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煤科總院付鑫:煤礦四足機(jī)器人巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)

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摘 要

針對煤礦巡檢任務(wù)面臨的復(fù)雜環(huán)境挑戰(zhàn),提出了一種四足機(jī)器人巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。集成激光雷達(dá)、慣性測量單元、腿部關(guān)節(jié)編碼器等多傳感器融合技術(shù),結(jié)合自主導(dǎo)航算法與無線充電技術(shù),開發(fā)出具備自主建圖、路徑規(guī)劃、動(dòng)態(tài)避障和自主充電功能的四足機(jī)器人巡檢系統(tǒng)。經(jīng)在煤礦地面變電所實(shí)際工作場景測試,能實(shí)現(xiàn)自主流暢移動(dòng),完成環(huán)境數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測,巡檢速度最高為0.6 m/s,無線充電定位精度<5 cm,具備較高的巡檢效率與安全性。

文章來源:《智能礦山》2025年第11期“礦山機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐特刊”

第一作者:付鑫,主要從事煤礦智能機(jī)器人具身智能與強(qiáng)化學(xué)習(xí)研發(fā)工作。 E-mail: fuxin@mail.ccri.ccteg.cn

通訊作者:朱西碩,主要從事煤礦智能機(jī)器人控制算法與仿真研發(fā)工作。 E-mail:zhuxishuo@163.com

作者單位:煤炭科學(xué)研究總院有限公司

引用格式:付鑫,朱西碩.煤礦四足機(jī)器人巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)[J].智能礦山,2025,6(11):71-75.

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煤炭作為我國能源體系的支柱,穩(wěn)定生產(chǎn)高度依賴電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。地面室內(nèi)變電所作為礦區(qū)供電的核心樞紐,承擔(dān)著關(guān)鍵功能,部分區(qū)域存在高電壓、強(qiáng)電磁場等安全風(fēng)險(xiǎn),巡檢任務(wù)還需應(yīng)對狹窄通道及動(dòng)態(tài)障礙。因此,常態(tài)化、精細(xì)化的巡檢對于及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患、保障電力系統(tǒng)安全至關(guān)重要。

傳統(tǒng)人工巡檢方式存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下、易受主觀因素影響、數(shù)據(jù)信息化程度低等弊端,且在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域安全隱患突出,難以滿足智能化、精細(xì)化運(yùn)維的需求。

隨著機(jī)器人技術(shù)、人工智能的飛速發(fā)展,引入機(jī)器人系統(tǒng)替代或輔助人工巡檢已成為提升效率、降低風(fēng)險(xiǎn)的重要趨勢。四足機(jī)器人因其靈活的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、較高的負(fù)載能力及對復(fù)雜地形的良好適應(yīng)性,在室內(nèi)變電所巡檢中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢,能更有效地穿梭于狹窄空間、繞避障礙。

針對煤礦室內(nèi)變電所的特定需求,設(shè)計(jì)了1套強(qiáng)調(diào)自主巡檢與能源自給能力的四足機(jī)器人巡檢系統(tǒng)。通過融合多種傳感器與智能算法,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)環(huán)境感知、自主路徑規(guī)劃與動(dòng)態(tài)避障,確保在復(fù)雜場景下高效完成巡檢任務(wù)。結(jié)合無線充電技術(shù),機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)自主定位充電,支持長時(shí)間無人值守運(yùn)行。

煤礦四足機(jī)器人巡檢系統(tǒng)構(gòu)成

煤礦四足機(jī)器人巡檢系統(tǒng)主要由四足機(jī)器人本體、無線充電平臺和遠(yuǎn)程控制中心組成,四足機(jī)器人巡檢系統(tǒng)如圖1所示。

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圖1 四足機(jī)器人巡檢系統(tǒng)

