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煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，建设全生产过程智能化、信息化、机器人化的智慧矿井已成为煤炭产业新时期的主要目标[1-3]。作为井工型煤矿生产过程中除煤炭外，其余物料及作业人员的主要运输手段，矿井辅助运输系统是整个煤炭生产体系中的关键环节，其技术水平和作业效率，直接关系到煤矿生产减人增效目标的达成[4]。实现井下物料标准化装载、智能化配送、自动化转运和无人化运输的连续型辅助运输工艺是智慧煤矿建设的必要条件和技术支撑[5-6]。根据采用运输装备的不同，目前矿井辅助运输系统主要分为3种形式：轨道运输、无轨运输和混合运输。其中轨道运输主要采用单轨吊和轨道机车等运输装备，因行驶路线固定、运输工艺成熟，通过对现有设备进行智能化改造可实现辅助运输的无人化、自动化[7]。有效提高运输效率、减少转运环节是其面临的主要问题。
无轨辅助运输主要采用防爆胶轮车作为运载工具，利用车辆机动灵活的特点，可点对点地高效完成井下运输作业，在大型高产煤矿中使用日益广泛。而现有无轨运输系统主要存在的问题有：①以柴油机动力为主，系统能耗高、尾气污染严重；②以机械和液压传动为主，传动效率低、可靠性差；③以司机驾驶和人工调度为主，自动化程度低、信息化水平落后；④涉及车型种类繁杂，运输作业碎片化问题严重，难以符合标准化、模块化的智能物流要求。
针对上述问题，笔者将物联网和自动驾驶技术同无轨辅助运输装备的设计相结合，设计一款具有清洁动力、环境感知、定位导航和自主行走等功能的矿井轮式物料运输机器人，作为煤矿智能辅助运输系统的配套装备和运载平台，实现井下主要物料的自动化配送和无人化运输，对提高辅助运输效率、减少井下作业人员数量、推动智慧煤矿建设具有重要意义。
矿井轮式物料运输机器人是针对现有无轨辅助运输装备难以适应煤矿智能化和无人化的发展需求，根据井下复杂运行环境和特殊工况设计，以自动驾驶技术为控制中枢，以防爆电驱轮式底盘为行走装置，具备环境感知、定位导航和路径规划能力，结合可快速更换的多型上装载具，自主完成井下主要物料和耗材的长距离运输作业。
矿井轮式物料运输机器人突破了防爆无轨胶轮车的传统结构形式，采用模块化设计，将运输机器人的行走、装载等基本功能划分为相对独立的单元模块，可根据不同的作业需求进行组合，完成不同的运输任务，达到减少车型种类、增加部件通用性的目的，适应矿井物料运输标准化的发展要求。如图1所示，该机器人主要由远程监控平台、通用动力底盘和可换承载上装3部分组成，其中远程监控平台是整个智能辅助运输系统的指挥调度中枢，负责为系统提供大数据支持，执行云端唤醒、实时监控等功能，并在需要时进行远程接管；通用动力底盘是机器人的行走装置，集成了防爆电驱线控系统和自动驾驶系统等功能模块，具备环境感知、定位规划和自主行走等功能，是机器人系统的核心；可换承载上装是机器人的承载容器和执行机构，可根据矿方的使用需求采用不同容积和尺寸的料箱、平板、锚杆舱等运输载具，也可安装机械臂、卷缆机等井下常用执行机构，满足不同作业任务需求。
图1 矿井轮式物料运输机器人的系统组成
Fig.1 System components of wheeled material transport robot
根据当前无轨辅助运输系统的主要使用工况，以及适应薄煤层开采的发展趋势，该机器人的外形结构采用矮型设计，如图2所示，其中底盘整体高度不超过1 000 mm，安装货箱后整机高度低于1 500 mm，宽度不超过2 000 mm，长度不超过5 000 mm，拥有良好的井下巷道适应性和复杂路面通过能力。同时，为满足井下物料长距离高效运输的需求，其井下最大行驶速度不低于20 km/h，最大续驶里程不小于80 km，可满足神东等大型矿井物料运输至少一个来回的使用需求，且车载动力电池具备快换功能，以解决当前防爆电驱车辆存在的续航焦虑问题。自动驾驶系统是该机器人自主执行运输任务的基础，为保障快速移动情况下的作业安全，其系统响应时间应不超过0.1 s，传感设备的有效测量深度大于20 m，可实现对环车身360°运行环境的实时探测。为保证与地面通讯的实时性，车载无线通讯模块的有效通讯距离应大于800 m，配合井下布置的防爆基站实现作业范围内双向无线通讯的全覆盖。矿井轮式物料运输机器人的主要技术指标见表1，对其动力性能、通过能力和自动驾驶功能制定了相应的约束要求。
