煤礦井下搜救機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究
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我國的搜救機(jī)器人研究起步較晚，但最近幾年發(fā)展較快，引起越來越多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、沈陽自動(dòng)化研究所、廣東衛(wèi)富公司等都研制了各自的搜救機(jī)器人系統(tǒng)，中國礦業(yè)大學(xué)與清華大學(xué)等幾家機(jī)構(gòu)也研制了用于煤礦井下救援的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)。但目前國內(nèi)的搜救機(jī)器人大多仍處于原理樣機(jī)的研究上，或局限在室外危險(xiǎn)物排除這種應(yīng)用案例的應(yīng)用上，尚未有機(jī)器人參與到礦難、地震、建筑物坍塌等實(shí)際災(zāi)難現(xiàn)場救援的報(bào)道。在2010年4月2日王家?guī)X透水事故發(fā)生的過程中，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制的水下機(jī)器人曾被帶到現(xiàn)場，試圖參與透水現(xiàn)場的探測任務(wù)，雖然最終沒有采用，但也不失為一次有益的嘗試，為透水事故探測救援積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
3 煤礦井下搜救機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)
在設(shè)計(jì)救災(zāi)機(jī)器人時(shí)，應(yīng)從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，考慮救災(zāi)機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性，協(xié)調(diào)各分系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)聯(lián)，開展頂層設(shè)計(jì)，研究綜合集成關(guān)鍵技術(shù)。在設(shè)計(jì)救災(zāi)機(jī)器人過程中應(yīng)充分注重關(guān)鍵技術(shù)。
3.1運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)載體，直接影響到機(jī)器人的通過性和地形適應(yīng)能力。煤礦搜救機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)應(yīng)盡可能適應(yīng)多種復(fù)雜的井下地形條件，如廢墟、泥地、沙地、臺(tái)階、陡坡、壕溝等，即具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力；除此之外，還要具有一定的運(yùn)動(dòng)速度和良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)穩(wěn)定性，盡可能減少傾覆或翻滾的可能［］。目前的搜救機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)種類較多，如輪式、履帶式、蛇形移動(dòng)機(jī)構(gòu)等，不同的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)決定了各自的運(yùn)動(dòng)能力。輪式機(jī)器人速度快、效率高，但越障能力較差，復(fù)雜地形適應(yīng)能力有限；履帶式越障能力強(qiáng)，但存在速度慢、運(yùn)動(dòng)效率較低的缺點(diǎn)；蛇形機(jī)器人可以鉆進(jìn)狹小的空間，利用頭部安裝的攝像頭傳回圖像信息，但也存在速度慢、機(jī)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)；足式機(jī)器人，如四足、六足等具有適應(yīng)地形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能越過大的壕溝和臺(tái)階，但目前大部分足式機(jī)構(gòu)存在速度慢、效率較低的特點(diǎn);輪腿復(fù)合式機(jī)器人具有履帶機(jī)器人的地形適應(yīng)能力和輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，但也存在結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜體積較為龐大等缺點(diǎn);此外受到自然界生物的啟發(fā)，各種特殊的仿生機(jī)構(gòu)機(jī)器人也展現(xiàn)了美好的前景［］。綜合考慮煤礦井下的地形環(huán)境和事故發(fā)生后可能存在的實(shí)際情況，采用具有較強(qiáng)地形適應(yīng)能力的帶輔助臂的復(fù)合履帶方式是一種相對理想的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該方式在具有較強(qiáng)地形適應(yīng)能力的同時(shí)，可以保持較小的體積，能夠穿過相對狹窄的空間。
