礦用多功能監測機器人系統研究

摘要：礦井下工作環境復雜，需要長期監測溫度、瓦斯濃度、支撐物狀態等相關參數，而人工巡檢的方式效率低，存在明顯的滯后性，故提出了一種礦用多功能監測機器人。該機器人由路徑控制模塊、傳輸網絡模塊和參數監測模塊組成，可以實現對機器人巡檢路線規劃，實時數據通信與反饋控制及獲取對應位置上各種特征參數的功能。[A2]"根據該設計理念完成了子模塊結構設計和各種功能實現所需傳感器的選型與分析。實驗測試結果顯示，該礦用多功能監測機器人可以對溫度超限、瓦斯過量、氧氣含量過低等情況進行預警。該系統的設計實現了多參數的同時監測，對于井下安全高效生產具有一定的應用價值。

關鍵詞：礦用機器人"" 輔助救援"" 結構設計"" 功能設計

Research on Multi-Functional Monitoring Robot System for Mining

BI Haijin¹""" BAI Haidong¹""" HE Fenglong¹""" WANG Yuzhang²"" YANG Meng²"" ZHANG Xueliang²

1. Ordos Haohua Fine Coal Co.， Ltd.， Ordos， Inner Mongolia Autonomous Region， 017000 China; "2. Shanxi Dade Measurement and Control Technology Co.， Ltd.， Taiyuan， Shanxi Province， [A3]"030000 China

Abstract： The working environment in underground mines is complex and requires long-term monitoring of parameters such as temperature， gas concentration， and support status. However， manual inspection methods have low efficiency and significant lag. Therefore， a multi-functional monitoring robot for mining is proposed. The robot consists of a path control module， a transmission network module， and a parameter monitoring module. It can achieve the functions of robot monitoring route planning， real-time data communication and feedback control， and obtaining various characteristic parameters at corresponding positions. This article has completed the sub module structure design and the selection and analysis of sensors required for various functional implementations based on this design concept. The experimental test results show that the multi-functional monitoring robot for mining can provide warnings for various situations such as temperature exceeding limits， excessive gas， and low oxygen content. The design of this system enables simultaneous monitoring of multiple parameters， which has certain application value for safe and efficient underground production.

Key Words： Mining robot; Assisted rescue; Structural design; Functional design

為了應對我國煤礦復雜的地質條件和高瓦斯環境^[1]，保障礦井安全生產，引入智能礦井機器人^[2]來替代人工完成日常監測和瓦斯參數測定工作是十分必要的。目前，許多礦井的監測任務仍由人工執行，極端情況下可能引發安全事故^[3]。因此，一些先進礦井已開始采用機器人監測技術，以減少事故損失并提升應急響應效率。基于國內外研究成果，本文利用計算機技術實現煤礦監測機器人的智能控制，既能夠實時調控機器人工作狀態和路徑，又能夠在發現異常或突發情況時，及時將信息傳遞到地面，并采取相應的救援措施，從而為礦井的安全生產提供重要支持。

1 基于智能控制的礦井監測機器人

目前，市面上的巡檢機器人主要分為[A4]"軌道式^[4]、飛行式^[5]和傳統移動式^[6]巡檢機器人。基于煤礦井內環境復雜多變、活動空間狹小等問題，飛行式機器人和傳統移動式機器人難以執行煤礦環境中的巡檢任務。通過在煤礦內安裝專用巡檢軌道，軌道式機器人可以利用[A5]"滑輪系統沿軌道周期性移動，以實現對工作面環境的監控和數據采集，保障煤礦安全生產。

基于煤礦巡檢任務的要求，智能礦井機器人應具備軌跡控制、數據采集、信息傳輸、應急響應等功能。本文設計了一種智能控制系統，涵蓋了移動、路徑控制和參數監測3個模塊，整體結構如圖1所示。

由圖1可知，在這[A7]"3個模塊中，路徑控制模塊由動力模組和機械結構構成；傳輸網絡模塊由無線基站、交換機和充電站構成；參數監測模塊由溫濕度傳感器，瓦斯傳感器和氧氣傳感器構成。

2 智能監測機器人子控制模塊設計

2.1 路徑控制模塊設計

路徑控制模塊主要負責控制機器人的巡檢路徑，是整個巡檢系統的基礎。動力模組則負責為礦井機器人提供動力，同時也決定了礦井機器人巡檢的運動性能。考慮到礦用巡檢機器人的工作需求，動力模組應具備小巧、輕便的特點，再同時綜合成本等因素后，本文以直流微電機作為礦井機器人的驅動電機。

路徑控制模塊的機械結構包括滾輪、安裝支架、輪軸、軸承和超聲波傳感器。安裝支架用于整個機械部件安裝，是機械結構的主體框架；滾輪和輪軸用于機器人在預設軌道上的移動；超聲波傳感器用于礦井機器人自身的測量和定位。

