煤矿井下探测机器人远程控制系统的应用

　　摘要:在我国煤炭生产安全形势较为严峻的背景下，随着远程控制技术的突飞猛进,煤炭行业引进机器人远程控制系统，并通过其进行井下探测工作一直是热点研究课题。首先对煤矿井下探测机器人远程控制系统的应用进行介绍，然后分别从煤矿井下探测机器人远程控制系统的系统模式、系统结构、硬软件设计等方面,研究煤矿井下探测机器人的远程控制系统，并对当前煤矿井下探测机器人控制系统研究热点进行了分析。

　　关键词：煤矿井下;探测机器人;远程控制系统

　　煤矿方向论文范文：浅谈煤矿数据的分析与应用

　　摘要:当今社会科技发展快、信息流通量大，人们之间的交流越来越密切，大数据这个高科技时代的产物也应运而生。煤炭作为工业发展的重要组成部分，其发展关系着整个工业的发展。如今，许多现代大型煤矿已能将井下设备信息上传到地面，在地面就可直观的看到设备当前运行的情况，从而更可靠的进行安全生产。通过结合实例将上传的设备信息数据进行整理和分析，从而预测设备的运行状况，提出建设性建议。同时对加强煤矿安全生产、促进煤炭行业现代化建设、提高煤矿的经济效益和社会效益具有重要的意义。

　　近年来，计算机自动化技术、网络信息传输技术以及仿生学等各学科飞速发展,煤矿井下探测机器人远程控制技术应用也不断深入。控制系统由简单的操作人员控制,到机器人控制，再到多机器人协调控制，取得了由近到远，由简单到复杂，由全程操作到自主控制等全方面的进步。本文结合控制系统研究的热点，分别介绍煤矿井下探测机器人远程控制系统功能、系统结构以及系统的硬件设计等方面，以进一步研究未来煤矿井下探测机器人控制系统的应用,为相关行业生产提供借鉴参考。

　　1煤矿井下探测机器人远程控制系统的现状分析

　　随着人工智能技术的飞速发展,机器人的发展逐步融合了多学科知识,机器人的应用越来越广泛。煤炭行业引进机器人系统并通过其进行井下探测工作已一直是热点研究课题。目前，煤矿搜救探测机器人以及其他各种搜救机器人大多数仍然停留在实验室研究阶段，只有少数国家能够将其应用到实际搜救过程当中。在煤矿搜救探测机器人的研究方面，美国开展的时间比较早，美、日国家目前技术处于世界领先地位。我国在此方面研究起步稍晚，目前仍主要处于实验室研究水平，中国矿业大学煤矿事故探测救援机器人CUMT-1的自主研发,开创了我国煤矿救援探测机器人自主研发并投入应用的先例⑴。CUMT-1机器人由摄像头拍摄矿煤井下实时情况，同时机器人装有温度、气体等环境传感器。

　　由于煤矿井下是非结构化环境，目前技术实现的一些智能化机器人设备不仅价格高昂，而且可靠性及可用性也不强，因此，全球煤矿救灾方面的机器人只能对有限的巷道进行探测救灾。因煤矿服务机器人对人具有很强的替代作用,在绘制矿图、日常维护及巡检预防二次灾害等方面,其技术的应用及推广都具有重要价值⑵。为了经济合理且能够在煤矿井下非结构环境下利用机器人进行环境及资源的探索,由远程控制端发送一些指令给机器人，机器人反馈执行状态和环境信息的实时图像和各种传感信息,仍具有较强的可操作性。一般煤矿井下探测机器人远程控制系统主要支持井下探测机器人检测以及设置相关参数、变换相关状态,对传输回来的信息进行参考判断，再将有关的控制命令及时传输给探测机器人，保证远程客户端和煤矿井下探测机器人之间的交互得以顺利实现，及时应对灵活多变的环境条件，确保煤矿井下探测机器人的实时工作状态能够被远程客户端实时监控。

