煤矿智能机器人发展与应用

煤矿智能机器人发展与应用
摘要：矿山智慧化建设是基于传统数字矿山基础，将物联网、多机器人、
GIS系统等高端技术实施融合，形成集自决策、自控制、感知互联于一体的智慧
化矿山系统。

其中，矿山巡检作为矿山生产中最重要的一部分，有着重要意义。

若巡检出现偏差，会直接影响矿山的生产进度，同时会造成不可预估的损失，机
器人的提出，能够代替人工完成矿山巡检。

但是该过程中会耗费大量的功率能耗，因此对巡检多机器人开展必要的低能耗控制，成为当前绿色智慧矿山建设的重要
组成部分。

但是，以上方法都是针对单一机器人的能耗控制策略，考虑到矿井内
复杂的地理情况，针对机器人的联合控制所消耗的能量较多，需要进一步完善。

为解决上述机器人低能耗控制过程中存在的问题，以工业物联网为基础，设计煤
矿机器人低能耗控制方法。

基于此，本篇文章对煤矿智能机器人发展与应用进行
研究，以供参考。

关键词：煤矿；智能机器人；发展分析；应用分析
引言
在实际开采过程中，为保证生产的高效顺利，一些复杂生产环节仍需要人工
干预。

煤矿井下环境艰苦，一线综采工作面有许多不确定的自然灾害，因此，现
代化煤矿的目标是实现综采工作面的无人化与智能化。

采煤工作面直线度问题一
直是阻碍无人化发展的重要难题，传统煤矿进行一段采煤时间后，需人工调直液
压支架，效率较低。

目前，我国煤矿多为地下矿井，占矿井总量的95%以上。

地
下矿井瓦斯爆炸、冒顶等自然灾害频发。

由于现有矿井自动化程度不高，再加上
井下环境异常复杂，导致矿难事故发生后人工救援困难。

因此，利用机器人开展
煤矿救援具有诸多优点，同时煤矿救援机器人技术是目前煤矿作业自动化领域内
研究的重点方向。

本文将研究机器人的采煤工作面直线度测量、障碍躲避的控制
技术，设计机器人的自动控制系统，实现采煤工作面的无人化值守，利用机器人
检测整个液压支架群的直线度，员工在调度室即可远程控制与监视设备。

1国内工业机器人发展概况
工业机器人在降低生产成本、减轻劳动强度、提高安全等方面具有明显的优势。

我国是全球最大的工业生产强国，对工业机器人的需求与市场拓展有着越来
越迫切的需求。

20世纪70年代，我国一直致力于工业机器人的研究与应用，以
求占有一席之地。

在七个五年规划中，我们把重点放在了电子、智能、机械、基
础元器件、工业机器人等方面，探索出一条符合中国特点的机器人产业发展新道路。

90年代，我国的工业机器人已经逐渐步入了生产和使用的阶段。

自21世纪起，我国工业机器人的需求量迅速增加，年均增长15%~20%，主要用于汽车装配，包括焊接、检测、装配、搬运、打磨、抛光等。

在技术上，我们的机器人和美国、日本还有很大的差距，但在某些方面，我们已经超过了他们。

尤其是我国在量子
技术研究和应用方面，已经形成了较为完善的技术体系，在目前的工业机器人研
究中处于领先地位。

2机器人结构
煤矿井下作业环境相对复杂，障碍点较多，待检设备之间距离较远且地势起
伏较大。

机器人行进过程应保持平稳，对行走机构的地面附着性能以及越障能力
有较高的要求。

因而采用履带式行走机器人来完成井下设备的巡检工作。

机器人
主要由本体、采集部和通信部所组成。

本体负责支撑机器人的驱动与能源供给，
通过采集部的工业相机、激光雷达等设备来收集运行数据，并由通信部完成信息
的传递，最终完成巡检工作。

3煤矿智能机器人发展与应用分析
3.1控制器软件设计
本系统设计的软件基于STM32进行开发，设计的软件主要功能包括传感器的
信号采集、摄像头图像的拍摄、电机信号的控制以及数据的通讯传输功能。