本文設計的路徑控制模塊分為自動模式和人工智控模式2種。（1）自動模式通過自動巡檢系統，以特定算法控制機器人在軌道上進行自主巡檢.（2）人工智控模式則通過智能控制部件對機器人巡檢進行人工干預和指令控制。該智能系統通過無線網絡完成礦井下音視頻數據實時傳輸和對機器人的智能控制。此外，無論自動模式還是人工模式，在電量不足時，巡檢機器人將會自主前往充電站，以實現無人工干預的全自動工作。

2.2 傳輸網絡模塊設計

為了保障數據的實時性，巡檢區域內應實現無線信號的全覆蓋。為實現無線信號全覆蓋，一般每650 m設立1個無線基站^[7]。基于礦井的工作環境和本文設計要求，選用5.9 GHz電信級增強無線AP基站。該基站發射功率可達900 mW，傳輸帶寬高達290 Mb/s，最高CPU主頻750 MHz，最大覆蓋范圍為3.5 km[A8]"。智能礦井機器人控制系統如圖2所示。

如圖2所示，智能礦井機器人和地面控制系統通過無線基站網絡相連，以保障巡檢機器人上傳數據的實時性。同時，操作人員可通過本系統對礦井環境進行實時監控和機器人的遠程控制。

如圖3所示，智能礦井機器人在進入巡檢工作之前會對系統進行自檢，自檢不通過時會發出報警信息，同時繼續進行自檢，直至滿足系統運行條件。進入巡檢工作后，根據運行模式（自動巡檢或人工控制模式）執行巡檢路線，巡檢過程中除正常監控數據外，系統將會同時監控機器人自身運行參數，確保巡檢工作執行無誤。

2.3參數監測模塊設計

本參數測定模塊需要對溫度、瓦斯濃度和氧氣濃度進行監測。為確保礦井內參數的實時監測，應對傳感器進行合理選擇。首先，選擇設置溫濕度傳感器，本文選用礦用安全型溫濕度傳感器^[8]。其饋電電壓為34～50 V，饋電電流為15～24 mA，正常工作環境溫度為-10～30 ℃，該傳感器各項參數符合要求，能夠實現對礦井復雜環境內溫濕度的實時監控和傳輸。其次，選擇設置瓦斯傳感器，本文選用礦用甲烷濃度傳感器，該傳感器測量范圍為0～4.2%，測量誤差小于0.12%。同時，該傳感器具備自主調零、非線性反饋補償、自動適應靈敏度、高濃度自動報警等功能，能夠滿足礦井下檢測要求。最后，選擇設置氧氣傳感器，本文選用礦用氧氣傳感器，相較于常規氧氣傳感器，該設備具有較高的測量精度、寬量程、良好的穩定性、低能耗和強抗干擾能力。該傳感器能夠在-25～55℃內將誤差精度控制在0.15%以內。當氧氣濃度低于設定值時，傳感器會自動報警，滿足煤礦巡檢過程中的安全需求。

3 實驗測試

在煤礦巡檢智能控制系統的實際應用過程中最關鍵的功能是軌跡控制功能、實時監控功能和預警功能。為了驗證該系統的實用性，本文于某煤礦回采工作面進行了工程實踐，測試了系統對于軌跡控制和參數檢測的可靠性。

測驗方案如下：在煤礦回采工作面預鋪設交叉狀的巡檢軌道，在設定路線上設立[A10]"10個坐標點，預先測量各個坐標點的溫濕度、瓦斯濃度、氧氣濃度等參數信息，隨后使用人工控制模式選定巡檢道路，實驗中提前在巡檢路徑上布置了紅外感應裝置用于監測巡檢機器人路徑，之后統計巡檢機器人路徑信息和返回監測參數。[A11]

實際實驗中，巡檢機器人成功按照預設路線巡檢20個測點，同時對各測點參數進行了正確監測。巡檢路線溫度范圍為19.8[A12]"～22.3℃，濕度在85.2%～87.3%之間，瓦斯濃度在0.14%～0.18%之間，氧氣濃度在21.7%～23.1%之間，滿足監測要求，數據顯示該環境滿足安全生產要求。

4 結論

本研究智能礦用機器人控制系統由移動控制模塊、路徑控制模塊和參數監測模塊組成，能夠完成復雜環境煤礦井內的巡檢與參數監測任務。為了確保系統在復雜環境下的穩定運行，本研究選擇了直流微電機作為驅動部件，并選用礦用安全型溫濕度傳感器、礦用甲烷傳感器和礦用氧氣傳感器進行數據監測。

參考文獻

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