　　煤矿井下条件较为恶劣，除了必备的防爆、防尘、防潮、抗腐蚀等要求外,对指令的传达以及井下信息数据的传输都有着较高的要求。如不仅要求井下探测机器人能准确地接收指令进行操作，同时要求将井下传感器采集的信息进行准确地反馈。另外多任务处理、高可靠性、低故障率、好的集成性、功耗低、较好的续航性，良好的网络通信功能都是对其性能的基本要求。同时，方便的系统输入与更新，设计使用的直观、简便、易行，也可提高煤矿探测机器人的使用效率。但目前，在煤矿机器人控制系统可靠性方面，并没有成熟的技术和产品。

　　2煤矿井下探测机器人控制系统模式应用分析

　　根据操作人员在控制系统中的参与程度以及控制系统的自主控制程度,煤矿井下探测机器人远程控制系统主要有直接控制模式、监督控制模式和完全自主控制模式3种。

　　2.1直接控制模式

　　直接控制模式又称为完全遥控操作控制模式。主要是由操作人员发出行动指令，再通过远端控制器(如键盘、控制手柄等)等指挥机器人按照指令完成井下作业任务。该控制系统的设计模式对机器人的智能化程度要求较低，只需借助机器人完成简单的机械性动作(如前进、后退、停止、左右转弯等)即可，同时对操作人员的技能和传输网络的稳定性和流畅性要求较高，这种模式不需要控制系统自主进行分析处理,对系统的智能化程度要求低,适用于执行煤矿井下单一、简单的任务，主要作用在于减轻工人的体力劳动。

　　2.2监督控制模式

　　监督控制模式⑷也称为半自主控制模式。这种模式要求控制系统具有一定程度的自主性和智能性，通常需要预先内置信息处理程序并建立探测环境数据模型。该控制模式下，操作者只需将任务转换的指令交代给探测机器人，具体的探测任务则由机器独立完成。这种远程控制体系一般由本地和监控2个回路构成。本地回路主要靠机器人自主完成指令任务,并进行信息分析处理和反馈工作;而监控回路主要用于远程操作人员监督机器人的工作状况以及评价其工作效果，当控制系统出现突发情况时可以人工介入进行处理。现阶段煤矿井下探测机器人远程控制系统主要采用这种模式。

　　2.3完全自主控制模式

　　完全自主控制模式⑷是未来远程控制系统发展的主要方向，主要由多种类型的机器人专家系统和先进的信息传输系统构成。该模式下机器人探测能力、自主程度、数据处理与分析能力以及其他智能化水平较高,操作人员只需提供系统运行条件,下达探测任务，验收探测结果即可，并提供机器人可靠运行所需的辅助条件,例如提供电源、对机器人进行必要的维护等。随着煤矿井下探测机器人远程控制系统智能化程度越来越高，远程控制系统的应用越来越广泛,系统的灵敏性、准确性和稳定性对于探测工作来说也越来越重要。目前影响远程控制系统的灵敏性冋、准确性和稳定性的难题主要集中在煤矿井下探测机器人远程控制系统的硬件设计、系统结构以及系统功能等方面。

　　3煤矿井下探测机器人远程控制系统应用分析

　　3.1机器人远程控制系统结构

　　煤矿井下探测机器人的远程控制系统主要是由远程客户端、中间层以及本地机器人控制等3个子系统所组成何，其系统结构如图1所示。机器人本地控制子系统主要是由车载PC、视频收集设备以及机器人本体所组成。该子系统的功能主要是:接收来自客户端的控制命令,实现本地控制以及通过中间层向客户端反馈信息等，以保证远程客户端能够实时掌握机器人的状态;对于机器人以及现场的情况需要依靠视频收集设备进行摄像，对收集到的视频图像进行处理(如压缩)，再传输到客户端，从而及时更新客户端的图像及视频信息。

　　基于此，远程控制工作人员可以方便地对现场环境以及机器人的状态进行监控。简而言之，煤矿井下探测机器人的远程控制系统中的中间层子系统就是中介的功能，主要有以下几个方面:(1)保证客户端子系统以及机器人本地控制子系统之间顺利实现交互;(2)进行相关视频资料的实时传输，远程客户端子系统的关键部分是远程控制计算机，它和客户进行直接的交互，其主要的功能就是进行获取多传感器的数据，例如视频等相关信息、机器人及场景信息以及对客户输入信息进行记录等。

