带式输送机巡检机器人智能传...控制系统设计及现场试验分析_耿杰龙.pdf

带式输送机巡检机器人智能传感与控制系统设计及现场试验分析耿杰龙（西山煤电官地矿运输区，山西太原030022）摘要：为了提高带式输送机运输系统的巡检工作效率，提出一种带式输送机巡检机器人控制系统，对系统构成及传感器进行研究，对巡检机器人的图像采集功能、环境感知功能等优化设计进行重点分析。经现场工业性试验结果表明：该控制系统可以实现对数据、图像以及声音的识别，同时具备监测预警功能，有效提高了巡检效率，取得显著应用成效。关键词：带式输送机巡检机器人控制系统工业性试验中图分类号：TD67；TP242文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0181-03引言随着井下智能化的发展与普及，将机器人安放在井下巡检任务中来替代普通工人的巡检工作，不但可以使得巡检工作的缺陷有效避免，还能减少井下作业人员的数量，实现井下少人化、自动化的要求，对煤矿的安全高效生产多了一份保障。本文提及的巡检机器人不但能适应高强度下的连续作业，还对工作环境的适应性较强。近年来，带式输送机越来越成为井下煤炭物料运输的关键设备，然而输送带由于长时间受到载荷的压迫，难免会出现破损、偏离中心等现象1，从而对工作效率造成了不同程度的影响，因此，煤炭企业需要针对此现象派遣大量的巡检人员进行巡检工作，出于井下的温度低、光线暗等恶劣条件，工人很容易出现疲惫的情况，从而降低了巡检工作的准确度。所以，设计一台具备巡检功能的机器人，并将其投放到井下是十分有意义的。1煤矿巡检机器人研究现状截至目前，国内外学者对该领域的研究都非常有限。就矿用巡检机器人的智能传感与控制方面的研究，卢万杰等学者通过对识别算法的优化，使得矿用巡检机器人完成了对煤矿机械设备的准确识别与区分。为控制瓦斯等有毒有害气体，聂珍和马宏伟2研制出了一种可以检测巷道气体浓度的机器设备，它可以实现对巷道内多种气体浓度的识别与分类，一旦浓度超出预期，那么它就会报警。宣鹏程等学者研制出了一种带式输送机巡检机器人，该机器人可以通过固定的轨道来实现对胶带的巡检工作，通过采集声音以及图像信息，来将异常情况反馈到工作人员。此外，张涛等学者通过在输送带上安置雷达相机，采用多种传感器相融的方式，来对输送机的运行状态作出判断，这也在一定程度上降低了输送带故障损失，减少了工人的作业量。2智能传感与控制系统的设计由于煤矿的工作环境是恶劣的、极端的，因此可以将巡检机器人的种类大体分为三类，根据巡检方式的不同，可细分为地面巡检机器人、轨道巡检机器人以及飞行巡检机器人3。对这三类机器人进行分析，考虑到煤矿井下的地面并不是理想的平面，因此要求地面巡检机器人不但要具备防爆功能，还要有一定的翻越障碍的能力，可以说研究起来较为棘手。此外由于飞行巡检机器人在飞行时，其续航能力一直是困扰学者的一大难题。综合分析，最终将研究方向定在了轨道巡检机器人上。该类型机器人在工作前需要对其进行防爆处理，并且还要对其巡检轨道做出合理设计，在该类机器人进行工作时，要对其环境内的声音以及图像进行收集，并将自身位置实时提供给监控人员，此外还应对井下的障碍做出应对，因此，要设计出一种智能传感与控制系统，并将其应用到巡检机器人之中，如图 1 所示为智能传感设备的安装位置。控制系统由多个模块组成，其中包括图像采集模块、声音识别模块、环境感知模块以及有关通信的模块，具体结构如下页图 2 所示。2.1图像采集模块轨道巡检机器人在进行巡检任务时，要对工作环境的图像进行采集，同时将收集到的异常信息及时回收稿日期：2022-02-01作者简介：耿杰龙（1989），男，山西永济人，硕士，毕业于太原理工大学安全工程专业，机电工程师，研究方向为机电工程。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.071图 1巡检机器人传感器示意图激光传感器高清摄像机红外热成像仪双视云台防爆箱体自动化系统设计机械管理开发第 38 卷馈到监控中心。由于井下的环境恶劣，昏暗的环境中难免会影响到图像的采集工作，因此，本文将以高清低光线相机与红外线成像仪搭配使用，将高清低光线相机的光学变焦设置为 4 倍大小，可以将像素提升到一定水平，此外它还具备补光性能，能够清楚地展现低光线条件下的图像资料。带式输送机在运输过程中，其关键部件托辊的温度会升高，因此采用红外线成像仪能够通过图像的形式，将带式输送机托辊的温度实时反馈给监控中心，一旦出现温度过高的现象，就会报警，此外针对温度异常的情形也会提醒工作人员，如表 1 所示为红外线成像仪的具体参数。在带式输送机运行途中，难免会出现输送带偏离轨道、输送带表面出现异物未及时清理等现象，所以图像采集模块还应具备视觉智能检测分析功能，其具体原理如下：将采集到的图像进行噪声消除处理，然后经由图像平衡化的手段把采集到的图像进行归一化处理，再结合被测物体的特点来判断被测物体是否存在。此外，还要对一些不太重要的图像进行压缩处理，以缓解视频的储存压力。2.2声音识别模块上文中提到的图像采集模块虽然可以及时发现输送带破损、偏离中心等已知问题，但是对未知问题还不能进一步分析，因此需要安装声音识别模块来采集输送带在工作时发出的声音，同时将采集到的音频资料与正常工作状态下的输送带声音做对比，以此判断其是否有潜在的风险。在进行声音识别模块的设计时，通过选取大尺寸的振膜来提升采集声音的精确度，该振膜具备抵抗噪声能力强、音频采集范围广等优点。由于井下的环境恶劣，通信功能受到挑战，使得工作人员遇到紧急情况时，未能将信息及时上报，也因此出现了许多的事故。该声音识别模块带有语音对讲功能，同时为了尽量减少噪声的干扰，应用声音清除技术，研制了“噪声抑制电路”，将声音进行除噪处理后，经由智能分析来验证带式输送机是否出现了问题，音频收集器的参数如表 2 所示。