煤礦四旋翼巡檢機器人系統設計

張 力，馬宏偉，梁 艷，薛旭升

(1.西安科技大學，機械工程學院，陜西 西安 710054；2.陜西省礦山機電裝備智能監測重點實驗室，陜西 西安 710054)

我國煤炭工業長期以來都屬于高危行業[1]。煤礦環境結構復雜，開采條件惡劣，日常對煤礦設備運行狀況、環境安全參數等重要指標的巡檢是不可或缺的[2]。傳統的地面移動式或軌道式煤礦巡檢機器人主要存在以下不足：一是易受復雜地形影響，空間運動能力受限[3]；二是占用通道資源且成本較高[4]。四旋翼無人機具有結構簡單、成本低、反應靈活、易控制等特點，且能夠垂直起降與定點懸停[5-7]，借助其優勢，能夠有效降低巡檢成本，提高巡檢效率，擴大巡檢范圍。

地面上空作業的四旋翼機器人通常依靠精確的導航定位系統，如北斗或GPS(Global Positioning System，全球定位系統)提供的經緯度信息以及氣壓計提供的高度信息來獲取地理位置[8]；在視距開闊、通信無阻擋的條件下，由飛手遠程操控作業；并通過天空端與地面端的無線收發設備進行信息回傳[9]。然而，煤礦井下由于低照度、空間狹窄、視距受限、無北斗或GPS信號等特點[10-12]，嚴重限制了四旋翼機器人自主飛行和巡檢作業能力的發揮。同時，井下巷道結構復雜、距離長、巷道之間縱橫交錯[13]，無線收發設備之間的信號傳輸近似直線傳播，在井下的穿透能力和繞射能力十分差；雖然可通過增加回傳接入點的方式延長傳輸距離，但需專門在井下增設中繼器[14，15]，安裝成本和維護費用比較高。因此，地面上空常用的四旋翼巡檢機器人不適合于煤礦井下作業。

針對以上問題，本文設計了一種煤礦四旋翼巡檢機器人，該機器人能夠適應于煤礦井下環境飛行，實時探測巷道中的環境參數、設備狀況和人員信息，并通過井下無線網絡將巡檢信息回傳至云平臺，為地面監控中心進行預測分析、預防預警等應用提供了前兆信息采集的基礎。

1 設計方案

1.1 井下巡檢系統介紹

圖1 井下巡檢系統總體示意圖

井下巡檢系統總體示意如圖1所示，為基于煤礦四旋翼巡檢機器人的煤礦井下巡檢系統總體示意圖，由信息采集層、信息交互層和應用管理層組成。系統利用機器人在井下巡檢作業，實時檢測巷道內信息，并通過井下無線網絡將數據信息和視頻信息回傳至云平臺數據庫服務器和流媒體服務器，地面監控中心通過訪問云平臺，實現預測分析、預防預警等應用。本文主要針對信息采集層，即煤礦四旋翼巡檢機器人系統進行設計。

1.2 機器人設計要求

針對煤礦井下環境特點和巡檢需求等，對機器人做出以下設計要求：機身結構應盡可能緊湊，適宜在巷道內靈活飛行；測控系統各儀表及電氣設備應采取適當防爆措施；擴展硬件需體積小，質量輕，便于裝卸；具有飛行調控的能力，能夠在井下自主平穩飛行；具有運算和規劃能力，能夠協調各模塊穩定運行；能夠依靠測控系統進行井下定位和障礙物規避；能夠為系統各模塊提供充足的動力和所需的不同電壓；能夠實時獲取井下環境信息，并對數據和視頻進行處理和回傳，且在低照度時也能滿足作業需求。

1.3 機器人總體設計

綜合上述設計要求，在地面上空作業的四旋翼機器人基礎上，擴展了相關硬件裝置并對測控系統進行了設計，使其能夠適應井下環境自主飛行，并具有一定避障能力。同時，能通過搭載的傳感器和攝像頭實時檢測井下巷道內信息并通過無線網絡實現信息回傳，機器人總體架構如圖2所示。

圖2 機器人總體架構

2 機器人測控系統

2.1 測控系統基本組成

測控系統是巡檢機器人的核心，主要由機載計算機、飛行控制系統、超聲傳感器、溫濕度傳感器和攝像頭等部件組成，如圖3所示。機載計算機采用博通四核A-72架構CPU，配置雙頻無線模塊及視頻編解碼等功能，能夠自主進行航點規劃和各種處理運算，也可通過SSH命令進行人工遠程控制。選取pixhawk開源飛控作為機器人的飛行控制系統，內置多種位姿傳感器，可以實時調整機器人位姿；擁有獨立的故障處理器，能夠做出相應的控制保護。此外，光流傳感器和IMU(Inertial measurement unit，慣性測量單元)等部件構成機器人定位系統；溫濕度傳感器、氣體傳感器、超聲傳感器和攝像頭構成探測系統；整個測控系統由6S鋰電池供電，通過無線網絡與外界進行信息交互。

