物聯網與智能巡徑機器人在煤炭裝卸中的應用

一、引言

一直以來，煤炭開采與運輸具有勞動密集型的特點，生產效率不高，投入資源的收益不大，亟須變革產業組織模式以適應新需求。信息智能技術的發展成果為煤炭行業的創新與發展提供了新的思路，是實現生產力解放的重要保證。本文選擇煤炭裝卸生產組織流程作為研究對象，基于物聯網技術和智能巡徑機器人開發了一套自主裝卸方法。利用這種方法，可以提高煤炭在煤場的周轉效率，構建智能化的煤炭開采-運輸產業鏈。

二、物聯網概述

（一）物聯網組成與功能

物聯網是軟件算法、硬件設備與傳輸網絡深度融合的產物，通過數據采集與分析、信息交互與傳輸等關鍵技術，協助工業生產實現指揮與控制的一體化集成。煤炭采集與運輸為傳統工業的發展提供基礎動力，在信息時代，我們可以探索如何利用物聯網實現產業升級與轉型創新。

（二）物聯網在煤炭行業的應用

在煤炭行業，煤炭裝卸需要大量運輸機械與人員的深度參與以提高工作效率。在保證安全的前提下，如何協調機械的投入時間、規劃機械的運行路徑和指揮人與機械協同互動，是比較困難的任務。基于物聯網的多元功能探索如何實現自主裝卸是提高生產效率的關鍵。

在物聯網中，多型傳感器可以感知機械設備與人工的準確位置，基于任務開發的算法，可以根據工序安排在線調度多種機械設備與人工有條不紊地工作，網絡為數據與指令的實時傳輸提供了根本支持。由此可見，物聯網的出現有利于煤炭行業解放生產力，提高勞動效率，使煤炭在煤場的自主裝卸變得可行。

三、智能巡徑機器人

（一）機器人結構

智能巡徑機器人具備自主導航運動功能，由兩部分組成：一部分是機械底座，是基于阿克曼模型開發的四輪小車；另一部分是六自由度機械臂，前置鏟頭，可以靈活轉動以完成煤炭的裝卸任務。

（二）機器人功能

智能巡徑機器人具有位置感知、自主運動、目標辨識、自動裝卸等功能。各種功能采用不同的方法實現。

1.位置感知功能是通過安裝在機械底座內的三軸慣性陀螺儀實現的。該陀螺儀利用高速旋轉的物體所具有的定軸性和進動性實現對慣性空間的感知，用于確定機器人的實時位置坐標。

2.自主運動功能是通過控制四輪小車的車輪運動實現的。小車基于阿克曼模型開發，兩個后輪提供動力，兩個前輪提供穩定的支撐并實現方向轉彎。小車運動的動力來自于車載蓄電池，蓄電池安裝在機械底座內并能夠提供120V的穩定電壓輸出。小車運動控制的信號既可以來自上位機，也可以來自于人工操作的手柄。

3.目標辨識功能由位于機械底座上獨立架設的攝像頭完成。攝像頭采用CMOS感光元件，具有高清分辨率（1280×960像素）。攝像頭采集到的信號傳輸到上位機后被目標重定位算法處理，給出是否是煤塊的判斷；如果確認是煤塊，則采取下一步行動；否則，放棄發布行動指令。

4.自動裝卸功能由機械臂完成。機械臂的關節由液壓馬達驅動，能夠實現彎曲和轉彎。機械臂的端頭安裝有鏟子，在目標重定位算法發布的運動命令驅動下對煤塊實施采集、轉移和裝車。

四、煤炭自主裝卸的技術實現

（一）技術框架

為了利用智能巡徑機器人實現開采出的煤炭在煤場的自主裝卸，基于物聯網搭建了技術框架。

1.將軟件算法集成在上位機中。軟件算法融合了位置坐標解析、小車運動跟蹤控制、目標比較識別、機械臂運動指令解算等內容。上位機安裝在智能巡徑機器人的機械底座內，并采用本體安全與防水措施。上位機包含微處理器、緩存、I/O接口和顯示面板，其中微處理器采用SIMATIC S7-1500 CPU，提供256MB緩存，I/O接口采用串行模式接收數據，顯示面板采用觸屏顯示信號數據或者接收人工輸入的命令。