表1 矿井轮式物料运输机器人主要技术指标
Table 1 Technical specifications of wheeled material transport robot
参数技术指标整备质量/kg最大载重/kg5 0005 000整机高度/mm≤1 500(货箱)最大行驶速度/(km·h-1)≤40(地面);≤20(井下)最大爬坡度/(°)14转弯半径/mm≤5 000(外);≥2 000(内)最小离地间隙/mm300最大续驶里程/km80(空载);40(满载)定位精度/cm≤30系统响应时间/s0.1感知视场角度/(°)360(环车身)传感器测距深度/m≥20有效通讯距离/m≥800
图2 矿井轮式物料运输机器人的结构形式
Fig.2 Structural configuration of wheeled material transport robot
自动驾驶系统是矿井轮式物料运输机器人的控制中枢，由四级功能架构组成，分别是传感层、感知层、决策层和执行层。传感层主要由激光雷达、深度相机、惯性测量单元等传感设备组成，负责实时采集运行环境特征、机器人姿态参数等信息；感知层对所采集信息进行计算融合，对自身位置和环境状况进行精确判断；决策层则根据得到的当前位置信息和运输任务目的地信息，对行驶路线进行合理规划，同时制定有效的避障措施，并对行走装置下达一系列动作指令；执行层则根据命令完成相应的启动、加减速、转向和制动等动作[8-11]。
矿井轮式物料运输机器人整体技术架构如图3所示，其中自动驾驶系统主要由硬件系统和软件系统组成。硬件系统主要由传感设备、定位模块和计算单元组成，是实现自动驾驶功能的硬件平台，其设备能力和精度直接关系到机器人运行的可靠性和安全性。软件系统又分3个层级：实时操作系统、软件运行框架层和功能模块层。实时操作系统是机器人软件系统与硬件平台的交互接口，采用基于Linux核心的Ubuntu嵌入式操作系统，具有响应速度快、可靠性高的特点；软件运行框架层提供各模块的开发和运行环境，采用ROS机器人操作系统，具备完整的开发工具包、灵活的计算调度模型以及丰富的调试工具，能够统一提供配置管理、部署运行、底层通信等功能；功能模块层包括实现环境感知、定位导航和路径规划等功能的应用级程序。
图3 矿井物料运输机器人的技术架构
Fig.3 Technology configuration of wheeled material transport robot
矿井物料运输机器人的轮式底盘既是机器人的行走装置和承载结构，又集成了自动驾驶功能的各种单元模块。底盘采用防爆电驱技术，以防爆动力电池为能源，具备线控行走、线控转向和线控制动功能。如图4所示，行走底盘为前后对称布置结构，方便机器人在狭长巷道内的双向行驶；行走动力装置、电动转向装置、车载动力电池等关键部件均采用双系统的安全冗余设计，在正常工作情况下互相配合保证机器人的动力性能，若其中一个系统发生故障，另一系统仍可以独立运行，确保基本的行走功能；底盘安装了四轮独立悬架，采用空气弹簧减震和双叉臂结构形式，具备良好的路面适应性和行驶稳定性；4个驱动轮都安装有轮边制动装置，采用弹簧制动、液压释放的安全型制动形式；底盘前后两端对称布置2个隔爆电控箱，用作自动驾驶控制模块的防爆结构；环境感知模块布置在底盘四角，为系统采集环境数据。
图4 矿井物料运输机器人行走底盘结构
Fig.4 Chassis structure of wheeled material transport robot
底盘转向系统采用阿克曼转向方式，利用防爆型循环球式电动转向装置操纵转向拉杆完成转向动作，配备两套转向装置分别实现前后轮转向。制动系统综合采用电机回馈制动和液压轮边制动：在正常行驶情况下，根据自动驾驶系统规划的行驶路线和避障机制，借助牵引电机回馈制动，实现减速、制动等功能，有效减少制动器损耗、降低系统能耗；在紧急制动或驻车情况下，通过防爆电液比例阀控制轮边制动器实现车辆的快速安全制动。
