基于DSP的煤礦巡檢機器人控制系統設計

謝志勇，朱娟芬

(婁底職業技術學院 機電工程學院，湖南 婁底 417000)

0 引言

煤炭是我國重要的能源，全國50%以上的電能由燃燒煤炭產生[1]。煤炭在開采過程中，經常出現瓦斯濃度超標、透水、冒頂、刮板輸送機故障、帶式輸送機皮帶斷裂、液壓支架損壞等問題，每年造成大量的財產損失甚至井下人員傷亡。為緩解這些問題，煤礦每年花費大量的人力物力對井下關鍵設備進行監測和巡檢，但是人力巡檢精度差且效率低。為了提高煤礦井下設備的巡檢效率，巡檢機器人應運而生，與人工巡檢相比，巡檢機器人可長時間、高效率、高精度地監測。西門子等公司研發的巡檢機器人集多種傳感器于一體，實現了對煤礦井下工作面關鍵設備運行參數的監測，有效保障了工作面操作人員和設備的安全；美國的高通等高科技公司將芯片技術應用到煤礦井下設備的巡檢和監測領域，進一步提高了設備的可靠性和監測能力[2]。

我國在此方面的研究也取得了較大的進展，李陽[3]為解決煤礦井下綜采工作面設備關鍵參數監測效率低的問題，提出了一種監測煤礦設備運行狀態的巡檢機器人，并通過三維建模軟件對其機械臂的可靠性和穩定性進行了分析，為提高煤礦井下設備的監測力度提供參考；周密林[4]將先進的模糊控制、自主控制技術與巡檢機器人相關聯，設計了巡檢機器人的控制系統，并應用到煤礦設備監測領域，有效解決了煤礦井下通風設備和液壓支架的狀態監測問題，有力保障了煤礦企業的安全生產；龍冬[5]通過理論分析、數值模擬和現場實驗等方法對巡檢機器人進行研究和設計，將井下地圖輸入到巡檢機器人控制系統中完成路徑規劃，實現對工作面液壓支架、采煤機、刮板輸送機和通風機等關鍵設備的數據監測；宣鵬程等[6]對煤礦井下的帶式輸送機進行參數監測，研發了一款礦用巡檢機器人，通過對帶式輸送機的關鍵部件運行狀況進行監測，縮短了設備的應急故障處理時間，保障了帶式輸送機的可靠性，為煤礦安全生產提供支持；孟利華等[7]將機器人巡檢監測技術應用于環境監測中，實現了對現場環境關鍵參數的實時監測，有效提升了環境監測的效率和精度；周展[8]將懸線技術與智能化巡檢技術相結合，利用智能巡檢機器人實現對生產線關鍵部件的狀態監測和故障報警，有效提升了企業的智能化水平，縮短了生產線的故障處理時間，可實現制造企業的降本增效。為進一步提高巡檢機器人在煤礦井下工作面的可靠性，本研究將DSP技術應用到巡檢機器人的控制系統中，來改善機器人的監測穩定性，并提高巡檢設備的運算精度和效率，為今后開展煤礦井下巡檢技術的研究提供參考。

1 煤礦巡檢機器人工作原理及參數設計

為解決煤礦井下通風設備、采煤機、刮板輸送機以及帶式輸送機等關鍵設備監測難度較大和效率較低的問題[9]，本文根據煤礦巡檢機器人對計算精度、響應時間、遠程數據傳輸穩定性、現場環境數據采集精確性和研制效率等需求，開展煤礦巡檢機器人總體方案設計。