2.硬件設備主要基于智能巡徑機器人配置。在阿克曼四輪小車前端安裝有距離探測傳感器，實時監測小車與環境障礙物的間距，一旦發現兩者之間的距離小于安全距離，立即發出聲光報警信號；在機械臂的運動關節處安裝有同樣功能的距離探測傳感器，對機械臂與煤堆、與環境障礙物的間距進行實時監測；在機械臂終端鏟子處，安裝有重力傳感器，對每一次鏟入鏟子中的煤炭重量進行測量，一旦超過鏟子的承重能力后向上位機發送信號，上位機向機械臂發送減少煤炭重量的指令，機械臂將超重部分的煤炭送回煤堆。

3.傳輸網絡主要由連接上位機和硬件設備的CAN總線構成。CAN總線基于ISO 11898系列協議開發，終端分別連接上位機和各種硬件設備。CAN總線采用點對點的方式布設，同類功能的總線排列在同一處線纜內。

（二）技術流程

自主裝卸過程主要由煤堆定位、路徑規劃、自主裝卸、駛出場區等流程組成。

1.煤堆定位。在煤場內，采集到的煤炭被管理人員集中堆放在指定位置。智能巡徑機器人獲知煤炭堆放位置的方式有兩種，一種由管理人員手動輸入位置坐標，另一種是由機器人自主探測。

2.路徑規劃。智能巡徑機器人探測到煤堆位置后，對比陀螺儀對自身位置的定位坐標，將兩者同步傳入上位機，由上位機利用內置的跟蹤運動控制算法向小車車輪發布運動命令。阿克曼小車按照所規劃的路徑向煤堆移動。到達煤堆之前的安全工作位置后，利用攝像頭掃描周圍環境并選擇距離最近的車輛作為工作目標。

3.自主裝卸。在確定目標車輛后，智能巡徑機器人的機械底座架設液壓支腿完成位置鎖定。之后，機械臂開始動作，利用前端的鏟子挖煤，將鏟到的煤炭向車輛艙斗內傾倒。為了配合自主裝卸技術的實施，車輛艙斗上沿安裝有紅外傳感器。傳感器通過發射并接收紅外信號做出艙斗是否裝滿的判斷；傳感器一旦監測到煤炭裝滿信號，立即向上位機發送停止裝車的指令。上位機根據指令向機器人發布暫停裝車的命令，指揮當前車輛駛出裝煤位置、指揮下一臺車輛駛入該位置。智能巡徑機器人檢測到車輛駛入并就位的信號后，重新啟動裝車程序。卸車的程序與裝車類似，區別在于機械臂需要深入車輛艙斗內將煤炭鏟出并移送至煤堆上。

4.駛出場區。當自主裝卸任務完成后，智能巡徑機器人的機械臂收縮并折疊到安全狀態；之后，機器人在管理人員的引導下，或者根據停放位置坐標自主生成運動路徑，運動至安全位置停放，等待執行下一次裝卸任務。

（三）注意事項

利用物聯網和智能巡徑機器人執行煤炭自主裝卸任務，是智能化技術在煤炭行業的探索性應用。為了取得預期的效果，在自主裝卸過程中需要注意以下事項。

1.平整煤場并清除障礙物。提前清理煤場的地面，確保平整并清除掉多余的雜物。提前劃定卸煤區、停車區和機器人停放區域，對區域的位置坐標進行測量并存儲在機器人的上位機中，便于機器人定位和規劃路徑。

2.確保機械設備和人員的安全。在工作時應該禁止無關人員進入現場，避免出現傷人事故；煤場內應該設有安全員和管理人員，安全員主要負責維護秩序，管理人員監督煤炭裝卸程序的執行、及時發布開始或者停止命令。

3.做好機械設備的維護保養。智能巡徑機器人具有復雜的機械結構，同步集成了多種軟件和硬件設備。因此，為了確保機器人始終處于穩定的工作狀態，需要建立嚴格的維護保養制度。維護保養分為定期保養和隨機保養兩類；定期保養按照周、季度、半年和年度進行規劃，隨機保養是當出現故障信號報警或者管理人員發現設備狀態異常時實施的。只有做好維護保養，才能保證機械設備的工作效率，才能確保機械設備的使用壽命不會低于設計值，最終提高機械設備的性價比。

五、結束語

煤炭自主裝卸是提高煤場運轉效率的關鍵。物聯網和智能巡徑機器人的出現，使煤炭自主裝卸中的很多難題迎刃而解。在煤炭自主裝卸過程中，需要不斷探索提高機械設備智能化水平的方法，需要規范操作程序以確保裝卸過程的安全性。利用智能化技術的發展成果，可以解放人力資源、提高生產效率，促進煤炭產業健康、可持續發展，進而為建設國家做出更大貢獻。

作者單位： 鄂爾多斯職業學院