与普通机器人相比,煤矿机器人需满足哪些共性技术要求?

煤矿井下的爆炸性气体环境、非结构性地形、封闭受限空间、GPS拒止场景等均给煤矿机器人研发带来了严峻挑战,促使煤矿机器人区别于普通机器人具有如下技术要求:

1. 煤矿机器人轻量化结构设计与防爆长时供电技术

1)机器人轻量化高可靠性结构设计技术

煤矿井下作业环境特殊,机器人技术应用到井下不仅要解决防爆、防尘、防潮、防水、抗腐蚀等问题,还要在保证续航能力的同时具备越障能力强、可靠性高的机械结构,这就对机器人的材料性能提出更高的要求。从技术上要研究井下轻质机身防爆材料以及动力材料制备工艺,探索抗高速冲击震动、动态应变强化、吸能降噪以及高温的行为与机理,研究各种合金元素的含量与分布、组织结构变化对煤矿井下环境轻质材料燃点、高速碰撞摩擦时火花生成能力的影响规律并开发出有效的阻燃防护技术,研究不同煤矿井下服役时间、服役环境、服役部位对轻质材料综合性能的影响规律等。

2)大容量长时防爆供电与机器人低功耗技术

安全、高效的能源供给和驱动方式是保障煤矿机器人井下作业的关键,对于井下移动作业类机器人,拖缆式的有线供电模式会导致机器人的有效作业区域受限,而危险气体环境下采用大容量电池的供电方式将面临电池防爆设计、能量管理、充电安全等诸多难题。特别是目前煤矿安全规程对锂电池的井下使用有着严格的限制条件,其充电必须要求在专用的充电硐室中进行,极大地限制了煤矿机器人的普及应用。亟须研发适用于煤矿机器人的新型高能量密度蓄电池模块,突破基于新型防爆结构设计理论和超轻隔爆材料的煤矿机器人动力电池轻量化防爆技术,优化井下复杂环境下的动力电池管理系统,实现充放电过程的智能管理和安全监控,完善煤矿机器人井下专用充电硐室设计,研发煤矿机器人井下专用充电桩和智能充电系统,通过简化驱动模块传动链等方式提高煤矿机器人动力系统能效,并针对移动式煤矿机器人开展混合动力驱动等技术研究,实现煤矿机器人的安全高效驱动。

3)机器人井下无线防爆充电技术

煤矿井下无线充电具有不需要专用充电硐室和机器人充电舱等优点,但不能大电流快速充电,充电功率小,充电时间长。煤矿井下无线充电必须满足本质安全防爆要求,充电功率受限。煤矿井下无线充电受发射功率、工作频率、天线效率、收发天线距离、方向性等影响。煤矿井下无线发射,不但会被接收天线接收,还会在支护、电缆、铁轨、水管、设备等金属物体上感生电动势,较高的感生电动势将会放电,会引起瓦斯爆炸和火灾。煤矿井下较大功率的无线发射,还会引爆电雷管。金属周边的所有无线发射,均会在金属上感生电动势,可能造成能量叠加。因此,单点小功率、多点分散无线充电,不但要考核单一充电点的本质安全防爆性能,还要考核邻近多点的功率和能量叠加。

2.煤矿机器人高适应性运动控制技术

1)针对煤矿恶劣环境的机器人高适应性行走机构设计

移动性能是移动机器人最为本质的特征。煤矿井下环境恶劣,底板起伏不平,障碍物繁多,机器人行走机构的性能决定了其能否顺利进入应用环境,因而煤矿机器人的行走机构应当具备环境适应性强、尺寸小、越障能力强、故障率低、便于操作等特点。此外,重心的位置、驱动功率的大小、行走机构的选择等都影响着机器人的移动性能。目前煤矿机器人移动方式发展的重点是轮式、腿式、轮腿式、履带式以及蛇形和蜈蚣式等。

2)煤矿机器人自主避障路径规划技术

煤矿巷道、采掘工作面等作业区域具有典型的半结构化或非结构化环境特征,且GPS技术无法直接应用于井下,亟须构建适用于煤矿机器人的自主定位系统方案,解决井下机器人精确定位、姿态感知等问题。突破无线定位、惯导、激光、毫米波和视觉等多源信息融合的井下机器人感知与精确定位技术,实现井下机器人局部自主和协同调度。提出适用于多煤尘、低照度、场景退化条件下的多层次高精地图构建原理和方法,形成复杂地形特征感知方法以及越障和行走策略,实现典型地形环境的自主行走控制。探寻动力学与环境约束下的运动规划方法,实现对机器人能耗、稳定性、安全性的最优控制。