软件
整体采用模块化编程思想，根据不同的子功能，编制不同的子程序。

机器人放在
第一架液压支架平行板上，软件开始执行自检程序，检查传感器与通讯等功能正常，执行直线度测量程序，并沿着液压支架行走，当检测到最后一架液压支架时，测量结束，机器人自动返回。

3.2控制器硬件设计
3.2.1主控制器模块
主控制器采用NVIDIA的JetsonNano开发套件，总体尺寸为69mm×45mm，采
用4核Quad-coreARMA57微处理器的CPU，采用NVIDIA研发的128-coreMaxwell
作为GPU，使用4GB64-bitLPDDR425.6GB/s的内存。

板载2路CSI摄像头接口、4
个USB3.0接口和一个MicroUSB接口，提供外接GPIO口、两个I2C接口、两个UART接口和两个SPI接口。

JetsonNano是业内先进的AI计算平台，支持多种深
度学习框架，如TensorFlow、PyTorch、Caffe、Keras、MXNet等，可实现图像
分类、目标检测、语义分割和智能分析等功能，可用于构建自主机器人和复杂人
工智能系统。

同时具有低功耗和并行处理快速的优势，可以并行处理多个传感器
并在每个传感器上运行多个现代神经网络。

JetsonNano搭载Ubuntu18.04系统，
支持Melodic版本的ROS系统，可实现井下机器人的同步定位与建图功能和自主
导航功能。

采用电源模块输出的5V电压为主控制器JetsonNano供电，通过串口
通信模块和运动模块相连实现运动指令的下发和里程计信息的获取，通过USB接
口连接感知模块的摄像头和激光雷达实时获取环境信息。

3.2.2电机驱动模块
电机驱动模块选用东芝半导体公司生产的TB6612电机驱动元件，TB6612电
机驱动模块的工作温度为-20℃～85℃，具有两路最高频率为100kHz、最高电流
为1.2A直流电流的PWM波输出，可同时驱动两路直流电机实现正转、反转和急
停功能。

相比于常用的L298N电机驱动模块散热性能更好，进行电路设计时不需
设计额外的散热元件。

电机选择带有高精度编码器的12V直流减速电机。

直流减
速电机通过在直流电机外加装一套齿轮通过齿轮线速度的变化，实现在低转速时
为车轮提供较大力矩。

高精度光电编码器通过光电装置实时测量车轮的实时转速
数据，通过运动学公式计算得到机器人的里程计信息。

3.3无线通讯设计
井下环境复杂，有线通讯布线麻烦，成本高，后期使用过程中容易损坏电缆，导致与设备通讯中断，并且工作面存在许多电缆无法到达的地方。

采煤工作面的
电气设备较多，电机电流信号与环境的噪声较大，会产生严重的电磁信号，导致
无线通讯信号易受到干扰，影响数据的实时传输。

因此，本系统采用有线与无线
结合的通讯方式，其中，无线通讯采用WIFI与蓝牙两种通讯。

为了提高无线传
输效率，蓝牙通讯采用最新的BLE5.0协议，理论传输距离可达300m，实测井下
超过30m，大大降低了蓝牙的传输速率，蓝牙传输适用于移动终端的短距离信号
传输。

调度室上位机与控制器之间的无线通讯通过WIFI模块完成，为了保证信
号传输的强度，在液压支架上布置WIFI信号的中转模块。

蓝牙选用高性能、低
功耗的DX-BT20，WIFI模块选用ESP8266型号。

结束语
通过分析煤矿机器人要求，在最优路径长度、搜索用时、能耗等多项评价指
标中，均有良好的表现，表明了基于煤矿机器人路径规划方法的合理性与可行性，可以作为机器人及相关设备路径规划研究的参考。

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作者简介：徐闯（1982-），男，工程师，现就职于中煤科工集团重庆研究
院有限公司，主要从事煤矿安全监控系统研究工作。