基于DSP的煤礦巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝志勇，朱娟芬

(婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底 417000)

0 引言

煤炭是我國重要的能源，全國50%以上的電能由燃燒煤炭產(chǎn)生[1]。煤炭在開采過程中，經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)、透水、冒頂、刮板輸送機(jī)故障、帶式輸送機(jī)皮帶斷裂、液壓支架損壞等問題，每年造成大量的財(cái)產(chǎn)損失甚至井下人員傷亡。為緩解這些問題，煤礦每年花費(fèi)大量的人力物力對(duì)井下關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和巡檢，但是人力巡檢精度差且效率低。為了提高煤礦井下設(shè)備的巡檢效率，巡檢機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，與人工巡檢相比，巡檢機(jī)器人可長時(shí)間、高效率、高精度地監(jiān)測。西門子等公司研發(fā)的巡檢機(jī)器人集多種傳感器于一體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下工作面關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測，有效保障了工作面操作人員和設(shè)備的安全；美國的高通等高科技公司將芯片技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下設(shè)備的巡檢和監(jiān)測領(lǐng)域，進(jìn)一步提高了設(shè)備的可靠性和監(jiān)測能力[2]。

我國在此方面的研究也取得了較大的進(jìn)展，李陽[3]為解決煤礦井下綜采工作面設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測效率低的問題，提出了一種監(jiān)測煤礦設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的巡檢機(jī)器人，并通過三維建模軟件對(duì)其機(jī)械臂的可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，為提高煤礦井下設(shè)備的監(jiān)測力度提供參考；周密林[4]將先進(jìn)的模糊控制、自主控制技術(shù)與巡檢機(jī)器人相關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)了巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)，并應(yīng)用到煤礦設(shè)備監(jiān)測領(lǐng)域，有效解決了煤礦井下通風(fēng)設(shè)備和液壓支架的狀態(tài)監(jiān)測問題，有力保障了煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)；龍冬[5]通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，將井下地圖輸入到巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)中完成路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和通風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)測；宣鵬程等[6]對(duì)煤礦井下的帶式輸送機(jī)進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測，研發(fā)了一款礦用巡檢機(jī)器人，通過對(duì)帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵部件運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測，縮短了設(shè)備的應(yīng)急故障處理時(shí)間，保障了帶式輸送機(jī)的可靠性，為煤礦安全生產(chǎn)提供支持；孟利華等[7]將機(jī)器人巡檢監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，有效提升了環(huán)境監(jiān)測的效率和精度；周展[8]將懸線技術(shù)與智能化巡檢技術(shù)相結(jié)合，利用智能巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測和故障報(bào)警，有效提升了企業(yè)的智能化水平，縮短了生產(chǎn)線的故障處理時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)的降本增效。為進(jìn)一步提高巡檢機(jī)器人在煤礦井下工作面的可靠性，本研究將DSP技術(shù)應(yīng)用到巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，來改善機(jī)器人的監(jiān)測穩(wěn)定性，并提高巡檢設(shè)備的運(yùn)算精度和效率，為今后開展煤礦井下巡檢技術(shù)的研究提供參考。

1 煤礦巡檢機(jī)器人工作原理及參數(shù)設(shè)計(jì)

為解決煤礦井下通風(fēng)設(shè)備、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及帶式輸送機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測難度較大和效率較低的問題[9]，本文根據(jù)煤礦巡檢機(jī)器人對(duì)計(jì)算精度、響應(yīng)時(shí)間、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性、現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)采集精確性和研制效率等需求，開展煤礦巡檢機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)。

1.1 煤礦巡檢機(jī)器人工作原理

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的對(duì)象為局部通風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)、采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、提升機(jī)、排水等設(shè)備的圖像信息，同時(shí)還要采集井下工作面的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、瓦斯?jié)舛鹊取Ｒ虼耍矙z機(jī)器人在工作時(shí)需設(shè)置溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯榷喾N傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下不同數(shù)據(jù)的采集。由于煤礦井下工作面的環(huán)境比較惡劣，巡檢路徑復(fù)雜，巡檢機(jī)器人在井下工作時(shí)經(jīng)常需要做避障動(dòng)作，此時(shí)機(jī)器人的巡檢狀態(tài)容易出現(xiàn)不穩(wěn)定性，無法將檢測的數(shù)據(jù)有效傳遞到地面的監(jiān)測中心，而且運(yùn)算大量數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)延遲現(xiàn)象。為此，本文采用WIFI網(wǎng)絡(luò)作為傳輸方式，通過在井下工作面布署多個(gè)WIFI節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，當(dāng)巡檢機(jī)器人接入到臨近網(wǎng)絡(luò)后將采集的圖像和數(shù)據(jù)信息發(fā)送到監(jiān)測中心服務(wù)器上。巡檢機(jī)器人在煤礦通信系統(tǒng)中的位置如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人在煤礦通信系統(tǒng)中的位置

