3.0m/s巡檢速度！煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人破解人工巡檢低效難題

為解決煤礦井下高粉塵、低照度以及非結(jié)構(gòu)化地形等復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)致的人工巡檢效率低、風(fēng)險(xiǎn)高以及機(jī)器人通用化程度低的問題，采用模塊化設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，研究了適用于煤礦井下環(huán)境的自主導(dǎo)航和多傳感器數(shù)據(jù)采集方法，構(gòu)建了一套適用于復(fù)雜礦井環(huán)境的巡檢系統(tǒng)。通過在模擬礦井環(huán)境測(cè)試巡檢速度為3.0m/s，沿巷道長(zhǎng)度和高度方向測(cè)量最大誤差分別小于5%和2%，滿足三維重建精度要求。

文章來源：《智能礦山》2025年第3期“學(xué)術(shù)園地”欄目

作者簡(jiǎn)介：王保兵，主要從事煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人研發(fā)工作。E-mail：wangbb@mktm.com.cn

作者單位：北京天瑪智控科技股份有限公司

引用格式：王保兵，王凱.煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人的研究與應(yīng)用展望[J].智能礦山，2025，6(3)：69-74.

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2019年，國(guó)家礦山安全監(jiān)察局頒布了《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》，共提出38種重點(diǎn)研發(fā)的機(jī)器人；2023年1月，工業(yè)和信息化部、國(guó)家能源局、國(guó)家礦山安全監(jiān)察局等十七部門發(fā)布的《“機(jī)器人+”應(yīng)用行動(dòng)實(shí)施方案》，提出支持機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，支持煤礦智能化建設(shè)。

受限于煤礦井下不同地質(zhì)條件，礦山智能化建設(shè)遵循“一礦一策”，煤礦井下環(huán)境高粉塵、低照度、GPS拒止、狹小空間、非結(jié)構(gòu)化地形等特點(diǎn)，對(duì)通用型煤礦井下機(jī)器人的研制提出更大挑戰(zhàn)。目前，煤礦井下巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)型式，一般分為軌道式、輪式和履帶式，尺寸重量大、靈活性差、地形適應(yīng)能力弱，且單一型號(hào)難以滿足不同礦井環(huán)境和工況的要求。

針對(duì)煤礦井下作業(yè)工藝及任務(wù)存在對(duì)象復(fù)雜多樣、標(biāo)準(zhǔn)化程度低、場(chǎng)景差異大等特征，分析適合煤礦井下場(chǎng)景使用的飛行巡檢機(jī)器人技術(shù)，研究了井下飛行機(jī)器人邊界條件約束、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)。滿足煤礦井下應(yīng)用特定場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一種適于煤礦井下使用的飛行巡檢機(jī)器人，搭載激光雷達(dá)和視覺傳感器、氣體檢測(cè)傳感器，可在無光、弱光環(huán)境下自主導(dǎo)航作業(yè)，替代人工實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下設(shè)備或者環(huán)境進(jìn)行巡察。

煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)

煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)器人和遠(yuǎn)端指控系統(tǒng)組成。煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人采用四旋翼構(gòu)型，由動(dòng)力電機(jī)、電池組、控制系統(tǒng)和激光雷達(dá)等組成。地面遠(yuǎn)端指控系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)接收顯示及發(fā)送無人機(jī)控制指令的功能，通過WiFi鏈路接收并顯示飛行巡檢機(jī)器人在煤礦井下采集的點(diǎn)云和視頻數(shù)據(jù)，代替工人巡察作業(yè)。煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成

煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人系統(tǒng)突破多項(xiàng)技術(shù)難題，并具有多方面的場(chǎng)景適應(yīng)性優(yōu)勢(shì)。

（1）模塊化設(shè)計(jì)，滿足不同需求

煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)任務(wù)場(chǎng)景選用不同的傳感器，通用化平臺(tái)，解決單一型號(hào)難以滿足同樣需求，不同礦井環(huán)境和工況對(duì)機(jī)器人要求的難題。

（2）優(yōu)化防爆設(shè)計(jì)，提升續(xù)航能力

煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人攻克了大功率電機(jī)及大容量電池組防爆結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)難題。防爆電機(jī)是巡檢機(jī)器人飛行性能的關(guān)鍵組成部分，防爆電機(jī)功率越大，可驅(qū)動(dòng)旋翼尺寸越大；飛行巡檢機(jī)器人機(jī)動(dòng)性能及載重能力越大，可攜帶電池容量越大，續(xù)航能力也越強(qiáng)，但受限于煤礦井下環(huán)境，通行空間尺寸及現(xiàn)行防爆設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限制，造成防爆結(jié)構(gòu)較大，降低了無人機(jī)機(jī)動(dòng)性及續(xù)航能力。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)飛行巡檢機(jī)器人整機(jī)，綜合評(píng)估結(jié)構(gòu)自重、電池容量、防爆電機(jī)及旋翼效率、散熱等多因素耦合影響，得到煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，確保無人機(jī)在滿足防爆標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，提高在復(fù)雜井下環(huán)境中的工作效率和續(xù)航能力。

