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3.0m/s巡檢速度！煤礦井下飛行巡檢機器人破解人工巡檢低效難題

2025年04月28日 17:12 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

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為解決煤礦井下高粉塵、低照度以及非結(jié)構(gòu)化地形等復雜環(huán)境導致的人工巡檢效率低、風險高以及機器人通用化程度低的問題，采用模塊化設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，研究了適用于煤礦井下環(huán)境的自主導航和多傳感器數(shù)據(jù)采集方法，構(gòu)建了一套適用于復雜礦井環(huán)境的巡檢系統(tǒng)。通過在模擬礦井環(huán)境測試巡檢速度為3.0m/s，沿巷道長度和高度方向測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“學術(shù)園地”欄目

作者簡介：王保兵，主要從事煤礦井下飛行巡檢機器人研發(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器人的研究與應用展望[J].智能礦山，2025，6(3)：69-74.

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2019年，國家礦山安全監(jiān)察局頒布了《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》，共提出38種重點研發(fā)的機器人；2023年1月，工業(yè)和信息化部、國家能源局、國家礦山安全監(jiān)察局等十七部門發(fā)布的《“機器人+”應用行動實施方案》，提出支持機器人產(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，對通用型煤礦井下機器人的研制提出更大挑戰(zhàn)。目前，煤礦井下巡檢機器人行走機構(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、地形適應能力弱，且單一型號難以滿足不同礦井環(huán)境和工況的要求。

針對煤礦井下作業(yè)工藝及任務(wù)存在對象復雜多樣、標準化程度低、場景差異大等特征，分析適合煤礦井下場景使用的飛行巡檢機器人技術(shù)，研究了井下飛行機器人邊界條件約束、結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動控制等關(guān)鍵技術(shù)。滿足煤礦井下應用特定場景，設(shè)計了一種適于煤礦井下使用的飛行巡檢機器人，搭載激光雷達和視覺傳感器、氣體檢測傳感器，可在無光、弱光環(huán)境下自主導航作業(yè)，替代人工實現(xiàn)對煤礦井下設(shè)備或者環(huán)境進行巡察。

煤礦井下飛行巡檢機器人設(shè)計

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

圖1 煤礦井下飛行巡檢機器人系統(tǒng)組成

煤礦井下飛行巡檢機器人系統(tǒng)突破多項技術(shù)難題，并具有多方面的場景適應性優(yōu)勢。

（1）模塊化設(shè)計，滿足不同需求

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

（2）優(yōu)化防爆設(shè)計，提升續(xù)航能力

煤礦井下飛行巡檢機器人攻克了大功率電機及大容量電池組防爆結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計難題。防爆電機是巡檢機器人飛行性能的關(guān)鍵組成部分，防爆電機功率越大，可驅(qū)動旋翼尺寸越大；飛行巡檢機器人機動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，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)計相關(guān)標準限制，造成防爆結(jié)構(gòu)較大，降低了無人機機動性及續(xù)航能力。

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

（3）提出不同場景的應用框架

針對煤礦井下環(huán)境的復雜性，優(yōu)化飛行巡檢機器人在應用中的性能?；诓煌旱V井下飛行巡檢機器人平臺和傳感器優(yōu)勢、監(jiān)測需求和現(xiàn)有研究成果，提出煤礦井下飛行巡檢機器人的應用框架如圖2所示。飛行巡檢機器人搭載多種傳感器可為煤礦井下環(huán)境中不同監(jiān)測對象提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應用于地形測繪與建模、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)探測以及氣體監(jiān)測和巷道積水探測等。

圖2 煤礦井下飛行巡檢機器人應用框架

模擬礦井試驗

飛行機器人在某模擬礦井進行測試，具有綜采工作面、帶式輸送機大巷、軌道大巷、輸送帶巷、綜采面運輸巷道和綜采面回風巷道等模擬環(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，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

