基于無人機技術的煤礦帶式輸送機巡檢方案

李 標

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京100013；2.煤礦應急避險技術裝備工程研究中心，北京100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京100013）

在礦山的安全生產中，帶式輸送機的巡檢方式主要以人工徒步巡檢為主，人工巡檢方式主要依靠巡檢人員完成對帶式輸送機定時、定點的監測，通過其工作經驗與主觀感知對帶式輸送機運行狀態做出判斷。那么這種方式也存在許多問題，一方面帶式輸送機測點多、工作量大，往往會出現漏檢，誤檢等現象；另一方面帶式輸送機運行時，巡檢人員無法對帶式輸送機上面做檢查，對一些隱患無法給出即時的處理。同時傳統人工巡檢的方式工作強度大，可靠性不高，人力勞動成本大，難以滿足現代化礦山的發展需要。隨著帶式輸送機故障監測向著智能化、無人化的發展，如何為遠距離帶式輸送機設計一種自動巡檢的監測裝置，如何利用先進的技術準確監測帶式輸送機的工作情況，減少人工巡檢的負擔，保障工人安全，成為當前重要的研究課題[1]。

1 帶式輸送機運輸系統無人機巡檢總體方案

帶式輸送機無人機巡檢系統適用于煤礦井下，具有非GPS 導航功能，能夠自主尋位和避障，可以在帶式輸送機沿線按規劃路徑自主或遙控飛行。無人機巡檢時，可對帶式輸送機定點懸停拍攝，并將照片或視頻信息通過無線網絡，回傳至管理平臺，若中途故障，可給出報警提示[2]，方便管理人員確認現場情況及管理。同時，無人機能夠往返沿線布置的充電樁，并自動充電，減少管理人員工作量[3]。

2 無人機結構和工作原理

2.1 無人機結構

無人機采用四旋翼垂直起落飛行器方案。四旋翼與六旋翼和八旋翼相比，機械臂少，維護和安全處理減少；在飛行可靠性方面不占優，但是在氣動效率上和結構上均有優點，在續航時間上，四旋翼比六旋翼和八旋翼均大20%～30%的續航時間，為滿足井下遠距離的巡檢任務，因此考慮結構較為簡單，續航時間較長的四旋翼飛行器機體方案，采用全封閉設計，適應煤礦井下防塵，防爆，防濕，防腐的工作環境需求。4 個半徑相同的旋翼，以同一水平，分別布置在無人機的前后左右4 個方向。機身中間位置安裝飛行控制器，4 個旋翼分別由4 個電機驅動，均勻分布在無人機支架段。

2.2 無人機工作原理

四旋翼無人機要實現不同的運動方式，則需要通過控制4 個電機的轉速，從而實現旋翼的速度變化，來實現對無人機運行姿態和位置的變化。無人機有6 個狀態的運動輸出，即六自由度無人機，同時無人機又稱為欠驅動系統。無人機工作原理示意圖如圖1。

圖1 無人機工作原理示意圖Fig.1 Operation principle of UAV

當四旋翼無人機的旋翼1 和旋翼3 沿逆時針旋轉，旋翼2 和旋翼4 沿順時針方向旋轉，那么當無人機的力矩達到平衡時，空氣動力及陀螺儀效應均被抵消。在圖1 中，旋翼1 和旋翼3 沿逆時針方向旋轉，旋翼2 和旋翼4 沿順時針旋轉，規定正向運動為沿著x 軸正方向飛行，旋翼上方向上的剪頭代表此處旋翼轉速提高，旋翼上方的剪頭方向向下，則代表此處旋翼轉速下降。那么根據旋翼1 和旋翼3 的不同旋轉方式以及轉速的快慢，來提高無人機在煤礦井下飛行過程中的靈活性，可分為：垂直運動、仰俯運動、滾轉運動、偏航運動、前后運動、傾向運動6個自由度[4]。

3 無人機導航

無人機的高精度定位與自主導航是實現無人機自主飛行的關鍵因素，由于煤礦井下無GPS 信號，且巷道空間狹小，障礙物較多、風塵大、光線昏暗等問題，因此在導航部分采用UWB 精確定位技術與光流導航技術相結合。

1）UWB 精確定位技術。通過UWB 定位系統做無人機礦井定位導航，準確引導無人機飛行，在礦井里工作。UWB 定位系統，需要在礦井內部布置定位坐標，搭建UWB 定位系統網絡和后臺服務系統，為無人機提供實時準確的定位信息。

2）光流導航技術。采用視覺識別導引無人機循跡飛行，循跡線類似于特征點編碼，由攝像頭采集視頻信號后，導引無人機按固定路線，固定速度穩定飛行。循跡線使用混合彩色熒光劑油漆，在帶式輸送機沿線機架描繪導引線段，無人機安裝大功率紫外燈，對導引線進行照射，導引線段被動發光變為可識別的光帶[5]。