巡檢機(jī)器人作為客戶端，可實(shí)現(xiàn)全天候工作，將采集到的環(huán)境信息和圖像信息通過附近的WIFI網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到地面的監(jiān)控中心服務(wù)器上，并通過監(jiān)視器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)采煤機(jī)等設(shè)備出現(xiàn)故障或現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)超標(biāo)時(shí)，會(huì)迅速進(jìn)行故障報(bào)警，提高了煤礦的應(yīng)急故障處理效率。同時(shí)，將數(shù)據(jù)同步保存在數(shù)據(jù)庫中，以便隨時(shí)調(diào)閱查看歷史信息。

1.2 機(jī)器人參數(shù)設(shè)計(jì)

由于煤礦巡檢機(jī)器人不僅本身質(zhì)量較大，而且還需要攜帶各種采集和通訊設(shè)備單元，故其應(yīng)具有優(yōu)良的負(fù)載和運(yùn)動(dòng)能力。本文結(jié)合煤礦井下的現(xiàn)場實(shí)際需求確定機(jī)器人的體型和運(yùn)動(dòng)性能參數(shù)，機(jī)器人技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)

2 煤礦巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

煤礦巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)由四部分組成，分別為DSP控制模塊、音視頻和傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、行走及姿態(tài)穩(wěn)定性控制模塊、WIFI無線通信傳輸模塊。其中，DSP控制模塊是巡檢機(jī)器人整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。同時(shí)，煤礦巡檢機(jī)器人采用了模塊化的硬件設(shè)計(jì)，提高了巡檢機(jī)器人研發(fā)的效率，有效降低了硬件的研發(fā)周期，可實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)企業(yè)的降本增效。煤礦巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 煤礦巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 DSP控制模塊設(shè)計(jì)

DSP控制模塊是巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)的中樞，負(fù)責(zé)調(diào)度和處理其他模塊采集的數(shù)據(jù)，并將指令傳遞到執(zhí)行模塊。本文設(shè)計(jì)的煤礦井下巡檢機(jī)器人采用浮點(diǎn)型DSP控制模塊，與定點(diǎn)型DSP控制方式相比，其計(jì)算效率可提升50%以上。由于煤礦井下的巡檢工況監(jiān)測和采集的數(shù)據(jù)龐大，采用其他控制方法時(shí)冗雜的數(shù)據(jù)處理較為困難，浮點(diǎn)型DSP控制模塊可有效解決這一問題。因?yàn)楦↑c(diǎn)型DSP控制模塊計(jì)算能力強(qiáng)、計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn)正好適用于煤礦井下多設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測的工況。

浮點(diǎn)型DSP控制模塊搭載主頻率為150 MHz的TMS320 F28335芯片，該芯片不僅可通過XINTF總線與海康威視的防爆高清攝像設(shè)備等硬件相配合，還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、采集井下設(shè)備運(yùn)行狀況的功能。同時(shí)，該芯片還提供外部資源端口，可實(shí)現(xiàn)與傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、行走及姿態(tài)穩(wěn)定性控制模塊、遠(yuǎn)程通訊數(shù)據(jù)傳輸模塊的連接通信。

2.2 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

煤礦井下工作面巡檢機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集功能主要分為兩部分：一是采集煤礦井下工作面的環(huán)境參數(shù)，如瓦斯?jié)舛取囟取穸取⒀鯕鉂舛取L(fēng)速等；二是采集局部通風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)、采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。前者通過搭載西門子的溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，后者通過海康威視的防爆高清攝像設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。檢測的氣體種類及標(biāo)準(zhǔn)值如表2所示。

表2 檢測的氣體種類及濃度標(biāo)準(zhǔn)值(體積分?jǐn)?shù))

工作時(shí)，先通過傳感器數(shù)據(jù)采集模塊搭載的FPGA芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后通過FIFO緩存功能對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最后使用浮點(diǎn)型DSP控制模塊對(duì)緩存的復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理后發(fā)到地面檢測中心，其中瓦斯?jié)舛取囟取穸取⒀鯕鉂舛取L(fēng)速等參數(shù)以圖表的形式呈現(xiàn)到監(jiān)視器上。局部通風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)、采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過音頻和視頻畫面的形式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，這種呈現(xiàn)方式有利于操作人員實(shí)時(shí)了解井下環(huán)境和設(shè)備的運(yùn)行狀況，為煤礦安全生產(chǎn)提供了有力支撐。