1.1 煤礦巡檢機器人工作原理

現場數據采集的對象為局部通風機、帶式輸送機、采煤機、液壓支架、刮板輸送機、提升機、排水等設備的圖像信息，同時還要采集井下工作面的環境參數，如溫度、濕度、瓦斯濃度等。因此，巡檢機器人在工作時需設置溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、瓦斯濃度傳感器等多種傳感器，以實現對井下不同數據的采集。由于煤礦井下工作面的環境比較惡劣，巡檢路徑復雜，巡檢機器人在井下工作時經常需要做避障動作，此時機器人的巡檢狀態容易出現不穩定性，無法將檢測的數據有效傳遞到地面的監測中心，而且運算大量數據時會出現延遲現象。為此，本文采用WIFI網絡作為傳輸方式，通過在井下工作面布署多個WIFI節點進行網絡覆蓋，當巡檢機器人接入到臨近網絡后將采集的圖像和數據信息發送到監測中心服務器上。巡檢機器人在煤礦通信系統中的位置如圖1所示。

圖1 巡檢機器人在煤礦通信系統中的位置

巡檢機器人作為客戶端，可實現全天候工作，將采集到的環境信息和圖像信息通過附近的WIFI網絡節點發送到地面的監控中心服務器上，并通過監視器進行實時顯示。當采煤機等設備出現故障或現場環境參數超標時，會迅速進行故障報警，提高了煤礦的應急故障處理效率。同時，將數據同步保存在數據庫中，以便隨時調閱查看歷史信息。

1.2 機器人參數設計

由于煤礦巡檢機器人不僅本身質量較大，而且還需要攜帶各種采集和通訊設備單元，故其應具有優良的負載和運動能力。本文結合煤礦井下的現場實際需求確定機器人的體型和運動性能參數，機器人技術參數如表1所示。

表1 機器人的技術參數

2 煤礦巡檢機器人控制系統硬件設計

煤礦巡檢機器人控制系統由四部分組成，分別為DSP控制模塊、音視頻和傳感器數據采集模塊、行走及姿態穩定性控制模塊、WIFI無線通信傳輸模塊。其中，DSP控制模塊是巡檢機器人整個控制系統的核心。同時，煤礦巡檢機器人采用了模塊化的硬件設計，提高了巡檢機器人研發的效率，有效降低了硬件的研發周期，可實現煤礦生產企業的降本增效。煤礦巡檢機器人控制系統結構如圖2所示。

圖2 煤礦巡檢機器人控制系統結構

2.1 DSP控制模塊設計

DSP控制模塊是巡檢機器人控制系統的中樞，負責調度和處理其他模塊采集的數據，并將指令傳遞到執行模塊。本文設計的煤礦井下巡檢機器人采用浮點型DSP控制模塊，與定點型DSP控制方式相比，其計算效率可提升50%以上。由于煤礦井下的巡檢工況監測和采集的數據龐大，采用其他控制方法時冗雜的數據處理較為困難，浮點型DSP控制模塊可有效解決這一問題。因為浮點型DSP控制模塊計算能力強、計算精度高的優點正好適用于煤礦井下多設備及環境監測的工況。

浮點型DSP控制模塊搭載主頻率為150 MHz的TMS320 F28335芯片，該芯片不僅可通過XINTF總線與?？低暤姆辣咔鍞z像設備等硬件相配合，還可實現實時監測、采集井下設備運行狀況的功能。同時，該芯片還提供外部資源端口，可實現與傳感器數據采集模塊、行走及姿態穩定性控制模塊、遠程通訊數據傳輸模塊的連接通信。

2.2 傳感器數據采集模塊設計

煤礦井下工作面巡檢機器人的數據采集功能主要分為兩部分：一是采集煤礦井下工作面的環境參數，如瓦斯濃度、溫度、濕度、氧氣濃度、風速等；二是采集局部通風機、帶式輸送機、采煤機、液壓支架、刮板輸送機等設備的運行狀態。前者通過搭載西門子的溫濕度傳感器、風速傳感器等設備來實現，后者通過?？低暤姆辣咔鍞z像設備來實現。檢測的氣體種類及標準值如表2所示。

表2 檢測的氣體種類及濃度標準值(體積分數)