4 無人機避障

目前無人機主流的避障方式有：超聲波避障、基于單目或雙目的機器視覺避障、激光雷達避障，設計采用超聲波避障和雙目立體視覺的避障方式。

4.1 超聲波探測

無人機在執行路徑飛行時，如遇到前方有障礙物，超聲波探頭可以在1～2 m 處探測到障礙物距離，并傳給飛控，飛控控制無人機剎車并懸停一定時間，如障礙物沒有位移，飛控指引無人機左右移動一定距離側向飛行，如障礙物消除則指引無人機繼續前行，并沿原設定路徑飛行。

超聲波探測原理主要依靠時間測距法，已知超聲波在空氣傳播介質中的速度為340 m/s，在超聲波發射的時候進行計時，遇到障礙物進行反射，當接收裝置接收到超聲波信號時，計時立即停止，根據時間t 就可以得出距障礙物的距離信息。超聲波易于定向發射、方向性好、強度易控制、受環境影響比較小、使用場合與被測量物體不需要直接接觸的優點。超聲波測距示意圖如圖2。

圖2 超聲波測距示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic distance measurement

4.2 雙目視覺避障

通過雙目視覺攝像頭，獲取視覺圖像，再通過算法實現特征點提取，最終獲得特征點的圖像坐標，再通過雙目視覺實現對圖像深度的空間幾何參數提取，以及空間位置姿態的精確計算，建立視覺范圍里的3D 空間信息[6]。采用雙攝像頭組建雙目視覺，更加準確的建立3D 空間，并且得到深度信息，建立立體視覺，通過SLAM 算法，主動計算出視覺范圍里的場景，從而獲取是否有障礙物，及障礙物的距離。引導無人機飛行和避障[7]。

雙目視覺SLAM 分為前端（視覺里程設計V0），和后端，前端只要研究幀與幀的變換關系，通過對圖像特征點的提取，然后進行特征點的匹配，最后利用RANSAC 算法去掉大噪聲[8]，通過匹配方法得到1 個位置和姿態的信息，再結合INS 系統中的IMU慣性測量單元，對無人機姿態信息進行濾波融合。

后端的主要作用是利用濾波理論或者優化理論，或者圖的優化，對前端做出的結果進行再次優化處理，從而獲得最優位姿估計[9]。

5 充電樁

以神東公司上灣煤礦402 巷道工作面6 km 帶式輸送機為例，沿線布置4 臺充電裝置，每個充電裝置放1 臺無人機，無人機巡檢往返路程1.5 km，保證無人機的續航時間。充電樁示意圖如圖3。

圖3 充電樁示意圖Fig.3 Schematic diagram of charging pile

充電樁為無人機充電，充電時間≤4 h。充電樁具有防護罩，封閉充電環境，同時，充電樁具有定位模塊和充電口自動尋找裝置，方便無人機尋位，及充電口對接。充電時，無人機定位充電樁，到達附近后，充電樁打開防護罩，無人機落入，然后關閉防護罩。減速電機控制充電軸360°旋轉，尋找無人機位置；步進電機控制充電滑塊沿絲桿滑動，尋找無人機充電口。充電口為電磁鐵，無人機落入后通電，在充電軸掃描中，兩充電口靠近時，因磁力自動吸合，開始充電。充電完畢后，電磁鐵通反向電壓，磁極反向，充電口脫離，停止充電，待無人機起飛時，打開防護罩，起飛后關閉[10]。

6 無人機飛行方案

無人機接收WIFI 起飛指令后，無人機開機，電機帶動螺旋槳旋轉起飛，同時超聲波探頭和攝像頭采集數據，視覺識別熒光帶方向。超聲波探測到距離巷道頂部的距離，指引飛行器起飛達到距巷道頂部的指定距離，視覺識別指引無人機機頭對準導引亮帶，向前飛行。飛行時視覺識別每個亮帶的節距，計算飛行距離及速度，并自動避障，同時無人機根據電壓及最近充電樁距離，邏輯判斷是否需要充電。無人機通過WIFI 網絡與控制系統交換數據，指引在目的位置懸停拍攝，并將圖像數據返回控制系統。巡檢結束后，返回充電樁充電，等待下次任務。

無人機能夠按照預先設定的路徑飛行，實現自動導航、自主飛行。無人機亦可以通過遙控飛行，接收不到遙控信號，則自動改為自主飛行模式，保證無人機飛行安全。

7 結 語

無人機的巡檢在各行各業已廣泛卡站，在煤礦井下的應用尚屬首例。無人機巡檢通過搭載不同的檢測傳感器及網絡攝像機，可以實時高效的檢測帶式輸送機沿線的環境參數，以及通過視頻分析檢測是否有異物，大塊煤，是否有人違規操作等，最終將檢測數據通過WIFI 信號傳輸至監管平臺，提高了對帶式輸送機檢測的效率，減少了工人的勞動強度，無人機樣機已在神東公司上灣煤礦402 工作面已完成試飛，試飛效果基本達到預期目標。