摘要:在我國煤炭生產安全形勢較為嚴峻的背景下，隨著遠程控制技術的突飛猛進,煤炭行業引進機器人遠程控制系統，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的應用進行介紹，然后分別從煤礦井下探測機器人遠程控制系統的系統模式、系統結構、硬軟件設計等方面,研究煤礦井下探測機器人的遠程控制系統，并對當前煤礦井下探測機器人控制系統研究熱點進行了分析。

　　關鍵詞：煤礦井下;探測機器人;遠程控制系統

　　煤礦方向論文范文：淺談煤礦數據的分析與應用

　　摘要:當今社會科技發展快、信息流通量大，人們之間的交流越來越密切，大數據這個高科技時代的產物也應運而生。煤炭作為工業發展的重要組成部分，其發展關系著整個工業的發展。如今，許多現代大型煤礦已能將井下設備信息上傳到地面，在地面就可直觀的看到設備當前運行的情況，從而更可靠的進行安全生產。通過結合實例將上傳的設備信息數據進行整理和分析，從而預測設備的運行狀況，提出建設性建議。同時對加強煤礦安全生產、促進煤炭行業現代化建設、提高煤礦的經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、網絡信息傳輸技術以及仿生學等各學科飛速發展,煤礦井下探測機器人遠程控制技術應用也不斷深入。控制系統由簡單的操作人員控制,到機器人控制，再到多機器人協調控制，取得了由近到遠，由簡單到復雜，由全程操作到自主控制等全方面的進步。本文結合控制系統研究的熱點，分別介紹煤礦井下探測機器人遠程控制系統功能、系統結構以及系統的硬件設計等方面，以進一步研究未來煤礦井下探測機器人控制系統的應用,為相關行業生產提供借鑒參考。

　　1煤礦井下探測機器人遠程控制系統的現狀分析

　　隨著人工智能技術的飛速發展,機器人的發展逐步融合了多學科知識,機器人的應用越來越廣泛。煤炭行業引進機器人系統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仍然停留在實驗室研究階段，只有少數國家能夠將其應用到實際搜救過程當中。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、日國家目前技術處于世界領先地位。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，中國礦業大學煤礦事故探測救援機器人CUMT-1的自主研發,開創了我國煤礦救援探測機器人自主研發并投入應用的先例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、氣體等環境傳感器。

　　由于煤礦井下是非結構化環境，目前技術實現的一些智能化機器人設備不僅價格高昂，而且可靠性及可用性也不強，因此，全球煤礦救災方面的機器人只能對有限的巷道進行探測救災。因煤礦服務機器人對人具有很強的替代作用,在繪制礦圖、日常維護及巡檢預防二次災害等方面,其技術的應用及推廣都具有重要價值⑵。為了經濟合理且能夠在煤礦井下非結構環境下利用機器人進行環境及資源的探索,由遠程控制端發送一些指令給機器人，機器人反饋執行狀態和環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主要支持井下探測機器人檢測以及設置相關參數、變換相關狀態,對傳輸回來的信息進行參考判斷，再將有關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，及時應對靈活多變的環境條件，確保煤礦井下探測機器人的實時工作狀態能夠被遠程客戶端實時監控。

　　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據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確地反饋。另外多任務處理、高可靠性、低故障率、好的集成性、功耗低、較好的續航性，良好的網絡通信功能都是對其性能的基本要求。同時，方便的系統輸入與更新，設計使用的直觀、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可靠性方面，并沒有成熟的技術和產品。

　　2煤礦井下探測機器人控制系統模式應用分析

　　根據操作人員在控制系統中的參與程度以及控制系統的自主控制程度,煤礦井下探測機器人遠程控制系統主要有直接控制模式、監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任務。該控制系統的設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、左右轉彎等)即可，同時對操作人員的技能和傳輸網絡的穩定性和流暢性要求較高，這種模式不需要控制系統自主進行分析處理,對系統的智能化程度要求低,適用于執行煤礦井下單一、簡單的任務，主要作用在于減輕工人的體力勞動。

　　2.2監督控制模式

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

　　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發展的主要方向，主要由多種類型的機器人專家系統和先進的信息傳輸系統構成。該模式下機器人探測能力、自主程度、數據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運行條件,下達探測任務，驗收探測結果即可，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智能化程度越來越高，遠程控制系統的應用越來越廣泛,系統的靈敏性、準確性和穩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的靈敏性冋、準確性和穩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的硬件設計、系統結構以及系統功能等方面。