工作時，先通過傳感器數據采集模塊搭載的FPGA芯片對數據進行采集，然后通過FIFO緩存功能對采集的數據進行預處理，最后使用浮點型DSP控制模塊對緩存的復雜數據進行集中處理后發到地面檢測中心，其中瓦斯濃度、溫度、濕度、氧氣濃度、風速等參數以圖表的形式呈現到監視器上。局部通風機、帶式輸送機、采煤機、液壓支架、刮板輸送機等設備的運行狀態通過音頻和視頻畫面的形式實時呈現，這種呈現方式有利于操作人員實時了解井下環境和設備的運行狀況，為煤礦安全生產提供了有力支撐。

2.3 行走及姿態穩定性控制模塊設計

機器人對控制系統的要求較高，需要實現機器人運動姿態與控制命令相一致，要求靈敏度高、誤差小[10]。該模塊需要與超聲波傳感器和紅外傳感器相配合工作，通過這些傳感器采集路徑軌跡前方的障礙物信息，障礙物信息以電信號的形式傳遞到行走及姿態穩定性控制模塊，經過處理后對機器人進行導航。由于煤礦井下工作面現場環境比較復雜，為了使巡檢機器人更好地適應復雜的行走工況，機器人采用三臺直流電機驅動設備行走和調整姿態。電機參數如表3所示。

表3 電機技術參數

巡檢機器人底盤采用鋼履帶，同時在履帶上設置有搖臂裝置，該裝置通過DSP輸出的脈沖寬度調制(PWM)信號驅動電機，來調整巡檢機器人的重心及姿態，以實現避障和跨越障礙的功能。根據路面的變化情況，使控制巡檢機器人的搖臂機構和履帶底盤做出反應，可實現調節巡檢機器人重心的功能，以障礙物為支點，通過重心的改變和履帶底盤的配合，實現跨越障礙物的功能。行走及姿態穩定性控制模塊原理如圖3所示。

圖3 行走及姿態穩定性控制模塊

同時，該模塊中預設了行走路徑規劃方案，通過傳感器的配合，先執行規避障礙物命令，若無法規避障礙物，再執行前面的障礙物跨越功能。行走及姿態穩定性控制模塊的應用，可有效提高巡檢機器人在井下工作面巡檢時行走、姿態和監測的穩定性，為煤礦井下的數據采集提高保障。

3 機器人軟件設計

DSP控制模塊、音視頻和傳感器數據采集模塊、行走及姿態穩定性控制模塊和無線通信數據傳輸模塊這四個模塊分別用來攻克現有巡檢機器人遇到的計算精度、現場數據采集、復雜工況行走穩定性以及遠程數據傳輸等難題。工作時DSP控制模塊作為神經中樞，不斷掃描WIFI模塊、XINTF總線和脈沖寬度調制(PWM)模塊的子函數來完成如數據通信、圖像采集、環境信息采集和電機控制等操作。巡檢機器人控制流程如圖4所示。

圖4 巡檢機器人控制流程

巡檢機器人行進工作時，需要提前將路徑規劃輸入行走及姿態穩定性控制模塊中，借助超聲波傳感器檢測地形及障礙。DSP控制模塊通過處理傳感器的信息，將指令下達到行走及姿態穩定性控制模塊，再控制搖臂電機調節重心以障礙物為支點，實現障礙物的翻越。同時，巡檢機器人設置有防傾覆系統，可實現最大58°的爬坡性能。

4 結束語

為了解決煤礦井下工作面通風機、刮板輸送機、帶式輸送機以及液壓支架等設備監測較難，以及巡檢機器人數據傳輸不穩定、響應時間較長等問題，本文設計了一款煤礦巡檢機器人控制系統，將浮點DSP技術應用在控制系統，提高了機器人的運算精度，與定點DSP技術相比，可提高50%的計算效率。采用WIFI網絡作為傳輸方式，可滿足對圖像和環境信息數據的傳輸穩定性和對高帶寬的要求，設計的行走和姿態穩定性控制模塊可提高數據采集的穩定性和可靠性，且具有靈活的避障功能，總體來看模塊化的硬件設計能大幅提高研發的效率，有效降低硬件研發的周期和成本。