除了上述需要考慮的因素之外，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)必須可靠，以應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境。比如煤礦搜救機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)必須重點(diǎn)考慮防爆、防水、耐高溫等。履帶機(jī)器人也容易發(fā)生履帶出軌脫落，導(dǎo)致機(jī)器人寸步難行。除了靈活的運(yùn)動(dòng)能力和可靠性設(shè)計(jì)外，搜救機(jī)器人還應(yīng)考慮便攜性。為了應(yīng)對突發(fā)的礦難事故，提高搜救效率，搜救機(jī)器人應(yīng)該具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力，必須在第一時(shí)間投放現(xiàn)場。搜索完一個(gè)目標(biāo)地點(diǎn)，能盡快轉(zhuǎn)移到下一搜救地點(diǎn)。體積過于龐大，除了具有更高的能耗和大大減小了平臺(tái)通過能力之外，其運(yùn)輸過程也會(huì)給救援工作帶來困難。
3.2感知系統(tǒng)
搜救機(jī)器人的主要功能包括搜索探測與救援，但目前世界各國搜救機(jī)器人的研究還大多集中于環(huán)境探測和幸存者搜尋的功能上。由于環(huán)境極度復(fù)雜，受困人員本身面臨的困難復(fù)雜多樣，對人員的救援工作目前還是一件非常困難的事情，因此，環(huán)境探測與人員搜索任務(wù)是目前搜救機(jī)器人的主要功能，其搜索與探測能力主要取決于其自身攜帶的傳感器的類型與應(yīng)用情況。作為搜救機(jī)器人的感知系統(tǒng)，傳感器必須具備信息采集、信息存儲(chǔ)與分析以及信息傳輸?shù)裙δ?，同時(shí)要求其具有較小尺寸、足夠的分辨率和響應(yīng)時(shí)間，以及很好的穩(wěn)定性和可靠性等特點(diǎn)。
對環(huán)境的探測主要目的首先是讓搜救人員實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的了解事故后井下的綜合環(huán)境情況，評估井下環(huán)境對幸存人員及搜救人員生命及健康的影響，考慮指派救護(hù)隊(duì)員下井完成救援任務(wù)的可行性，以及為制定科學(xué)高效的救援方案提供必要的、可靠的井下環(huán)境參數(shù)信息。這就需要對井下的溫度、氣體組成情況如氧含量、有毒氣體含量、可燃?xì)怏w含量，以及井下的地形及地質(zhì)結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行探測。其次，在進(jìn)行環(huán)境探測的同時(shí)，當(dāng)機(jī)器人深入事故現(xiàn)場后，應(yīng)該具有對幸存人員進(jìn)行搜索定位及人員情況的初步探測能力。最后，為保證機(jī)器人能夠安全、有效的完成探測任務(wù)，機(jī)器人應(yīng)該具有其自身情況及所處環(huán)境的感知能力，如機(jī)器人本體的姿態(tài)、溫度、電池電量等本體參數(shù)，以及環(huán)境中的障礙物、火區(qū)、水區(qū)等危險(xiǎn)環(huán)境和機(jī)器人所處的位置等信息。
目前對于部分環(huán)境探測與感知的傳感器是比較成熟的，如溫度感知、氧含量傳感器、可燃?xì)怏w探測器、有毒氣體探測器等，這些傳感器體積小巧、探測精度高、集成度好，基本能夠滿足井下環(huán)境探測的需求；對于井下地形與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測主要依靠視覺系統(tǒng)或與視覺系統(tǒng)相配合使用的距離、位置等傳感器如聲納探測器、激光測距儀等；對人員的搜索定位有生命探測儀、熱成像儀等設(shè)備；機(jī)器人自身狀態(tài)的感知主要依靠里程計(jì)、慣性系統(tǒng)以及姿態(tài)傳感器等感知單元，完成機(jī)器人位置及姿態(tài)的感知以及為導(dǎo)航及運(yùn)動(dòng)控制提供必要的數(shù)據(jù)。
此外，井下環(huán)境特別是事故后的井下環(huán)境情況復(fù)雜，極有可能出現(xiàn)濃煙、灰塵等惡劣情況，在這種環(huán)境下很多傳感器特別是視覺系統(tǒng)會(huì)受到嚴(yán)重的影響。而遠(yuǎn)紅外探測器具有很好的穿透煙霧進(jìn)行探測的能力，并且可以同時(shí)獲得被測物體表面的輻射溫度，因此采用遠(yuǎn)紅外成像儀進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境的探測既可以作為可見光視覺系統(tǒng)的補(bǔ)充，又可以通過對一些特殊物體表面輻射溫度的測量實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識別，如人體、著火點(diǎn)、水域等。其他的特殊情況也可能導(dǎo)致不同的傳感器失效，因此采用多種傳感器進(jìn)行探測并對多種信息進(jìn)行融合處理是有效的解決方案。多傳感器的信息融合是把不同位置的多個(gè)同類型或不同類型的傳感器提供的局部環(huán)境的不完整信息加以綜合，消除信息之間的冗余和矛盾，以形成對環(huán)境相對完整和一致的描述，提高智能決策的速度和準(zhǔn)確性。多傳感器融合的常用方法有：加權(quán)平均法、貝葉斯估計(jì)、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理法以及帶置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則。
