礦用智能人體除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張為遠(yuǎn) 陳 博

（1.山西三元福達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046300；2.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024）

煤礦井下礦工工作結(jié)束后，衣服上全都是煤末，工人在清理衣服時(shí)會(huì)引起煤塵的二次飛揚(yáng)，從而造成煤塵的二次吸入以及對(duì)井上通道和環(huán)境的污染。目前絕大多數(shù)煤礦沒(méi)有意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，而且現(xiàn)有的除塵設(shè)備多為簡(jiǎn)單的機(jī)械排風(fēng)除塵，其吸塵罩都需要手動(dòng)調(diào)節(jié)，礦工工作服厚重，清理極不方便而且除塵效果一般。本設(shè)計(jì)針對(duì)上述問(wèn)題，在礦工的出礦通道內(nèi)設(shè)置一系列傳感器，通過(guò)傳感器獲取人體的位置信息，再根據(jù)AI 人體姿態(tài)識(shí)別技術(shù)確認(rèn)人體的實(shí)際姿態(tài)，利用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)智能除塵。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

智能人體除塵系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和受控單元四部分構(gòu)成。系統(tǒng)整體框架見(jiàn)圖 1。

圖1 整體框架圖

1.1 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)系統(tǒng)各單元初始化后，沒(méi)人進(jìn)入到工作區(qū)域時(shí)系統(tǒng)處于低能耗模式。當(dāng)紅外熱釋傳感器檢測(cè)到有人體信號(hào)出現(xiàn)在工作區(qū)域內(nèi)并停留超過(guò)三秒時(shí)，工控機(jī)做出反應(yīng)，開(kāi)啟除塵模式，通過(guò)AI 人體姿態(tài)識(shí)別以及測(cè)距傳感器確定人體的位置以及姿態(tài)，工控機(jī)設(shè)計(jì)除塵器的工作路線，然后打開(kāi)除塵系統(tǒng)并控制機(jī)械手臂進(jìn)行除塵。第一遍除塵結(jié)束后，根據(jù)除塵過(guò)程中除塵口的粉塵濃度檢測(cè)裝置檢測(cè)到的平均粉塵濃度，確定除塵是否達(dá)標(biāo)，若沒(méi)有達(dá)標(biāo)則會(huì)重新除塵第二遍，當(dāng)達(dá)到除塵標(biāo)準(zhǔn)或人體自行離開(kāi)五秒后，中斷除塵模式，關(guān)閉除塵系統(tǒng)，同時(shí)控制機(jī)械手臂復(fù)位。系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

1.2 傳感器選型及分布

本單元主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，其中包括粉塵濃度檢測(cè)儀、測(cè)距傳感器組、紅外熱釋傳感器。其中粉塵濃度檢測(cè)儀設(shè)置于除塵口，用于檢測(cè)除塵是否達(dá)標(biāo)。測(cè)距傳感器選用的超聲波傳感器的探測(cè)范圍在15～500 cm，可以滿足人體定位需求。但由于除塵口需要靠近人體，故另選紅外測(cè)距傳感器。紅外傳感器有光束發(fā)散小、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，它的測(cè)距僅有0～25 cm，剛好滿足吸塵口的要求。紅外熱釋傳感器可以識(shí)別進(jìn)入工作區(qū)域的是人還是物。人體恒定的溫度（約37°）可以輻射出一種波長(zhǎng)約為10μm 的紅外線，熱釋電紅外感應(yīng)元件可以接收到這一波長(zhǎng)的紅外線從而做出判斷。它的能耗極低，同時(shí)對(duì)熱源輻射反應(yīng)迅速而且普遍體積偏小。

在0 點(diǎn)處設(shè)置AI 人體姿態(tài)識(shí)別的本安型攝像頭且45°朝下與紅外熱釋傳感器并排，此處測(cè)距傳感器組需要一組設(shè)置在吸塵口上方。在天花板上布置多組超聲波測(cè)距傳感器：兩排，每排間距50 cm，一排兩個(gè)，每個(gè)間距50 cm。在掛置吸塵口的墻壁上安置兩列傳感器組，兩列間隔50 cm，每列三組傳感器，每組之間間隔50 cm。具體如圖3 所示。

