摘要:在我國煤炭生產(chǎn)安全形勢較為嚴峻的背景下，隨著遠程控制技術(shù)的突飛猛進,煤炭行業(yè)引進機器人遠程控制系統(tǒng)，并通過其進行井下探測工作一直是熱點研究課題。首先對煤礦井下探測機器人遠程控制系統(tǒng)的應(yīng)用進行介紹，然后分別從煤礦井下探測機器人遠程控制系統(tǒng)的系統(tǒng)模式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬軟件設(shè)計等方面,研究煤礦井下探測機器人的遠程控制系統(tǒng)，并對當(dāng)前煤礦井下探測機器人控制系統(tǒng)研究熱點進行了分析。

　　關(guān)鍵詞：煤礦井下;探測機器人;遠程控制系統(tǒng)

　　煤礦方向論文范文：淺談煤礦數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用

　　摘要:當(dāng)今社會科技發(fā)展快、信息流通量大，人們之間的交流越來越密切，大數(shù)據(jù)這個高科技時代的產(chǎn)物也應(yīng)運而生。煤炭作為工業(yè)發(fā)展的重要組成部分，其發(fā)展關(guān)系著整個工業(yè)的發(fā)展。如今，許多現(xiàn)代大型煤礦已能將井下設(shè)備信息上傳到地面，在地面就可直觀的看到設(shè)備當(dāng)前運行的情況，從而更可靠的進行安全生產(chǎn)。通過結(jié)合實例將上傳的設(shè)備信息數(shù)據(jù)進行整理和分析，從而預(yù)測設(shè)備的運行狀況，提出建設(shè)性建議。同時對加強煤礦安全生產(chǎn)、促進煤炭行業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)、提高煤礦的經(jīng)濟效益和社會效益具有重要的意義。

　　近年來，計算機自動化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息傳輸技術(shù)以及仿生學(xué)等各學(xué)科飛速發(fā)展,煤礦井下探測機器人遠程控制技術(shù)應(yīng)用也不斷深入。控制系統(tǒng)由簡單的操作人員控制,到機器人控制，再到多機器人協(xié)調(diào)控制，取得了由近到遠，由簡單到復(fù)雜，由全程操作到自主控制等全方面的進步。本文結(jié)合控制系統(tǒng)研究的熱點，分別介紹煤礦井下探測機器人遠程控制系統(tǒng)功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的硬件設(shè)計等方面，以進一步研究未來煤礦井下探測機器人控制系統(tǒng)的應(yīng)用,為相關(guān)行業(yè)生產(chǎn)提供借鑒參考。

　　1煤礦井下探測機器人遠程控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

　　隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展,機器人的發(fā)展逐步融合了多學(xué)科知識,機器人的應(yīng)用越來越廣泛。煤炭行業(yè)引進機器人系統(tǒng)并通過其進行井下探測工作已一直是熱點研究課題。目前，煤礦搜救探測機器人以及其他各種搜救機器人大多數(shù)仍然停留在實驗室研究階段，只有少數(shù)國家能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到實際搜救過程當(dāng)中。在煤礦搜救探測機器人的研究方面，美國開展的時間比較早，美、日國家目前技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。我國在此方面研究起步稍晚，目前仍主要處于實驗室研究水平，中國礦業(yè)大學(xué)煤礦事故探測救援機器人CUMT-1的自主研發(fā),開創(chuàng)了我國煤礦救援探測機器人自主研發(fā)并投入應(yīng)用的先例⑴。CUMT-1機器人由攝像頭拍攝礦煤井下實時情況，同時機器人裝有溫度、氣體等環(huán)境傳感器。