矿井物料运输机器人需具备在井下起伏多变和较长坡道路况下执行运输任务的能力，根据辅运巷道的常见工况以及机器人的设计指标，进行动力系统的匹配计算，以保证底盘的动力性能。动力电池采用两组隔爆型锂离子蓄电池装置，可提供64 kW·h的运行能量。6种运行工况下对牵引电机的功率需求和相应的整机续驶里程见表2，根据计算结果进行动力系统的匹配设计。底盘的行走动力装置由牵引电机和减速器组成，采用46 kW隔爆型高速永磁同步电机，最高转速可达9 000 r/min，具有体积小、功率密度高的特点；减速器具有差速功能，通过传动半轴驱动左右轮胎；2套行走动力装置分别驱动前后轮，实现四轮驱动。主要设备的性能参数见表3。
表2 矿井轮式物料运输机器人主要运行工况的牵引电机功率需求分析
Table 2 Traction power demand analysis of wheeled material transport robot
运行工况行驶速度/(km·h-1)承载质量/kg电机转速/(r·min-1)电机转矩/(N·m)电机功率/kW续驶里程/km空载平路满载平路40305 0006 500251810510 0004 875502652满载爬坡3°2010 0003 2501304521满载爬坡6°1510 0002 4502105413满载爬坡10°1010 0001 6253105411满载爬坡14°510 000815410406
表3 矿井轮式物料运输机器人行走系统性能参数
Table 3 System parameters of wheeled material transport robot
系统性能参数系统额定电压/(V)动力电池能量/(kW·h)320(直流)32×2减速器速比30牵引电机功率/kW46×2制动器输出力矩/(N·m)6 000×4转向装置输出力矩/(N·m)2 000
轮式底盘是物料运输机器人实现自主行驶功能的执行机构，通过建立底盘运动学模型，从几何学的角度，确定满足运动学约束条件的状态量和控制量，实现对机器人运动状态的预测估计，是进行合理路径规划和准确路径跟踪的前提[12]。假定该底盘为一个刚体，对其进行横纵向解耦，建立如图5a所示惯性坐标系OXY内物料运输机器人的运动学模型，其中：O点(x0，y0)为机器人质心，L为轴距，ψ为底盘横摆角(航向角)，ω为横摆角速度，δf为前轮偏角，vf为转向轮速度，V为质心速度，δ为质心偏角，a为加速度。考虑到底盘行驶速度相对较低，且其质心位于轴距中心，将上述模型简化为图5b所示的自行车模型进行分析，其中：P为底盘的瞬时转动中心，R为质心转弯半径。根据图5中的几何关系，建立机器人运动学模型微分方程：
图5 矿井物料运输机器人的运动学模型
Fig.5 Kinematics model of wheeled material transport robot
(1)
其中，质心偏角δ和前轮偏角δf的关系如下：
(2)
综合式(1)和式(2)，可通过控制量K=[a，δf]可估算出机器人未来一段时间(dt)的状态量E=[x0，y0，ψ，V ]，其中加速度a通过控制牵引电机和制动系统实现，前轮偏角δf通过控制转向电机实现。自动驾驶系统通过将估算出的机器人运动状态参数与感知系统采集的实际状态参数进行对比，再利用路径跟踪算法消除两种控制量的偏差实现机器人沿所期望的路径行驶。
矿井轮式物料运输机器人的环境感知功能是基于同时定位与建图技术(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)[13-15]，综合采用视觉和激光SLAM技术，以相对较低的设备成本实现机器人对运行环境的感知探测。环境感知系统主要由布置在底盘前后两端主隔爆电控箱中的传感单元，以及布置在底盘四角的隔爆型传感器箱组成，布置方式如图6a所示，感知传感器主要参数见表4。两个平面激光雷达系统分别位于底盘前后两端，以主隔爆电控箱体作为防爆结构，利用其视野范围宽、可靠性高的特点，实时采集运行环境的点云数据；数个RGB-D深度相机分别布置在主隔爆箱和传感器箱中，组成环绕车身的视觉感知群，利用红外成像技术，在机器人行驶过程中实时提取巷道环境的图像特征和深度信息；传感器箱中设置有多个ToF激光测距探头，利用其探测距离远、简单可靠的优点，与激光雷达和深度相机共同构成机器人的远、中、近三层探测范围网络。在机器人移动过程中利用数据融合算法，将实时采集的图像信息、深度信息和点云信息进行融合分析，建立巷道环境的精确数字地图，为机器人准确定位提供数据支持。环境感知系统的探测范围如图6所示。