3.3可視化人機(jī)交互與遙操作
為了使井下機(jī)器人更加靈活的工作，需要使操作者具有一個(gè)簡單方便而功能齊全的操作平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)除了用于對機(jī)器人的操作外，還能夠?qū)Σ杉母鞣N信息以及機(jī)器人本體的姿態(tài)和位置信息進(jìn)行直觀的顯示，通過各種不同的方式保證機(jī)器人的可靠運(yùn)行。
3.4機(jī)器人防爆及控制系統(tǒng)抗惡劣環(huán)境技術(shù)
由于機(jī)器人工作在井下，而且更多地是在含有瓦斯等易燃、易爆氣體的區(qū)域進(jìn)行檢測工作，因此防爆設(shè)計(jì)必不可少且尤為重要?？刂葡到y(tǒng)不僅要進(jìn)行本安設(shè)計(jì)，還要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，防水、防酸霧、防灰塵等三防設(shè)計(jì)，抗震動(dòng)和抗沖擊設(shè)計(jì)及抗干擾設(shè)計(jì)等抗惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)。
現(xiàn)場的塵土、煙霧和散落的廢墟都會(huì)增加救災(zāi)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的難度。同時(shí)，現(xiàn)場的高溫也不利于機(jī)器人的使用，甚至可能出現(xiàn)履帶或輪胎被高溫熔化并發(fā)生燃燒等現(xiàn)象。因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意機(jī)器人的防塵能力和耐熱性，還要考慮它的防水、防爆、防腐蝕、防電磁干擾、抗熱輻射等功能。此外，復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境還對機(jī)器人的控制線提出了新的要求，鋒利的金屬殘片或其它殘骸對控制線產(chǎn)生了威脅，所以在選擇控制線時(shí)必須考慮它的堅(jiān)固性。
3.5機(jī)器人井下自主導(dǎo)航定位及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)
救災(zāi)機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)過程中，應(yīng)當(dāng)避免危險(xiǎn)的環(huán)境和防止產(chǎn)生更多的危險(xiǎn)，這就要求機(jī)器人必須具有導(dǎo)航能力;其次，為了向救災(zāi)中心提供幸存者的位置，機(jī)器人必須能夠確定自身位置，完成任務(wù)后回到救災(zāi)中心，這要求機(jī)器人具有定位和路徑規(guī)劃能力。救災(zāi)機(jī)器人的導(dǎo)航方式可分為：基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導(dǎo)航、基于各種導(dǎo)航信號的陸標(biāo)導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和味覺導(dǎo)航等。定位能確定機(jī)器人在二維工作環(huán)境中相對于全局坐標(biāo)的位置，可分為慣性定位、陸標(biāo)定位和聲音定位等。路徑規(guī)劃是根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息，按照某一性能指標(biāo)搜索一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無碰撞路徑，并且實(shí)現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋，可分為兩種類型：環(huán)境信息完全掌握的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知的局部路徑規(guī)劃。此外，GPS能對全球表面任何地點(diǎn)及近地空間提供實(shí)時(shí)高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。救災(zāi)機(jī)器人可采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)與電子地圖結(jié)合的方式，隨時(shí)提供救災(zāi)機(jī)器人的方位，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位的可視化。
位置信息是井下探測機(jī)器人必不可少的信息之一，無論是幸存人員信息，還是巷道破壞程度信息以及局部氣態(tài)環(huán)境信息，都需要一個(gè)相對精確的具體位置信息作參考。盡管操作人員可以通過前方影像數(shù)據(jù)在一定程度上進(jìn)行大體位置判斷，但這樣的定位是無精度可談的，況且在火災(zāi)等現(xiàn)場中，由于煙霧等原因，根本無法通過視覺圖像進(jìn)行定位。因此，采用多種傳感器進(jìn)行融合，對機(jī)器人當(dāng)前的位置進(jìn)行測量和計(jì)算，是十分必要的工作。
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