　　由于煤礦井下是非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，目前技術(shù)實現(xiàn)的一些智能化機器人設(shè)備不僅價格高昂，而且可靠性及可用性也不強，因此，全球煤礦救災(zāi)方面的機器人只能對有限的巷道進行探測救災(zāi)。因煤礦服務(wù)機器人對人具有很強的替代作用,在繪制礦圖、日常維護及巡檢預(yù)防二次災(zāi)害等方面,其技術(shù)的應(yīng)用及推廣都具有重要價值⑵。為了經(jīng)濟合理且能夠在煤礦井下非結(jié)構(gòu)環(huán)境下利用機器人進行環(huán)境及資源的探索,由遠程控制端發(fā)送一些指令給機器人，機器人反饋執(zhí)行狀態(tài)和環(huán)境信息的實時圖像和各種傳感信息,仍具有較強的可操作性。一般煤礦井下探測機器人遠程控制系統(tǒng)主要支持井下探測機器人檢測以及設(shè)置相關(guān)參數(shù)、變換相關(guān)狀態(tài),對傳輸回來的信息進行參考判斷，再將有關(guān)的控制命令及時傳輸給探測機器人，保證遠程客戶端和煤礦井下探測機器人之間的交互得以順利實現(xiàn)，及時應(yīng)對靈活多變的環(huán)境條件，確保煤礦井下探測機器人的實時工作狀態(tài)能夠被遠程客戶端實時監(jiān)控。

　　煤礦井下條件較為惡劣，除了必備的防爆、防塵、防潮、抗腐蝕等要求外,對指令的傳達以及井下信息數(shù)據(jù)的傳輸都有著較高的要求。如不僅要求井下探測機器人能準(zhǔn)確地接收指令進行操作，同時要求將井下傳感器采集的信息進行準(zhǔn)確地反饋。另外多任務(wù)處理、高可靠性、低故障率、好的集成性、功耗低、較好的續(xù)航性，良好的網(wǎng)絡(luò)通信功能都是對其性能的基本要求。同時，方便的系統(tǒng)輸入與更新，設(shè)計使用的直觀、簡便、易行，也可提高煤礦探測機器人的使用效率。但目前，在煤礦機器人控制系統(tǒng)可靠性方面，并沒有成熟的技術(shù)和產(chǎn)品。

　　2煤礦井下探測機器人控制系統(tǒng)模式應(yīng)用分析

　　根據(jù)操作人員在控制系統(tǒng)中的參與程度以及控制系統(tǒng)的自主控制程度,煤礦井下探測機器人遠程控制系統(tǒng)主要有直接控制模式、監(jiān)督控制模式和完全自主控制模式3種。

　　2.1直接控制模式

　　直接控制模式又稱為完全遙控操作控制模式。主要是由操作人員發(fā)出行動指令，再通過遠端控制器(如鍵盤、控制手柄等)等指揮機器人按照指令完成井下作業(yè)任務(wù)。該控制系統(tǒng)的設(shè)計模式對機器人的智能化程度要求較低，只需借助機器人完成簡單的機械性動作(如前進、后退、停止、左右轉(zhuǎn)彎等)即可，同時對操作人員的技能和傳輸網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和流暢性要求較高，這種模式不需要控制系統(tǒng)自主進行分析處理,對系統(tǒng)的智能化程度要求低,適用于執(zhí)行煤礦井下單一、簡單的任務(wù)，主要作用在于減輕工人的體力勞動。

　　2.2監(jiān)督控制模式

　　監(jiān)督控制模式⑷也稱為半自主控制模式。這種模式要求控制系統(tǒng)具有一定程度的自主性和智能性，通常需要預(yù)先內(nèi)置信息處理程序并建立探測環(huán)境數(shù)據(jù)模型。該控制模式下，操作者只需將任務(wù)轉(zhuǎn)換的指令交代給探測機器人，具體的探測任務(wù)則由機器獨立完成。這種遠程控制體系一般由本地和監(jiān)控2個回路構(gòu)成。本地回路主要靠機器人自主完成指令任務(wù),并進行信息分析處理和反饋工作;而監(jiān)控回路主要用于遠程操作人員監(jiān)督機器人的工作狀況以及評價其工作效果，當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)突發(fā)情況時可以人工介入進行處理。現(xiàn)階段煤礦井下探測機器人遠程控制系統(tǒng)主要采用這種模式。