3.煤矿机器人高可靠性通信及协同控制技术

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1)煤矿狭长、强干扰环境下机器群高速、可靠通信技术

煤矿井下有线通信可靠性高,但限制了机器人等智能移动装备的布置和活动区域,由于巷道走向变化的影响和巷道壁复杂反射的干扰,井下无线通信的有效传输距离有限,且井下通信具有数据量大、节点动态变化等特点,随着煤矿机器人和智能装备的大规模应用,需要构建具备自组网能力的分布式通信平台,攻克非视距、多径条件下无线传感器网络的自组网络拓扑优化技术,解决煤矿受限环境下的多源无线通信信号的抗干扰问题。同时需要研究群体智能机器人通信技术,获得群体机器人大规模信息传输组网。

2)适用于井下机器群串并联复合关系的多机协同控制方法

随着信息化、智能化技术的快速发展,煤矿井下复杂任务通过多机器人进行协同完成已成为重要发展方向。目前机器人协同控制体系结构主要包括集中式、分布式及混合式几种。多机器人系统协同控制集中式的体系结构是由中央处理单元集中控制整个系统,通过处理所有个体的数据,策划出系统的全局规划方案后发送命令给每个机器人,是一种自上而下的规划与决策的层次控制结构。分层式的体系结构是一种全局上各机器人平等的结构,机器人之间不存在主控与被控关系,每个机器人都可以依靠通信与其他机器人交换信息。混合式的体系结构集中了以上两种结构的优点,既能够让机器人自主地决策规划,又能保证在必要时全局规划进行控制,确保机器人之间的行为不发生冲突。

4.煤矿机器人信息融合感知与大数据交互技术

1)井下环境三维场景重构及SLAM导航技术

智慧矿山建议的基础是矿山数字化,获取矿山信息建立三维矿山模型是智慧矿山建设必需的过程。传统的GPS或全站仪测量,只能一次测量单个控制点或者特征点,有限的测量点很难准确描绘矿山的空间现状,而且单点测量耗时2分钟以上,测量速度慢,效率非常低下,严重制约了矿山空间数据的采集密度、精度和效率。构造环境模型是移动机器人能买现智能化适应动作的前提条件。根据不同的功能要求将机器人控制系统划分为4个模块:境感知模块、地图构建模块、行为决策模块、运动控制模块。其中,环境感知模块的功能是感知机器人周围的环境信息,并基于传感器数据为环境建立可靠和详细的描述;地图构建模块的任务是利用激光雷达采集到的实时距离信息,结合SLAM算法和基于粒子滤波的自适应蒙特卡罗(Adaptive Monte Carlo Localization,AMCL)算法沟建坏境栅格地图和定位;行为决策模块的任务是利用所有输入的原始数据计算得出行为层面的决策;运动控制模块的设计目标在于让机器人尽可能地按照行为决策规划的动作序列运动。

2)煤矿复杂环境下机器人智能感知与险情识别技术

煤矿机器人的自主作业依赖于各类传感器对井下空间、环境、设备等信息的智能感知,当前的矿用传感器多是针对通用煤矿机械而研发,存在体积大、质量大、功能单一等问题,部分关键传感器如三维激光扫描仪等还没有取得防爆证书,不能直接用于煤矿机器人研制。因此需要突破现有矿用传感器设计原理,研发适用于煤矿机器人的各类防爆、高精度、高可靠性传感器,创新传感器高效防护手段,研究新型防爆、防水、智能除尘机制。通过煤矿作业机器人所携带的传感器全方位感知井下环境信息和深层次语义信息,探索煤矿灾害的特征前兆信息的深度智能感知方法,形成采煤工作面及巷道信息的机器人探测/监测技术,攻关基于大数据的多元信息挖掘及智能分析技术,提出煤矿重大灾害智能判识与预警模型及方法,构建瓦斯、煤尘、矿压、水、火和地质等灾害信息智能分析和预警平台。

3)机器人自适应接触力跟踪与柔性控制技术

针对井下非结构环境下机器人易碰撞或冲击,对周围设备或人员造成安全隐患的问题,研究机器人与环境的接触阻力变化规律,分析机器人控制参数对接触阻力的作用机理,提出基于变阻力跟踪的非结构坏境下的机器人自适应力跟踪控制方法,避免机器人在井下的碰撞和破坏,保障运行的安全及对周围设备和人员的无害。

4)大规模复杂系统大数据分析与数据交互技术

目前,针对煤矿应用场录仅故岸类数据挖掘做的比较多,但深度和广度都不够,针对生产、运输、销售、米购等综合应用场景的大数据分析几乎没有,“数据沉睡”现象较为严重。而对于煤矿机器人,由于作业任务及环境复杂,实现区域化的大数据快速分析与数据交互成为机器人决策控制的基础。目前亟待突破的核心技术包括:①煤矿大数据的清洗方法研究;②多种类、多层次、多特征数据信息分析;③面向视频内容识别的大数据处理分析平台;④基于围岩监测、生产过程信息的数据融合与知识发现。