圖3 傳感器分布圖

1.3 數(shù)據(jù)采集、處理及控制單元

本單元以工控機(jī)作為處理中心，以西門子S7-300 控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的控制，一方面采集傳感器的數(shù)據(jù)，另一方面根據(jù)人體姿態(tài)識(shí)別對(duì)人體輪廓的掃描結(jié)果，在確定人體姿態(tài)后發(fā)出控制指令，控制機(jī)械臂沿人體邊緣進(jìn)行除塵。

1.4 受控單元

受控單元主要指的是吸塵口、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等除塵裝置以及控制吸塵口方位的機(jī)械手臂。除塵器采用負(fù)壓除塵集塵裝置，以礦井壓風(fēng)作為動(dòng)力源，適合于煤礦井下應(yīng)用，其供電電壓為127 V。除塵集塵裝置配置6 個(gè)吸塵口，可以滿足6 個(gè)工人同時(shí)對(duì)自身煤塵進(jìn)行清理，還設(shè)置兩臺(tái)集塵箱，可以根據(jù)吸塵口工作的數(shù)量自動(dòng)啟動(dòng)，且兩臺(tái)具備輪換工作的功能，可以有效保護(hù)整個(gè)裝置。吸塵口的寬度為26 mm，傾斜角為140°，排氣管直徑為30 mm。

1.5 主要識(shí)別技術(shù)

AI 人體姿態(tài)識(shí)別采用隱馬爾可夫模型，它是目前應(yīng)用最廣的一種方法。HMMs 由狀態(tài)和觀測(cè)兩部分組成，是一種基于轉(zhuǎn)移概率和傳輸概率的隨機(jī)模型，系統(tǒng)當(dāng)前所處狀態(tài)的概率只與前一個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)有關(guān)，與其他歷史狀態(tài)條件無(wú)關(guān)。在HMMs 的識(shí)別過(guò)程中，首先提取出特征序列，然后通過(guò)學(xué)習(xí)算法進(jìn)行模型參數(shù)訓(xùn)練，最后對(duì)未知的運(yùn)動(dòng)序列進(jìn)行識(shí)別分類。

2 應(yīng)用及展望

本設(shè)計(jì)以三元福達(dá)煤業(yè)有限公司的智能除塵為研究背景，采用智能控制設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，提出了一種智能除塵系統(tǒng)，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

人體姿態(tài)識(shí)別準(zhǔn)確率/%人體識(shí)別時(shí)間/s人體覆蓋率/%光照條件下 94 0.78 79.37身邊有人干擾 91.3 1.03 74.7～76.3

正常情況下，人的頭身比為1：7，需除塵的面積約為85.7%～83.3%，則系統(tǒng)覆蓋需除塵面積比約為92%～95.2%，符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。人體姿態(tài)識(shí)別時(shí)間不超過(guò)1s，具有靈敏的反應(yīng)、較高的可靠性，整體上取得了良好的應(yīng)用效果，具體如下：

（1）本系統(tǒng)的工作感應(yīng)距離可達(dá)到1.5 m，工作感應(yīng)廣度可達(dá)到135°。

（2）本系統(tǒng)可在距人體5～7 cm 的距離進(jìn)行除塵工作，確保除塵效果的同時(shí)，不會(huì)對(duì)人員造成損傷。

（3）本系統(tǒng)可以在工作人員進(jìn)入工作范圍時(shí)及時(shí)感應(yīng)并判別是人還是物，當(dāng)工作人員在范圍內(nèi)停留三秒則系統(tǒng)自動(dòng)判別有除塵意圖，并開(kāi)啟除塵系統(tǒng)，在工作人員離開(kāi)系統(tǒng)感知范圍5 s 后或達(dá)到除塵標(biāo)準(zhǔn)時(shí)除塵系統(tǒng)停止工作。

（4）在除塵系統(tǒng)開(kāi)啟以后，受控單元中的機(jī)械臂可以攜帶除塵口進(jìn)行平移、翻轉(zhuǎn)等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體除塵范圍的全覆蓋，故而可以達(dá)到最初設(shè)計(jì)智能除塵的目的。

本智能人體除塵系統(tǒng)具有主動(dòng)性、智能識(shí)別性，實(shí)現(xiàn)了人體的全覆蓋除塵，解決了目前大多數(shù)固定式或手動(dòng)移動(dòng)式除塵設(shè)備的弊端，極大地提高了除塵設(shè)備的使用率以及工人的除塵效率。