驾驶受限于汽车自动驾驶技术，且井下环境复杂与地面区别很大，现有自动驾驶技术不能满足井下要求，低功耗和防爆设计难度较大，暂未有实际进展。矿用卡车是露天煤矿运输的主要途径，矿用卡车自动驾驶的发展与无人车技术紧密相关。基于５Ｇ 技术的无人驾驶矿车成功下线国内首台无人驾驶电动轮矿车，并进入矿区试验露天矿区是封闭环境，车辆自动驾驶技术中多种算法在自动驾驶矿用卡车上得以落地，已经基本实现限定场景下的Ｌ３ 级别(有条件自动驾驶)、接近Ｌ４ 级别(高度自动驾驶)。

2. 煤矿辅助运输机器人关键技术

1.实时目标检测。目标检测是计算机视觉和图像处理的重要分支，用于识别图像中目标的位置和确定目标分类，而实时目标检测必须能感知环境解析场景并作出快速反应。动态性是煤矿运输机器人的一个重要特征，一方面机器人作用对象是动态的，如选矸机器人需在高速运动的带式输送机上分拣出矸石，另一方面机器人本身是运动的，如搬运机器人、井下无轨胶轮车，无人驾驶车必须能识别周围所有物体的位置、交通信号灯指示状态等。煤矿井下受到光照度、粉尘、水汽等影响，即对目标检测表现出场景多样性，目标检测算法输出结果将直接影响后续的机器人行为描述和动作执行，因此对实时目标检测算法的要求较高。现主流的基于深度学习的目标检测算法虽然取得较好效果，但与真实场景下的应用还有一定差距，目标分类和目标定位两大关键技术仍需深入研究。对于机械臂主导类的机器人，由于机器人需要接触目标物，因此除基于视觉传感器进行目标识别和检测外，使用基于触觉传感器的物体识别也是重要研究方向，使用了触觉传感器代替视觉分析系统，对于外表特征相似但材质不同的目标物可大幅降低误识别率。

2.煤矿环境导航定位与避障。机器人通过传感器主动或者被动地确定自己在环境中各时刻的相对位置和姿态，通常采用组合定位实现。精确导航以定位为基础，规划出起始点和目标点之间的无碰撞路线，导航过程中，需时刻感知和躲避机器人周围的动态和静态障碍物。露天煤矿和井下煤矿在区域上都相对固定，可看作全局已知环境，构建详细的先验地图有助于减小机器人状态估计误差和提高回环检测精度；随着开采和其他作业使得环境发生改变，先验地图将无法准确描述环境，或对于未知的环境，则可利用技术构建局部环境的增量式地图，完成位姿估计。煤矿井下物联网技术成熟，多布置有工业环网、人员定位基站等设施，方兴未艾的车路协同技术是基于物联网的，将两者相结合可为无轨胶轮车构建井下车联网，对实现井下自动驾驶和智能辅助运输意义重大。其中，即车与井下路面设施实现信息交互，如红绿灯、定位基站、监控系统等；即车与车协同实现井下无轨胶轮车之间的信息交换，可有效执行巷道错车与避让，防止车辆剐蹭和追尾以及井下交通信息共享主要用于实现安全应用，如井下行人预警、车辆移动中鸣笛减速预警等。

3.路径规划与轨迹跟踪控制。路径规划是寻找从起始点到目标点的安全路径的策略，全局路径规划利用先验信息确定最优路径，局部路径规划基于传感器感知当前环境并规划出无碰撞路径，规划好的路径是一系列包含空间位置、速度、角度等信息的点，路径点与时间相关即成为轨迹。露天矿卡车、井下无人驾驶运输车作业场景可视为已知结构化环境，建立全局地图模型用于车辆在起始作业点间的全局静态路径规划，在无明显施工改变的情况下无需改变环境模型；车载传感器时刻感知当前环境，主要处理随机出现的行人和其他车辆，可看作非结构化的动态障碍物环境，此时局部路径规划器找出最佳可行解实现无碰撞。全局和局部路径规划相辅相成，共同完成路径规划，两者经过改进可相互转换，路径规划问题的求解可以转换为在离散状态空间搜索最优解，其中状态空间为离散状态及状态之间连接关系的集合。一般地，机械臂的路径规划属于连续域内的全局路径规划问题，在已知工作空间中找出无碰撞的最短安全路径。机械臂路径规划研究又可分成固定式机械臂和移动机械臂的路径规划，选矸机器人是固定式的，而车场推车机器人、搬运机器人则属于移动机械臂范畴，两种类型需分别研究。不同的车辆设计有不同的运动学模型，如阿克曼模型、差速轮模型等，车辆轨迹跟踪可分为纵向跟踪(速度)与横向跟踪(转向)；而机械臂的轨迹跟踪是在关节空间下，对每个关节电机的速度、角度、加速度等进行控制。轨迹跟踪由控制系统和执行机构共同实现，须达到精度高、速度快、鲁棒性好等要求。

4. 汽车线控驱动系统。汽车线控驱动技术ＸＢＷ包括线控油门ＴＢＷ、线控转向ＳＢＥ极大地推动了汽车智能化和自动驾驶的发展。露天矿区是自动驾驶的理想落地场景。无人驾驶露天矿卡车和井下无人运输车辆的商业化和量产化离不开线控底盘或者是基于现有车辆改装的线控系统。线控技术使用了电子装置代替传统的机械油门、液压制动和转向系统，降低活动零部件的复杂度、减轻了整车质量、降低车辆自身能源消耗，提高车辆稳定性与安全性，这种特性将有助于提升煤矿运输机器人安全性、增加续航时间。露天矿卡车载重大惯性大，井下运输车多运行在有一定坡度的巷道，两种情况都存在制动难的问题，因此线控制动系统的稳定性和可靠性对提升车辆和煤矿安全尤为重要。现有多种技术手段用于提高线控制动系统的容错性，一种是硬件冗余设计，即对重要电子元器件进行备份，另一种是解析冗余设计，即通过控制软件设计提高整个系统冗余度。但最根本的是提供备份系统，用于制动单元失效时在不影响现有系统完整性的情况下介入控制，已有研究在线控制动系统中采用双ＥＣＵ 系统相互检测以保证制动的有效性。

我国煤矿开采已经实现机械化和自动化，主运输装备经过多年发展，智能化水平较高，在未来将进一步提升并趋于稳定；辅助运输和露天矿运输装备起步较晚，现阶段已实现国产化，但受限于诸多新技术和政策法规，智能化发展正处于起步阶段，是未来煤矿运输机器人的发展重点。

参考文献：

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［2］赵国旗，杨明，王冰，等．基于智能终端的移动机器人室内外无缝定位方法［Ｊ］．上海交通大学学报，２０１８，５２（１）：１３－１９．

［3］杜雨馨，刘停，童敏明，等．基于机器视觉的悬臂式掘进机机身位姿检测系统［Ｊ］．煤炭学报，２０１６，４１（１１）：２８９７－２９０６．