2.3 行走及姿態(tài)穩(wěn)定性控制模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人對(duì)控制系統(tǒng)的要求較高，需要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與控制命令相一致，要求靈敏度高、誤差小[10]。該模塊需要與超聲波傳感器和紅外傳感器相配合工作，通過這些傳感器采集路徑軌跡前方的障礙物信息，障礙物信息以電信號(hào)的形式傳遞到行走及姿態(tài)穩(wěn)定性控制模塊，經(jīng)過處理后對(duì)機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航。由于煤礦井下工作面現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，為了使巡檢機(jī)器人更好地適應(yīng)復(fù)雜的行走工況，機(jī)器人采用三臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備行走和調(diào)整姿態(tài)。電機(jī)參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)技術(shù)參數(shù)

巡檢機(jī)器人底盤采用鋼履帶，同時(shí)在履帶上設(shè)置有搖臂裝置，該裝置通過DSP輸出的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，來調(diào)整巡檢機(jī)器人的重心及姿態(tài)，以實(shí)現(xiàn)避障和跨越障礙的功能。根據(jù)路面的變化情況，使控制巡檢機(jī)器人的搖臂機(jī)構(gòu)和履帶底盤做出反應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)巡檢機(jī)器人重心的功能，以障礙物為支點(diǎn)，通過重心的改變和履帶底盤的配合，實(shí)現(xiàn)跨越障礙物的功能。行走及姿態(tài)穩(wěn)定性控制模塊原理如圖3所示。

圖3 行走及姿態(tài)穩(wěn)定性控制模塊

同時(shí)，該模塊中預(yù)設(shè)了行走路徑規(guī)劃方案，通過傳感器的配合，先執(zhí)行規(guī)避障礙物命令，若無法規(guī)避障礙物，再執(zhí)行前面的障礙物跨越功能。行走及姿態(tài)穩(wěn)定性控制模塊的應(yīng)用，可有效提高巡檢機(jī)器人在井下工作面巡檢時(shí)行走、姿態(tài)和監(jiān)測的穩(wěn)定性，為煤礦井下的數(shù)據(jù)采集提高保障。

3 機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

DSP控制模塊、音視頻和傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、行走及姿態(tài)穩(wěn)定性控制模塊和無線通信數(shù)據(jù)傳輸模塊這四個(gè)模塊分別用來攻克現(xiàn)有巡檢機(jī)器人遇到的計(jì)算精度、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜工況行走穩(wěn)定性以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)入y題。工作時(shí)DSP控制模塊作為神經(jīng)中樞，不斷掃描WIFI模塊、XINTF總線和脈沖寬度調(diào)制(PWM)模塊的子函數(shù)來完成如數(shù)據(jù)通信、圖像采集、環(huán)境信息采集和電機(jī)控制等操作。巡檢機(jī)器人控制流程如圖4所示。

圖4 巡檢機(jī)器人控制流程

巡檢機(jī)器人行進(jìn)工作時(shí)，需要提前將路徑規(guī)劃輸入行走及姿態(tài)穩(wěn)定性控制模塊中，借助超聲波傳感器檢測地形及障礙。DSP控制模塊通過處理傳感器的信息，將指令下達(dá)到行走及姿態(tài)穩(wěn)定性控制模塊，再控制搖臂電機(jī)調(diào)節(jié)重心以障礙物為支點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)障礙物的翻越。同時(shí)，巡檢機(jī)器人設(shè)置有防傾覆系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)最大58°的爬坡性能。

4 結(jié)束語

為了解決煤礦井下工作面通風(fēng)機(jī)、刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)以及液壓支架等設(shè)備監(jiān)測較難，以及巡檢機(jī)器人數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、響應(yīng)時(shí)間較長等問題，本文設(shè)計(jì)了一款煤礦巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)，將浮點(diǎn)DSP技術(shù)應(yīng)用在控制系統(tǒng)，提高了機(jī)器人的運(yùn)算精度，與定點(diǎn)DSP技術(shù)相比，可提高50%的計(jì)算效率。采用WIFI網(wǎng)絡(luò)作為傳輸方式，可滿足對(duì)圖像和環(huán)境信息數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性和對(duì)高帶寬的要求，設(shè)計(jì)的行走和姿態(tài)穩(wěn)定性控制模塊可提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和可靠性，且具有靈活的避障功能，總體來看模塊化的硬件設(shè)計(jì)能大幅提高研發(fā)的效率，有效降低硬件研發(fā)的周期和成本。