圖3 測控系統基本組成

此外，為防止發生井下自爆，本設計對測控系統的大電流電器采取澆封方式進行防爆，分別將電池模塊、控制模塊、傳感器模塊、攝像頭模塊等密封在各自防爆盒內，并為攝像頭前端專門配置透明擋板，再通過防爆接口和防爆電纜連接系統各部件，保證井下作業安全。

2.2 機器人主要模塊的功能

測控系統針對機器人井下作業的動力供給、定位避障、飛行控制、環境巡檢和信息回傳等主要功能需求，采用了模塊化設計，具體如下：

2.2.1 電源管理模塊

機器人預期作業長度以2km為例，為了保證數據采集均勻穩定、視頻圖像清晰可辨，設定機器人以2m/s的速度勻速飛行，因此每次巡檢時間約在20min左右。考慮到井下巡檢作業復雜，搭載傳感器等載荷較多，以及對巡檢時間的要求，本文選取了容量為8000mAh的6S鋰電池來保障機器人系統的動力供應。

該電池電壓為22.2V，可直接為電機供電，而機載計算機和飛控系統均需5V電壓供電，若另采用其他電源供電則額外增加了設計成本和系統載荷，因此采用LM2596電壓調節芯片將22.2V轉換為5V，其電路轉化原理如圖4所示。

圖4 降壓電路原理

2.2.2 自主定位模塊

由于地面上常用的四旋翼巡檢機器人定位手段(如北斗、GPS等)無法應用在煤礦環境，因此，本文通過融合光流傳感器與慣性測量單元的數據，確保機器人在煤礦井下能夠達到姿態穩定和精準懸停；在此基礎上，采用基于相機標定法解算出機器人的空間位置坐標，實現井下自主定位，定位原理如下：

通過PX4flow光流傳感器提取圖像中的特征點信息并增添相應的特征描述，利用算法多次迭代篩除誤匹配點，并融合IMU數據以消除光流傳感器誤差，實現機器人在井下巷道中的姿態穩定；對MT9V034攝像頭標定后，拍攝機器人懸停點投影處的地面照片，用標定函數進行處理后，通過相機參數矩陣解算出機器人在巷道地面投影的像素坐標，通過像素坐標和世界坐標的轉化關系，求得投影點的世界坐標，最后代入所測高度值，便得出機器人當前空間位置中的世界坐標。系統運行流程如圖5所示。

圖5 井下定位流程

2.2.3 超聲測距

針對四旋翼機器人空間三維運動的特點，在其前、后、左、右、上、下六個方向安裝KS103超聲傳感器用于探測障礙物信息，該傳感器最大探測范圍為1～800cm，探測頻率可達500Hz。機器人沿預定路徑飛行的過程中，根據探測到的障礙物距離，做出相應操作。當所測距離小于安全值時，則執行避障策略調控飛行狀態，使機器人對當前路徑做出調整以避開障礙物。

2.2.4 飛行控制模塊

煤礦巷道錯綜復雜，空間狹窄，障礙物較多，直接遠程操控機器人飛行作業的難度大、效果差。機載計算機具有航點解算和策略規劃等功能，通過在其上對pixhawk開源飛控進行高層控制應用程序的開發，能夠減小井下飛行控制的難度，提高機器人飛行的自主能力。設計思路如下：在機載計算機上配置ROS(Robot Operating System，機器人操作系統)環境，利用MAVROS軟件包開發高層控制應用程序。通過高層控制應用程序向MAVROS節點發送setpoint_position/local、cmd/arming、set_mode等服務請求來控制機器人飛行，并利用MAVROS節點訂閱state、local_position等話題來實時獲取機器人的飛行狀態及位置信息反饋給機載計算機，系統使用MAVLink協議通信，軟件結構如圖6所示。

圖6 軟件結構

2.2.5 環境巡檢模塊

該機器人在沿任務路徑飛行的過程中，通過自身搭載的傳感器和攝像頭實時檢測井下環境參數、設備狀態和人員信息，有效地提升了巡檢作業的效率和經濟性。該模塊主要從溫濕度檢測、氣體濃度檢測和圖像檢測方面進行了設計，機器人巡檢流程如圖7所示，具體內容如下：

圖7 機器人巡檢流程

1)溫濕度檢測DHT22數字溫濕度復合傳感器，采用單線制串行接口通信，體積小、質量輕，占用載荷少。機器人啟動DHT22獲取環境中溫濕度信息，經處理后將數據存儲并繼續下一輪檢測，機載計算機實時將檢測值與設定閾值對比，超過設定值則啟動報警。