依賴煤礦井下飛行巡檢機器人高機動性、靈活性特點，搭載三維激光雷達，快速獲取更新的礦井三維點云數(shù)據(jù)，實時高分辨率結(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)置機載計算機對采集的激光雷達點云數(shù)據(jù)后處理，實現(xiàn)巡檢機器人的自主定位與導航飛行，飛行巡檢機器人的控制指令以及視頻數(shù)據(jù)通過WIFI傳輸，帶式輸送機大巷飛行環(huán)境如圖4所示。

圖4 帶式輸送機大巷飛行環(huán)境

受到設(shè)備、周圍環(huán)境、被掃描目標本身的特性等多方面影響，激光雷達采集的點云數(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行降噪處理，統(tǒng)計分析每個點到鄰域50個點的距離，剔除距離超出平均距離1個標準差的點，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，帶式輸送機大巷結(jié)構(gòu)模型如圖6所示，結(jié)合飛行巡檢機器人高機動性、靈活性特點，實現(xiàn)礦井三維結(jié)構(gòu)模型實時更新，滿足礦山建設(shè)需要。智能開采控制系統(tǒng)基于實時數(shù)據(jù)和模型分析進行智能化采礦決策，優(yōu)化工藝流程。

圖6 帶式輸送機大巷結(jié)構(gòu)模型

2.2 模擬巷道巡檢飛行性能試驗

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

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

圖7 煤礦井下飛行巡檢機器人飛行性能

相比于煤礦井下巡檢機器人，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，與其他行走型式機器人巡檢效率及越障能力對比見表1。

表1 不同行走型式巡檢效率及越障能力對比

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，長度約為40m，液壓支架數(shù)量為30架，煤礦井下飛行巡檢機器人在地面上方約1.5m處飛行。煤礦井下飛行巡檢機器人內(nèi)置機載計算機，對采集的激光雷達點云數(shù)據(jù)進行后處理，實現(xiàn)巡檢機器人的自主定位與導航飛行，飛行巡檢機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如圖8所示。

圖8 工作面巡檢飛行試驗

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

首先對采集的圖像幀數(shù)據(jù)和運動數(shù)據(jù)進行時間同步；將視頻元數(shù)據(jù)和圖像幀數(shù)據(jù)加入緩存隊列，作為圖像增穩(wěn)處理模塊輸入；從運動數(shù)據(jù)或幀圖像中獲取設(shè)備運動和軌跡信息，平滑濾波相機軌跡，根據(jù)平滑后軌跡與真實相機軌跡的差值得到運動矢量，補償視頻抖動，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數(shù)據(jù)采集及后處理步驟

經(jīng)過后處理的點云數(shù)據(jù)可提取刮板輸送機電纜槽彎曲度，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

飛行巡檢機器人在巡檢作業(yè)期間獲取激光雷達點云數(shù)據(jù)，生成礦井三維結(jié)構(gòu)模型，工作面三維點云模型如圖10所示，通過后處理軟件測量沿巷道長度方向隨機分布的5組高度值和沿巷道高度方向隨機分布的5組長度值，對比分析礦井真實長度和高度值，統(tǒng)計點云的最大誤差和標準差，綜采工作面長度誤差統(tǒng)計見表2，綜采工作面高度誤差統(tǒng)計見表3。

圖10 工作面三維點云模型

表2 綜采工作面長度誤差統(tǒng)計

表3 綜采工作面高度誤差統(tǒng)計

由表2和表3可知，綜采工作面長度最大誤差為0.275m，小于5%，標準差為0.0345m；綜采工作面高度最大誤差為0.05m，小于2%，標準差為0.026m，以上測試數(shù)據(jù)所獲得的點云數(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器人具有機動靈活的特點，部署不依賴煤礦建設(shè)條件，環(huán)境適應性強，可適應煤礦“一礦一策”的現(xiàn)狀，解決單一型號難以滿足同樣需求、不同礦井環(huán)境和工況對機器人的難題。

（2）煤礦井下飛行巡檢機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景，可直接作為監(jiān)控設(shè)備的查漏補盲使用，替代人工進行巡檢作業(yè)。

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

（4）分析了采集點云數(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、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學術(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)學研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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