　　3.2系统硬件以及软件的设计

　　3.2.1硬件的设计

　　煤矿井下探测机器人可以看成一个规模不大的工作站，其最大的优点是突出的处理能力和优越的选择性能。此外，远程控制计算机结合一些辅助设备(如投影仪等)就可以成为一套具备优越性能的视频监控系统。由于机器人在矿井下工作的环境十分复杂，无线信号会受到很大干扰，因此信号的强度及质量将大大降低,为了应对复杂的矿井作业环境必须特制一些无线通信产品。目前很多煤矿井下探测机器人都采用MDSinet900网络电台，与其他通信产品比较，这种网络电台的最大特点是能够实现高速率以及远距离的传输，同时还具有可靠性和极高的安全性他。煤矿井下探测机器人的车载PC能够较好地满足实际需要，具有牢固耐用、占地面积小以及嵌入式工控机等优势。同时还可在车载PC上通过以太网连接多台电台，其中大多数的视频采集设备都采用Osprey-210视频采集卡以及索尼EVID100PCCD摄像机。

　　3.2.2系统软件设计

　　煤矿井下探测机器人的软件设计方案需要结合煤矿探测的实际需要以及远程控制系统本身的特点，主要是选择远程客户端程序以及C/S架构组合机器人端程序进行软件系统的组建⑴)。远程控制系统软件设计都是采用Windows系统，而且都是在VisualC++开发环境下实现WinSocket的编程。机器人主程序主要负责与控制中心建立连接并接收发送来的控制命令，启动相关状态参数、环境信息及视觉子程序,以实现收集并发送视觉图像，对有关的命令进行解析、按照相关的命令对机器人进行指示以及保证远程客户端顺利通信。其中主要涉及到发送状态信息与接受控制命令，实时捕获机器人的实际运行信息等。对于远程客户端程序来讲,需要依靠远程控制、视频显示以及视频接收等子线程来实现和机器人传输有关的控制命令、与终端顺利实现通信、保证实现人机交互、把煤矿井下实时环境信息进行显示以及视觉资料进行实时显示。

　　3.3关键技术要点

　　3.3.1自主环境适应技术

　　鉴于煤矿井下复杂的环境，机器人必须具备较强的自主环境适应技术。导航技术、动力能源技术、电路集成度、防爆技术、可靠性技术、学习问题较强的环境适应能力以及较强的危险应变能力等关键技术都决定着煤矿井下机器人的研发应用进度,仅仅依靠对煤矿井下探测机器人采用一些远程的控制势必会导致机器人的运动效率大大降低。因此，对于煤矿井下探测机器人来讲,能够一定程度自主应对煤矿井下复杂及恶劣的环境适应技术十分关键M。

　　3.3.2煤矿井下的通信技术

　　通信技术主要包括机器和机器、机器和人、人和人之间的通信。煤矿井下通信一般采用有线或无线方式,有线通信受到导线限制,无线通信在一定情况下信号传输会受到限制。当井下发生安全事故，巷道结构会受到不同程度的损坏，很可能导致后续爆炸以及塌方的发生。此时，地面指挥中心需要收集井下巷道的风速、温度、煤尘以及有害气体浓度等数据资料，做出相关的决策。但巷道中的回波会在很大程度上干扰无线通信信号,这就需要对信息传递方式进行专门的研发，研发的重点主要集中在基于多中继点的井下无线通信、数个机器人长距离通信中继方法、自主返回技术、光纤自主释放技术以及基于加强光纤的宽带通讯等。

　　4结论

　　本文针对目前国内煤矿井下探测机器人远程控制系统的应用现状及其远程控制系统功能、系统结构以及系统硬件软选择及设计方面，进行了概述性研究。在探测机器人控制系统模式应用分析的基础上，研究应用合适的关键技术，根据煤矿井下实际需求，可以进一步优化煤矿井下探测机器人的远程控制。随着煤矿机器人在控制、通信、导航及可靠性技术等方面的不断发展，探测机器人在控制系统的智能化、产品化方面不仅可以代替工人在煤矿井下复杂高危的环境中工作,还将具备自主识别危险和智能传递分析井下实况信息的能力，高精度、高适应性、高环保性的煤矿机器人将不断出现，从而推动煤矿机器人向无人化方向发展。

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