最新成果丨张守祥教授：综采巡检机器人关键技术研究

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本文创新点

系统阐释了综采工作面巡检机器人的发展现状，分析了综采工作面应用机器人需要解决的柔性轨道、移动通信无缝漫游、远程控制和自主操作等卡脖子难题，研究用于综采巡检机器人的跨式柔性轨道、行走控制、移动通信、移动精确定位、惯性导航、动态图像采集和控制采煤机调高等关键技术。提出建立巡检机器人的感知理论技术装备体系，研究井下机器人动力供应技术，建立高性能无缝漫游移动通信系统，开发超高清热成像和毫米波对综采生产三维实景呈现技术，研制集成视觉雷达和煤层探测的超前探测机载装置，进行了工业试验，验证了巡检机器人为智能开采所提供的安全、高效技术保障。

作者简介

张守祥 教 授张守祥（1964—），男，山东省济南市人，教授。参与国家重点研发计划4项，获得省科技进步奖1项、国家安全生产科技成果奖1项、省优秀科研成果奖1项。发表论文30余篇，主编教材1本，出版专著2部，授权发明专利5项，获计算机软件著作权1项。

研究方向

巡检机器人、无人飞行器、热红外检测、惯性导航、超宽带检测和毫米波雷达技术。

主要成果

从事电子信息工程、嵌入式系统、网络通信、矿山智能化和飞行动力学等研究和教学工作，致力于智能开采的巡检机器人研制与开发，提出智能开采惯性导航、热红外成像、超宽带定位和雷达综合检测监控技术，设计了综采工作面轨道和飞行巡检机器人结构，研究煤岩分界检测和识别技术，发表相关论文和完成相应课题研究工作。

作 者

张守祥^１，张学亮^２，张 磊^３，杨士军^２，刘 帅^２，南柄飞^２，张代祥^４

单 位

１.山东工商学院 信息与电子工程学院；２.北京天玛智控科技股份有限公司；３.中煤华晋集团有限公司；４．兖矿能源集团股份有限公司 设备管理中心

智能化综采工作面安装了大量固定传感器,但依然存在监控盲区和监控滞后的问题。引入巡检机器人技术,对综采工作面的全覆盖和实时监控,是智能化开采的必要技术手段。从国家宏观政策和智能开采技术2个层面,分析了智能开采对综采巡检机器人的迫切需求,根据综采工作面巡检机器人的发展现状,总结了综采工作面应用机器人需要解决的柔性轨道、移动通信无缝漫游、远程控制和自主操作等技术难题。通过研究用于综采巡检机器人的跨式柔性轨道、行走控制、移动通信、移动精确定位、惯性导航、动态图像采集和控制采煤机调高等7项关键技术,提出了建立巡检机器人的感知理论技术装备体系、研究井下机器人动力供应技术、建立高性能的无缝漫游移动通信系统、开发超高清热成像和毫米波对综采生产时的三维实景呈现技术、研制集成视觉雷达和煤层探测的超前探测机载装置等5个重点研究方向。在薄煤层综采工作面进行了工业试验,研制的巡检机器人搭载三维激光雷达和惯性导航系统,沿采煤机电缆槽上铺设的轨道边行走边检测,达到了60 m/min的最大巡检速度,实现了双频WiFi零切换的无缝漫游高速通信,根据机载激光雷达扫描和惯性导航系统建立了综采工作面三维截割地质模型,进行了巡检模式下的智能割煤工艺试验,工作面直线度检测和找直偏差不超过150 mm,验证了巡检机器人能够为智能开采提供安全、高效的技术保障。

研究背景

目前，综采工作面智能化处于初级阶段。受制于地质条件的复杂性，已实现自动化的综采工作面生产现场，仍需要“有人巡视” 进行人工观察和干预，未实现完全无人化。 更高阶段的智能化目标是自适应、自主无人化开采，需要在综采工作面敷设大量的传感监测、控制和通信等设备。 综采工作面是煤炭安全生产的中心场所，采煤机、刮板输送机和液压支架是综采“三机” 开采装备，“三机” 装备的集控、远控和自动控制是综采工作面智能化的基础条件，现有自动化监控技术和设备不能做到全方位、无缝覆盖和实时监控综采生产采支运全过程，主要原因在于：①支架上固定摄像头监视工作面存在死角盲区，生产时对采煤机滚筒的跟踪存在视角偏离、不同监控相机切换不及时；②待开采煤层赋存情况不清楚，煤机记忆截割无法适应地质条件的变化，不能根据煤层起伏决定上调、下调或维持煤机滚筒高度，仍然依赖于人工现场观察，需要提前探测好煤层赋存情况或随采随探；③工作面生产时出现大块煤，可能会拥堵采煤机过煤口或转载机入料口，需要及时探测和处理。