　　3煤礦井下探測機器人遠程控制系統應用分析

　　3.1機器人遠程控制系統結構

　　煤礦井下探測機器人的遠程控制系統主要是由遠程客戶端、中間層以及本地機器人控制等3個子系統所組成何，其系統結構如圖1所示。機器人本地控制子系統主要是由車載PC、視頻收集設備以及機器人本體所組成。該子系統的功能主要是:接收來自客戶端的控制命令,實現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實時掌握機器人的狀態;對于機器人以及現場的情況需要依靠視頻收集設備進行攝像，對收集到的視頻圖像進行處理(如壓縮)，再傳輸到客戶端，從而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場環境以及機器人的狀態進行監控。簡而言之，煤礦井下探測機器人的遠程控制系統中的中間層子系統就是中介的功能，主要有以下幾個方面:(1)保證客戶端子系統以及機器人本地控制子系統之間順利實現交互;(2)進行相關視頻資料的實時傳輸，遠程客戶端子系統的關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據，例如視頻等相關信息、機器人及場景信息以及對客戶輸入信息進行記錄等。

　　3.2系統硬件以及軟件的設計

　　3.2.1硬件的設計

　　煤礦井下探測機器人可以看成一個規模不大的工作站，其最大的優點是突出的處理能力和優越的選擇性能。此外，遠程控制計算機結合一些輔助設備(如投影儀等)就可以成為一套具備優越性能的視頻監控系統。由于機器人在礦井下工作的環境十分復雜，無線信號會受到很大干擾，因此信號的強度及質量將大大降低,為了應對復雜的礦井作業環境必須特制一些無線通信產品。目前很多煤礦井下探測機器人都采用MDSinet900網絡電臺，與其他通信產品比較，這種網絡電臺的最大特點是能夠實現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勢。同時還可在車載PC上通過以太網連接多臺電臺，其中大多數的視頻采集設備都采用Osprey-210視頻采集卡以及索尼EVID100PCCD攝像機。

　　3.2.2系統軟件設計

　　煤礦井下探測機器人的軟件設計方案需要結合煤礦探測的實際需要以及遠程控制系統本身的特點，主要是選擇遠程客戶端程序以及C/S架構組合機器人端程序進行軟件系統的組建⑴)。遠程控制系統軟件設計都是采用Windows系統，而且都是在VisualC++開發環境下實現WinSocket的編程。機器人主程序主要負責與控制中心建立連接并接收發送來的控制命令，啟動相關狀態參數、環境信息及視覺子程序,以實現收集并發送視覺圖像，對有關的命令進行解析、按照相關的命令對機器人進行指示以及保證遠程客戶端順利通信。其中主要涉及到發送狀態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和機器人傳輸有關的控制命令、與終端順利實現通信、保證實現人機交互、把煤礦井下實時環境信息進行顯示以及視覺資料進行實時顯示。

　　3.3關鍵技術要點

　　3.3.1自主環境適應技術

　　鑒于煤礦井下復雜的環境，機器人必須具備較強的自主環境適應技術。導航技術、動力能源技術、電路集成度、防爆技術、可靠性技術、學習問題較強的環境適應能力以及較強的危險應變能力等關鍵技術都決定著煤礦井下機器人的研發應用進度,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對煤礦井下復雜及惡劣的環境適應技術十分關鍵M。

　　3.3.2煤礦井下的通信技術

　　通信技術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,有線通信受到導線限制,無線通信在一定情況下信號傳輸會受到限制。當井下發生安全事故，巷道結構會受到不同程度的損壞，很可能導致后續爆炸以及塌方的發生。此時，地面指揮中心需要收集井下巷道的風速、溫度、煤塵以及有害氣體濃度等數據資料，做出相關的決策。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，研發的重點主要集中在基于多中繼點的井下無線通信、數個機器人長距離通信中繼方法、自主返回技術、光纖自主釋放技術以及基于加強光纖的寬帶通訊等。

　　4結論

　　本文針對目前國內煤礦井下探測機器人遠程控制系統的應用現狀及其遠程控制系統功能、系統結構以及系統硬件軟選擇及設計方面，進行了概述性研究。在探測機器人控制系統模式應用分析的基礎上，研究應用合適的關鍵技術，根據煤礦井下實際需求，可以進一步優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、導航及可靠性技術等方面的不斷發展，探測機器人在控制系統的智能化、產品化方面不僅可以代替工人在煤礦井下復雜高危的環境中工作,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、高適應性、高環保性的煤礦機器人將不斷出現，從而推動煤礦機器人向無人化方向發展。

　　參考文獻

　　[1]錢善華，葛世榮,王永勝,等.救災機器人的研究現狀與煤礦救災的應用[J].機器人,2006,28(3):350-354.

　　[2]李允旺，葛世榮,朱華.煤礦救災機器人應用探討[J].煤礦機械,2009,30(1)：164-167.

　　[3]THOMASBS.Telerobotics,automationandhumansupervisorycontrol[J].Automatica,1994,30(6)：1072-1073.

　　[4]SHERIDANTB.Spaceteleoperationthroughtimedelay:reviewandprognosis[J].IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,1993,9(5)：592-606.