图6 矿井轮式运输机器人的环境感知系统
Fig.6 Perception system of wheeled material transport robot
表4 矿井物料运输机器人感知传感器参数
Table 4 Perception sensor parameters of wheeled material transport robot
传感器参数探测距离/m视场角度/(°)分辨率/dpi单线激光雷达RGB-D摄像头半径200.1～1027090×60—1 280×720ToF激光测距探头30——
矿井轮式物料运输机器人的定位导航功能是利用井下无线通讯网络，结合自身的环境感知模块，通过SLAM技术实现自动行驶时的自主精确定位。无线通讯系统采用低延迟的WiFi+LoRa+UWB解决方案，其中WiFi模块负责提供高速视频信号传输功能，采用2.4 GHz通讯频段；LoRa模块提供远距离通讯功能，避免出现通讯盲区，采用900 MHz频段；UWB模块提供高精度定位功能，中心频率在3.5～6.5 GHz，其在单向300 m距离内定位误差不超过30 cm[16-20]，技术参数见表5。在井下巷道内部署包含上述模块的防爆基站，采取双侧PCB定向天线方式，最大布置间隔可达800 m以上，使无线通讯网络覆盖机器人运行范围。同时在机器人本体安装相应的通讯终端，实现双向无线数据传输。
表5 矿井物料运输机器人无线通讯模块技术参数
Table 5 Wireless communication system parameters of Flame-proof Material Transport Robot
通讯模块工作频率/MHz最高传输速率/bps通讯距离/m主要特点LoRaWiFi9002.4×1 024100K10G2 000500功耗小,通讯距离远数据传输速率高UWB(3.5～6.5)×1 0241G300可实现高精度定位
矿井物料运输机器人通过无线通讯系统可实现井下巷道内的线性定位，对自身所在的位置做出初步判断，再通过环境感知模块采集的数据信息，利用SLAM技术实现对自身位置的准确估算。图7所示为定位导航系统的技术架构：机器人进行作业时利用无线通讯系统和惯性测量单元(IMU)采集的数据对自身进行初步的线性定位，再利用感知模块采集的环境点云模型和深度图像，与数据库中的高精度地图(可通过矿井大数据平台获取或是利用车载感知模块通过深度学习算法构建)进行对比，并放在一个坐标系内做配准，配对成功后确定自身准确位置，实现自主精确定位。
图7 矿井物料运输机器人的自主定位系统架构
Fig.7 Autonomous localization system configuration of Flame-proof Material Transport Robot
1)实现井下物料标准化装载、智能化配送、自动化转运和无人化运输的连续型辅助运输工艺是智慧煤矿建设的必要条件和技术支撑，而当前现有的煤矿无轨辅助运输设备和工艺存在自动化程度低、信息化水平落后等问题，难以满足辅助运输智能化的发展要求。矿井轮式物料运输机器人利用物联网和自动驾驶技术，可实现井下物料运输的无人化和智能化，能有效缓解当前智慧煤矿建设中存在的辅助运输瓶颈，对实现煤矿生产的减人增效有重要意义。
2)针对煤矿井下的特殊工况和物料运输需求，提出了矿井轮式物料运输机器人的设计方案、技术指标和总体架构，明确了机器人各系统的层级关系和功能单元组成。并进行了机器人动力系统的匹配设计和运动学模型分析，根据行走底盘运动的约束条件建立了相应的微分方程，提出了预测该机器人行驶情况的状态参数和控制变量。
3)提出了矿井轮式物料运输机器人环境感知系统的设计方案和布置形式，通过深度相机红外成像技术和平面激光雷达探测相融合的方法，以相对较低的硬件成本实现对运行环境的可靠感知。利用物联网技术，提出了机器人无线通讯系统的解决方案，通过在井下部署低延迟的WiFi+LoRa+UWB防爆基站，实现机器人运行范围内无线网络的覆盖。并结合无线通讯系统的线性定位功能和环境感知系统的SLAM定位技术，实现矿井轮式物料运输机器人的自主精确定位。
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