基于此，研发了一种自主或跟随采煤机行走的巡检机器人，实时监控采煤机滚筒、探测待采煤层信息、机械臂操作的监控和执行装置，代替人工巡视和操作，做到工作面生产工作面无人。 根据国家、行业对煤炭开采机器人的要求，借鉴地面机器人的成熟和先进的理论、技术，开展煤炭开采机器人研制和智能化综采工作面的工程应用。

内容概要

１ 智能开采对综采机器人的需求

1.1 国家支持煤炭开采智能化应用机器人技术

国家宏观政策对煤炭开采应用机器人技术提出了要求。原国家煤矿安全监察局于2019年１月发布了《煤矿机器人重点研发目录》，分５类共３８种煤矿机器人，其中的安控类明确提出了“工作面巡检机器人”。２０２０年国家八部委印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，为煤矿综采机器人的体系建设、技术验证平台与系统建设、典型应用示范等提出了国家政策指导方针。

1.2 综采巡检机器人发展中的问题

1.2.1 巡检柔性轨道

1.2.2 移动通信无缝漫游

1.2.3 控制和操作功能

图1 巡检柔性轨道接缝处

1.3 综采工作面巡检机器人研发现状

由于煤炭智能开采的特殊性，综采工作面应用机器人技术需要解决在柔性轨道上的精确定位、移动、无线通信和快速漫游等技术难题，扫除机器人技术在恶劣环境下的技术障碍，推动机器人技术在智能开采中的推广应用。

２ 综采巡检机器人技术体系

综采机器人的技术研究，需要从顶层设计构建机器人技术体系，在高精度传感器、零切换快速漫游和低延时高可靠控制等关键核心技术上取得突破，以指导机器人的研制和应用工作。

2.1 巡检机器人技术体系

从整体结构、控制、驱动行走、供电、移动通信、机械臂和协同控制等方面，建立综采巡检机器人技术体系，如图２所示。根据智能开采对综采工作面的实时监控需求，将巡检机器人系统分为轨道、驱动平台、机载装置、移动通信、供电和上位机平台几部分，如图３所示。

2.2 综采巡检机器人技术研究重点方向

3 综采巡检机器人关键技术

图 ２ 综采巡检机器人技术体系

图 ３ 工作面巡检机器人组成

3.1 跨式柔性轨道技术

图4 无缝柔性轨道组成

3.2 行走控制技术

图5 巡检机器人行走控制软件流程

3.3 通信网络体系技术

图６ 工作面移动通信网络体系结构

3.4 移动精确定位技术

１）高精度定位系统。

２）激光三维扫描技术。

３）减速开关与限位开关。

４）轴编码器。

图７ 巡检机器人坐标体系

3.5 惯性导航技术

3.6 巡检动态图像采集技术

3.7 综采巡检机器人控制采煤机调高技术

图 ８ 巡检机器人移动视觉图像处理过程

图 ９ 热成像测量滚筒坐标转换

图１０ 智能截割模板调整

图 １１ 巡检模式下滚筒高度调节

４ 巡检机器人应用情况4.1 巡检无缝漫游测试

图12 2.4ＧＨｚ 断连时的网络吞吐量

4.2 移动扫描工作面三维地质模型

图13 绝对坐标系三维点云与顶板提取线

4.3 割煤工艺智能化流程

图 14 巡检模式下的截割工艺过程

图15 地测与扫描数据高度对比

图16 地测与扫描数据直线度对比

结 论

１）从国家政策要求和煤矿智能化无人开采技术发展２个层面，提出了巡检机器人发展需要解决的巡检柔性轨道、移动通信无缝漫游、控制和操作等方面的问题，阐述了综采工作面巡检机器人研发现状，指出目前研究处于起步阶段。

２）从综采巡检机器人整体结构、控制、驱动行走、供电、移动通信、机械臂和协同控制等方面，建立综采巡检机器人技术体系，总结了综采巡检机器人技术研究的 ５ 个重点方向。

３）系统分析了综采巡检机器人的跨式柔性轨道、行走控制、零切换快速漫游和控制采煤机调高技术等关键技术。

４）综采巡检机器人在神东榆家梁煤矿４３１０１综采工作面进行了试验，在工作面刮板输送机电缆槽上铺设轨道，综采巡检机器人搭载三维激光扫描仪和惯性导航系统，最大巡检速度６０ｍ／ｍｉｎ。 进行了巡检无缝漫游快速切换试验，通过采用双频 ＷｉＦｉ基站实现通信系统无缝漫游快速切换；进行了巡检三维建模试验，获取了基于点云的工作面三维地质模型；进行了巡检智能割煤工艺试验，复测割煤工艺误差不超过１５０ｍｍ。

引用格式

张守祥,张学亮,张磊，等.综采巡检机器人关键技术研究［J］.煤炭科学技术,2022,50（1）：247-255.

ZHANG Shouxiang, ZHANG Xueliang, ZHANG Lei，et al.Research on key technology of patrol robot in fully-mechanized mining face［J］.Coal Science and Technology，2022，50（1）：247-255.

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