（3）提出不同場(chǎng)景的應(yīng)用框架

針對(duì)煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜性，優(yōu)化飛行巡檢機(jī)器人在應(yīng)用中的性能?；诓煌旱V井下飛行巡檢機(jī)器人平臺(tái)和傳感器優(yōu)勢(shì)、監(jiān)測(cè)需求和現(xiàn)有研究成果，提出煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人的應(yīng)用框架如圖2所示。飛行巡檢機(jī)器人搭載多種傳感器可為煤礦井下環(huán)境中不同監(jiān)測(cè)對(duì)象提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用于地形測(cè)繪與建模、巷道環(huán)境信息及設(shè)備工作狀態(tài)巡察監(jiān)視、盲巷地形結(jié)構(gòu)探測(cè)以及氣體監(jiān)測(cè)和巷道積水探測(cè)等。

圖2 煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人應(yīng)用框架

模擬礦井試驗(yàn)

飛行機(jī)器人在某模擬礦井進(jìn)行測(cè)試，具有綜采工作面、帶式輸送機(jī)大巷、軌道大巷、輸送帶巷、綜采面運(yùn)輸巷道和綜采面回風(fēng)巷道等模擬環(huán)境，有效模擬煤礦井下高粉塵、低照度、GPS拒止、狹小空間、非結(jié)構(gòu)化地形等環(huán)境特點(diǎn)，模擬礦井建設(shè)規(guī)劃如圖3所示。

圖3 模擬礦井建設(shè)規(guī)劃

2.1 模擬礦井三維結(jié)構(gòu)建模試驗(yàn)

依賴煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人高機(jī)動(dòng)性、靈活性特點(diǎn)，搭載三維激光雷達(dá)，快速獲取更新的礦井三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)高分辨率結(jié)構(gòu)信息，通過后處理形成精確、全面的礦井三維結(jié)構(gòu)模型，為煤礦智能化的建設(shè)及生產(chǎn)提供輔助決策信息。

圍繞模擬礦井三維結(jié)構(gòu)建模的背景需求，煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人在模擬礦井環(huán)境中，距離地面上方約1.2m高度飛行，內(nèi)置機(jī)載計(jì)算機(jī)對(duì)采集的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的自主定位與導(dǎo)航飛行，飛行巡檢機(jī)器人的控制指令以及視頻數(shù)據(jù)通過WIFI傳輸，帶式輸送機(jī)大巷飛行環(huán)境如圖4所示。

圖4 帶式輸送機(jī)大巷飛行環(huán)境

受到設(shè)備、周圍環(huán)境、被掃描目標(biāo)本身的特性等多方面影響，激光雷達(dá)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在噪聲，影響礦井結(jié)構(gòu)建模、信息提取精度。采用基于空間分布的去噪算法進(jìn)行降噪處理，統(tǒng)計(jì)分析每個(gè)點(diǎn)到鄰域50個(gè)點(diǎn)的距離，剔除距離超出平均距離1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的點(diǎn)，降噪后的礦井三維結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 礦井三維結(jié)構(gòu)模型

礦井三維結(jié)構(gòu)模型可提供高精度礦井內(nèi)部地理信息和設(shè)備位置信息，帶式輸送機(jī)大巷結(jié)構(gòu)模型如圖6所示，結(jié)合飛行巡檢機(jī)器人高機(jī)動(dòng)性、靈活性特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)礦井三維結(jié)構(gòu)模型實(shí)時(shí)更新，滿足礦山建設(shè)需要。智能開采控制系統(tǒng)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和模型分析進(jìn)行智能化采礦決策，優(yōu)化工藝流程。

圖6 帶式輸送機(jī)大巷結(jié)構(gòu)模型

2.2 模擬巷道巡檢飛行性能試驗(yàn)

煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人在工作面的最大巡檢飛行速度與巡檢效率相關(guān)。在帶式輸送機(jī)巷道工作面場(chǎng)景開展了最大巡檢飛行速度驗(yàn)證試驗(yàn)。

帶式輸送機(jī)巷道工作面高約為2.5m，長(zhǎng)度約為80m，在帶式輸送機(jī)沿線安裝有架空乘人裝置，沿巷道方向每隔約3m安裝1個(gè)吊椅，煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人在巷道地面上方約1.5m處飛行。飛行巡檢機(jī)器人具有自主導(dǎo)航及避障功能，巡檢過程中位置、速度以及姿態(tài)跟蹤狀態(tài)良好，并能夠自動(dòng)躲避障礙物，最大巡檢速度約3.0m/s，煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人飛行性能如圖7所示。