2.3环境感知模块即便事先设计好了巡检机器人的运行轨道，然而由于井下的空间有限，工作人员可能在不经意间触碰到巡检机器人，或者是落煤、飞石掉落在轨道上，因此为了解决上述情况，要在巡检机器人的控制系统中添加环境感知模块，使得巡检机器人具备精度较高的定位功能以及躲避障碍的功能。在该模块中，通过姿态传感器来对巡检机器人的工作状态以及运行的速度大小进行实时获取；通过高精度的编码器来对机器人的运行里程做出精确计算，因此就可以算出机器人是否受到了环境因素的干扰从而减低了效率。此外，还要在机器人身上安装定位装置，根据定位算法，实时掌握机器人的位置信息。同时，算法还将探测区域进行了指定，从而完善机器人的避障功能，其探测区域示意图如图 3 所示。3工业性试验及分析3.1红外线测距分析在红外线成像仪工作时，正是通过数据来对输送机的故障进行检测的，针对该性能进行了试验。在试验准备阶段，将轨道设置成水平，并同时安放了 3 台相同设备，通过改变距离来对温度进行检测，具体的试验数据见下页表 3。由试验结果可以发现，被测目标距离越远，红外图 2智能传感及控制系统参数数值像素/DPI320240帧率/Hz25测温范围/-40150视场角/（）6146清晰成像范围/m0.3工作温度/-4060表 1红外线成像仪参数参数数值拾音距离/m15灵敏度/dB-39频率响应/Hz2020 000信噪比/dB60动态范围/dB90最大承受音压（SPL）/dB120工作环境温度/-4070表 2音频收集器参数图 3探测区域示意图TX2 工控机环境感知模块无线通信模块图像采集模块语音识别模块双视云台高清摄像机红外热成像仪低温拾音器姿态传感器编码器激光传感器温湿度传感器无线基站智能手机交换机自由充电站10 m1822023 年第 2 期Intelligent Sensing and Control System for Belt Conveyor Inspection Robots and Field TestAnalysisGeng Jielong（Transport Area,Guandi Mine,Xishan Coal and Electric Power,Taiyuan Shanxi 030022）Abstract:In order to improve the inspection efficiency of the belt conveyor transport system,a belt conveyor inspection robot controlsystem is proposed,the system composition and sensors are studied,and the optimized design of the inspection robots image acquisitionfunction and environment sensing function are focused on analysis.The results of the field industrial tests show that the control system canThe results of the industrial field test show that the control system can realize the recognition of data,image and sound,and also has themonitoring and early warning function,which effectively improves the inspection efficiency and achieves significant application results.Key words:belt conveyor;inspection robot;control system;industrial test线成像仪的误差就越大。3.2环境感知试验分析分别针对高清低光线相机以及红外线成像仪来对工作环境进行感知试验，其试验效果如图 4 所示，从左到右依次为支架、电缆、采煤机滚筒以及硐室。其中 4 个场景的温度分别为 19、17、25 以及 27，说明各个地点的设备均处于安全状态。机器人的检测情况如图 5 所示，可以得出检测的地点设备也都处于安全状态。4结语综合考虑煤矿的恶劣环境，本文提出了一种针对带式输送机的巡检机器人，同时对其控制系统进行重点的探讨与设计，并将设计出的智能传感与控制系统进行了工业性试验，其试验结果表明，巡检机器人完全可以取代工人进行井下的巡检工作。该项研究也为达成井下的智能化、无人化起到了很好的促进作用。参考文献1江新奇，刘敬玉，李忠飞，等.煤矿巡检机器人智能传感与控制系统设计研究J.煤炭工程，2022，54（1）：179-183.2聂珍，马宏伟.煤矿巡检机器人巷道气体环境智能检测系统设计J.工矿自动化，2020，46（6）：20-25.3张海波，茹瑞鹏，张静.煤矿井下瓦斯智能巡检机器人系统的研究与设计J.中国煤炭，2019，45（4）：79-83.（编辑：高伟）黑体温度/测试距离/m 1 号温度/2 号温度/3 号温度/501.552.552.0无503.050.449.7无505.049.148.1无1001.5102.3101.8无1003.0101.2101.4无1005.0100.999.0无1001.5101.9102.099.51003.0101.4101.396.81005.0100.899.392.61008.097.893.285.6表 3不同距离的检测结果4-2红外热成像仪4-1高清摄像头图 4试验效果图图 5智能检测示意图5-1仪表数据识别5-2旋钮状态识别5-3胶带跑偏识别5-4火焰识别欢迎投稿 欢迎订阅联系电话：0351-7334249电子邮箱：耿杰龙：带式输送机巡检机器人智能传感与控制系统设计及现场试验分析183