　　2.3完全自主控制模式

　　完全自主控制模式⑷是未來遠程控制系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，主要由多種類型的機器人專家系統(tǒng)和先進的信息傳輸系統(tǒng)構(gòu)成。該模式下機器人探測能力、自主程度、數(shù)據(jù)處理與分析能力以及其他智能化水平較高,操作人員只需提供系統(tǒng)運行條件,下達探測任務(wù)，驗收探測結(jié)果即可，并提供機器人可靠運行所需的輔助條件,例如提供電源、對機器人進行必要的維護等。隨著煤礦井下探測機器人遠程控制系統(tǒng)智能化程度越來越高，遠程控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛,系統(tǒng)的靈敏性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性對于探測工作來說也越來越重要。目前影響遠程控制系統(tǒng)的靈敏性冋、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的難題主要集中在煤礦井下探測機器人遠程控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)功能等方面。

　　3煤礦井下探測機器人遠程控制系統(tǒng)應(yīng)用分析

　　3.1機器人遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　煤礦井下探測機器人的遠程控制系統(tǒng)主要是由遠程客戶端、中間層以及本地機器人控制等3個子系統(tǒng)所組成何，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。機器人本地控制子系統(tǒng)主要是由車載PC、視頻收集設(shè)備以及機器人本體所組成。該子系統(tǒng)的功能主要是:接收來自客戶端的控制命令,實現(xiàn)本地控制以及通過中間層向客戶端反饋信息等，以保證遠程客戶端能夠?qū)崟r掌握機器人的狀態(tài);對于機器人以及現(xiàn)場的情況需要依靠視頻收集設(shè)備進行攝像，對收集到的視頻圖像進行處理(如壓縮)，再傳輸?shù)娇蛻舳耍瑥亩�及時更新客戶端的圖像及視頻信息。

　　基于此，遠程控制工作人員可以方便地對現(xiàn)場環(huán)境以及機器人的狀態(tài)進行監(jiān)控。簡而言之，煤礦井下探測機器人的遠程控制系統(tǒng)中的中間層子系統(tǒng)就是中介的功能，主要有以下幾個方面:(1)保證客戶端子系統(tǒng)以及機器人本地控制子系統(tǒng)之間順利實現(xiàn)交互;(2)進行相關(guān)視頻資料的實時傳輸，遠程客戶端子系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是遠程控制計算機，它和客戶進行直接的交互，其主要的功能就是進行獲取多傳感器的數(shù)據(jù)，例如視頻等相關(guān)信息、機器人及場景信息以及對客戶輸入信息進行記錄等。

　　3.2系統(tǒng)硬件以及軟件的設(shè)計

　　3.2.1硬件的設(shè)計

　　煤礦井下探測機器人可以看成一個規(guī)模不大的工作站，其最大的優(yōu)點是突出的處理能力和優(yōu)越的選擇性能。此外，遠程控制計算機結(jié)合一些輔助設(shè)備(如投影儀等)就可以成為一套具備優(yōu)越性能的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。由于機器人在礦井下工作的環(huán)境十分復(fù)雜，無線信號會受到很大干擾，因此信號的強度及質(zhì)量將大大降低,為了應(yīng)對復(fù)雜的礦井作業(yè)環(huán)境必須特制一些無線通信產(chǎn)品。目前很多煤礦井下探測機器人都采用MDSinet900網(wǎng)絡(luò)電臺，與其他通信產(chǎn)品比較，這種網(wǎng)絡(luò)電臺的最大特點是能夠?qū)崿F(xiàn)高速率以及遠距離的傳輸，同時還具有可靠性和極高的安全性他。煤礦井下探測機器人的車載PC能夠較好地滿足實際需要，具有牢固耐用、占地面積小以及嵌入式工控機等優(yōu)勢。同時還可在車載PC上通過以太網(wǎng)連接多臺電臺，其中大多數(shù)的視頻采集設(shè)備都采用Osprey-210視頻采集卡以及索尼EVID100PCCD攝像機。