圖7 煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人飛行性能

相比于煤礦井下巡檢機(jī)器人，通行能力不受“一礦一策”的地形環(huán)境限制，最大行走速度數(shù)倍于其他構(gòu)型，巡檢效率較高，與其他行走型式機(jī)器人巡檢效率及越障能力對(duì)比見表1。

表1 不同行走型式巡檢效率及越障能力對(duì)比

2.3 工作面自主巡視及建模精度分析

（1）工作面煤壁切割狀態(tài)巡檢

工作面采高為2.5m，長(zhǎng)度約為40m，液壓支架數(shù)量為30架，煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人在地面上方約1.5m處飛行。煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人內(nèi)置機(jī)載計(jì)算機(jī)，對(duì)采集的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的自主定位與導(dǎo)航飛行，飛行巡檢機(jī)器人的控制指令以及視頻數(shù)據(jù)通過WIFI傳輸，工作面巡檢飛行試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 工作面巡檢飛行試驗(yàn)

圍繞替代人工巡檢應(yīng)用背景，設(shè)定圖像傳感器的視場(chǎng)范圍、位置與人眼觀察范圍、位置相當(dāng)。

首先對(duì)采集的圖像幀數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步；將視頻元數(shù)據(jù)和圖像幀數(shù)據(jù)加入緩存隊(duì)列，作為圖像增穩(wěn)處理模塊輸入；從運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)或幀圖像中獲取設(shè)備運(yùn)動(dòng)和軌跡信息，平滑濾波相機(jī)軌跡，根據(jù)平滑后軌跡與真實(shí)相機(jī)軌跡的差值得到運(yùn)動(dòng)矢量，補(bǔ)償視頻抖動(dòng)，輸出防抖后的幀圖像序列，作為監(jiān)控視頻使用。工作面巡檢飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及后處理步驟如圖9所示。

圖9 工作面巡檢飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及后處理步驟

經(jīng)過后處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可提取刮板輸送機(jī)電纜槽彎曲度，輔助人員移架操作；經(jīng)過增穩(wěn)后的圖像數(shù)據(jù)，視場(chǎng)變化較為平緩，可以較好地反映煤壁的切割狀態(tài)，可用于或替代視頻拼接任務(wù)，直接作為監(jiān)控視頻使用。

（2）礦井三維結(jié)構(gòu)模型精度分析

飛行巡檢機(jī)器人在巡檢作業(yè)期間獲取激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成礦井三維結(jié)構(gòu)模型，工作面三維點(diǎn)云模型如圖10所示，通過后處理軟件測(cè)量沿巷道長(zhǎng)度方向隨機(jī)分布的5組高度值和沿巷道高度方向隨機(jī)分布的5組長(zhǎng)度值，對(duì)比分析礦井真實(shí)長(zhǎng)度和高度值，統(tǒng)計(jì)點(diǎn)云的最大誤差和標(biāo)準(zhǔn)差，綜采工作面長(zhǎng)度誤差統(tǒng)計(jì)見表2，綜采工作面高度誤差統(tǒng)計(jì)見表3。

圖10 工作面三維點(diǎn)云模型

表2 綜采工作面長(zhǎng)度誤差統(tǒng)計(jì)

表3 綜采工作面高度誤差統(tǒng)計(jì)

由表2和表3可知，綜采工作面長(zhǎng)度最大誤差為0.275m，小于5%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0345m；綜采工作面高度最大誤差為0.05m，小于2%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.026m，以上測(cè)試數(shù)據(jù)所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可用于構(gòu)建綜采工作面高精度三維結(jié)構(gòu)模型。

總結(jié)

（1）煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人具有機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，部署不依賴煤礦建設(shè)條件，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可適應(yīng)煤礦“一礦一策”的現(xiàn)狀，解決單一型號(hào)難以滿足同樣需求、不同礦井環(huán)境和工況對(duì)機(jī)器人的難題。

（2）煤礦井下飛行巡檢機(jī)器人所采集的圖像穩(wěn)定，可用于或代替工作面視頻拼接場(chǎng)景，可直接作為監(jiān)控設(shè)備的查漏補(bǔ)盲使用，替代人工進(jìn)行巡檢作業(yè)。

（3）基于采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可提取刮板輸送機(jī)彎曲度，輔助人員移架操作等；依賴點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取的頂板線，獲取煤層頂板變化曲線，輔助指導(dǎo)采煤機(jī)截割路徑。

（4）分析了采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)所構(gòu)建的模擬礦井綜采工作面三維模型精度，綜采工作面高度誤差小于2%，滿足構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)模型的需要。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)法院士

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聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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