2)氣體濃度檢測煤礦巷道中的甲烷等可燃氣體，一旦濃度超過一定范圍，會對人員健康造成危害，同時還會引起火災或爆炸等事故發生。本文選用MQ-5氣體傳感器，通過氣敏材料二氧化錫(SnO2)，將甲烷等可燃氣體的濃度變化轉化為電氣特征變化，再經過AD模塊轉換及濃度換算后得到氣體濃度值。當環境中氣體濃度超過設定閾值時，傳感器會發出報警信號。

3)圖像檢測由于巷道內不宜飛行過高，為了得到較大的采集范圍，該機器人選用了視角較寬的G180H廣角攝像頭，且具有紅外夜視功能，當機器人作業環境光線較暗時，仍能通過攝像頭采集煤礦內圖像信息，并可通過程序重新設定采集方式和視頻捕獲格式來提高畫面質量。

圖像采集如圖8所示，分別為光線充足和低照度兩種情況下攝像頭采集到的圖像，采集畫面清晰，識別度高，均能滿足井下巡檢作業的需求。

圖8 圖像采集

2.2.6 信息回傳模塊

在不增設回傳中繼器的前提下，為了實現井下信息的長距離可靠回傳，本文提出了利用現有井下無線網絡將巡檢信息實時發送至云平臺數據庫和流媒體服務器的信息回傳設計方案：

1)數據回傳。在機器人上創建巡檢系統的本地數據庫MySQL，針對不同檢測信息，分別建立了“dht22”、“MQ5”、“flight_state”和“current_position”數據表用于存儲溫濕度、氣體濃度、飛行狀態和機器人當前位置的數據，并配置好python編程接口。在各傳感器數據采集的Python程序中添加“插入到數據庫”的語句，并在云數據庫MySQL中創建對應的巡檢系統數據庫及表格，設置好外網連接模式，接著在python程序中配置好外網連接地址。當機器人執行數據采集程序時，檢測到的數據也同時回傳至云數據庫MySQL。

2)視頻回傳。在云平臺上搭建好nginx流媒體服務器，并配置好rtmp(Real Time Messaging Protocol，實時消息傳輸協議)服務。機器人通過ffmpeg對攝像頭采集的圖像數據進行編碼處理，并將編好的H.264碼流封裝成rtmp消息包，利用井下無線網絡將視頻推送至云平臺流媒體服務器，地面監控中心只需知道rtmp推流地址便可在廣域網下監看回傳的視頻畫面。

3 機器人樣機實驗

3.1 飛行實驗

本文在高3.5m，寬4m的實驗室環境下，對巡檢機器人的自主飛行性能進行了測試。通過MAVROS向飛控發送目標位置，令機器人在初始航點2m高處從懸停狀態開始飛往目標位置，并在預定線路中的不同位置分別設立了三處不同障礙物，機器人飛行航點軌跡如圖9所示。通過分析飛行軌跡及其在XY平面和YZ平面的投影可知，機器人自主飛行性能良好，能夠按照預定路線飛往目標位置，并能針對三處障礙物作出明顯的航點和線路調整，分別執行了向右避障、向左避障和向上避障。

圖9 機器人路徑軌跡圖

3.2 信息回傳實驗

本次實驗在團隊現有的云平臺上，分別進行了數據和視頻信息回傳的實驗，初步證實了方案的可行性，具體如下：

1)配置好測控系統，將其接入實驗室Wi-Fi網絡進行測試，執行采集程序后，在巡檢系統云數據庫中查看回傳的巡檢數據結果。

2)在實驗室Wi-Fi網絡下進行視頻推流測試，在手機端和電腦端輸入rtmp推流地址，便可在廣域網下同時監看回傳的視頻畫面。本次實驗中視頻的幀率為25f/s，延遲約2.5s，分辨率為720×480，初步證實了視頻回傳方案的可行性。

4 結 論

1)針對井下環境特點和煤礦巡檢需求，分析了機器人硬件選型及測控系統設計的要求，提出了適用于煤礦巡檢的四旋翼機器人設計方案。通過進行飛行實驗，結果表明，該機器人運行穩定，自主性能良好，解決了傳統用于地面上空的四旋翼機器人無法在煤礦井下作業的問題。

2)通過進行信息回傳實驗，結果表明，該機器人能夠將巡檢信息實時發送至云平臺的數據庫和流媒體服務器，實現信息可靠回傳，解決了利用收發設備在巷道內進行信息回傳時，信號易受遮擋、距離易受限制且對硬件要求高、花費需求大等問題。

3)由于當前硬件環境局限，本文暫將飛行實驗與信息回傳實驗分別進行了測試，并初步驗證設計方案的可行性。但系統各模塊具有較高的可移植性，下一步可集成完整的機器人平臺進行實際巡檢試飛，并通過配置4G或5G模塊，進一步提高方案可靠性。