　　3.2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　煤礦井下探測機器人的軟件設(shè)計方案需要結(jié)合煤礦探測的實際需要以及遠程控制系統(tǒng)本身的特點，主要是選擇遠程客戶端程序以及C/S架構(gòu)組合機器人端程序進行軟件系統(tǒng)的組建⑴)。遠程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計都是采用Windows系統(tǒng)，而且都是在VisualC++開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)WinSocket的編程。機器人主程序主要負責(zé)與控制中心建立連接并接收發(fā)送來的控制命令，啟動相關(guān)狀態(tài)參數(shù)、環(huán)境信息及視覺子程序,以實現(xiàn)收集并發(fā)送視覺圖像，對有關(guān)的命令進行解析、按照相關(guān)的命令對機器人進行指示以及保證遠程客戶端順利通信。其中主要涉及到發(fā)送狀態(tài)信息與接受控制命令，實時捕獲機器人的實際運行信息等。對于遠程客戶端程序來講,需要依靠遠程控制、視頻顯示以及視頻接收等子線程來實現(xiàn)和機器人傳輸有關(guān)的控制命令、與終端順利實現(xiàn)通信、保證實現(xiàn)人機交互、把煤礦井下實時環(huán)境信息進行顯示以及視覺資料進行實時顯示。

　　3.3關(guān)鍵技術(shù)要點

　　3.3.1自主環(huán)境適應(yīng)技術(shù)

　　鑒于煤礦井下復(fù)雜的環(huán)境，機器人必須具備較強的自主環(huán)境適應(yīng)技術(shù)。導(dǎo)航技術(shù)、動力能源技術(shù)、電路集成度、防爆技術(shù)、可靠性技術(shù)、學(xué)習(xí)問題較強的環(huán)境適應(yīng)能力以及較強的危險應(yīng)變能力等關(guān)鍵技術(shù)都決定著煤礦井下機器人的研發(fā)應(yīng)用進度,僅僅依靠對煤礦井下探測機器人采用一些遠程的控制勢必會導(dǎo)致機器人的運動效率大大降低。因此，對于煤礦井下探測機器人來講,能夠一定程度自主應(yīng)對煤礦井下復(fù)雜及惡劣的環(huán)境適應(yīng)技術(shù)十分關(guān)鍵M。

　　3.3.2煤礦井下的通信技術(shù)

　　通信技術(shù)主要包括機器和機器、機器和人、人和人之間的通信。煤礦井下通信一般采用有線或無線方式,有線通信受到導(dǎo)線限制,無線通信在一定情況下信號傳輸會受到限制。當(dāng)井下發(fā)生安全事故，巷道結(jié)構(gòu)會受到不同程度的損壞，很可能導(dǎo)致后續(xù)爆炸以及塌方的發(fā)生。此時，地面指揮中心需要收集井下巷道的風(fēng)速、溫度、煤塵以及有害氣體濃度等數(shù)據(jù)資料，做出相關(guān)的決策。但巷道中的回波會在很大程度上干擾無線通信信號,這就需要對信息傳遞方式進行專門的研發(fā)，研發(fā)的重點主要集中在基于多中繼點的井下無線通信、數(shù)個機器人長距離通信中繼方法、自主返回技術(shù)、光纖自主釋放技術(shù)以及基于加強光纖的寬帶通訊等。

　　4結(jié)論

　　本文針對目前國內(nèi)煤礦井下探測機器人遠程控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及其遠程控制系統(tǒng)功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)硬件軟選擇及設(shè)計方面，進行了概述性研究。在探測機器人控制系統(tǒng)模式應(yīng)用分析的基礎(chǔ)上，研究應(yīng)用合適的關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)煤礦井下實際需求，可以進一步優(yōu)化煤礦井下探測機器人的遠程控制。隨著煤礦機器人在控制、通信、導(dǎo)航及可靠性技術(shù)等方面的不斷發(fā)展，探測機器人在控制系統(tǒng)的智能化、產(chǎn)品化方面不僅可以代替工人在煤礦井下復(fù)雜高危的環(huán)境中工作,還將具備自主識別危險和智能傳遞分析井下實況信息的能力，高精度、高適應(yīng)性、高環(huán)保性的煤礦機器人將不斷出現(xiàn)，從而推動煤礦機器人向無人化方向發(fā)展。

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