(1)四足機(jī)器人本體使用了高機(jī)動(dòng)性平臺,擁有12個(gè)自由度,結(jié)構(gòu)緊湊,行動(dòng)靈活,可有效適應(yīng)復(fù)雜與狹窄的作業(yè)環(huán)境。機(jī)器人內(nèi)部集成高性能電池模組、嵌入式控制板以及機(jī)載工業(yè)計(jì)算機(jī),外部配置了16線激光雷達(dá)、攝像頭云臺等傳感器,實(shí)現(xiàn)多模態(tài)環(huán)境感知和定位導(dǎo)航。

(2)機(jī)器人與遠(yuǎn)程控制中心通過現(xiàn)場部署的WiFi無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與指令的通信,支持遠(yuǎn)程任務(wù)調(diào)度、狀態(tài)監(jiān)控和巡檢數(shù)據(jù)回傳。

(3)無線充電平臺為機(jī)器人提供了非接觸式的無線充電功能,配備了機(jī)械限位與姿態(tài)調(diào)整機(jī)制,確保充電過程的安全、高效與可靠。

(4)遠(yuǎn)程控制中心下發(fā)巡檢任務(wù)指令,接收、存儲(chǔ)并分析巡檢數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理、機(jī)器人行為調(diào)度和異常情況報(bào)警等功能。

煤礦四足機(jī)器人巡檢系統(tǒng)程序與功能

巡檢系統(tǒng)程序涵蓋了自主啟動(dòng)、節(jié)點(diǎn)巡檢、狀態(tài)判斷與實(shí)時(shí)上報(bào)、自主返航、自動(dòng)充電以及異常情況處理等核心功能模塊,巡檢系統(tǒng)程序功能模塊如圖2所示。

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圖2 巡檢系統(tǒng)程序功能模塊

(1)巡檢流程由遠(yuǎn)程控制中心通過一鍵式操作啟動(dòng),隨后機(jī)器人自動(dòng)完成包括攝像頭在內(nèi)的各項(xiàng)傳感器與檢測設(shè)備的初始化,并根據(jù)具體巡檢任務(wù)進(jìn)行地圖加載以及預(yù)設(shè)巡檢節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的讀取。

(2)巡檢系統(tǒng)導(dǎo)航與路徑規(guī)劃模塊依據(jù)多源傳感器獲取的環(huán)境信息,動(dòng)態(tài)生成前往各巡檢點(diǎn)的最優(yōu)路徑,并控制機(jī)器人按照規(guī)劃路徑依次移動(dòng),具備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)避障能力。在每個(gè)預(yù)設(shè)的巡檢節(jié)點(diǎn),巡檢系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)控制云臺及攝像頭采集高清視頻與紅外圖像,并結(jié)合其他傳感器數(shù)據(jù),通過AI圖像識別算法智能識別儀器儀表讀數(shù)、設(shè)備開關(guān)狀態(tài),所有檢測結(jié)果將實(shí)時(shí)回傳至遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行存儲(chǔ)、分析與歸檔。

(3)當(dāng)所有巡檢節(jié)點(diǎn)任務(wù)完成后,機(jī)器人會(huì)自主規(guī)劃返航路徑,準(zhǔn)確返回至無線充電站。到達(dá)充電站后,巡檢系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行對位和充電操作,充電過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控充電狀態(tài)和相關(guān)安全參數(shù)。若在運(yùn)行過程中遭遇設(shè)備故障、電池電量過低或接收到緊急終止指令,機(jī)器人立即停機(jī)并進(jìn)入預(yù)設(shè)的安全保護(hù)模式。

煤礦四足機(jī)器人無線充電系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)長時(shí)間自主巡檢和無人值守運(yùn)行設(shè)計(jì)并集成了一套無線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了結(jié)構(gòu)機(jī)械定位、電氣控制邏輯和無線能量傳輸?shù)燃夹g(shù)。

3.1 無線充電系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

無線充電系統(tǒng)主要由充電臺本體、機(jī)械定位結(jié)構(gòu)、狀態(tài)指示單元、無線充電發(fā)射板、多組檢測開關(guān)以及輔助引導(dǎo)坡道等模塊組成,煤礦四足機(jī)器人無線充電系統(tǒng)如圖3所示。

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圖3 煤礦四足機(jī)器人無線充電系統(tǒng)

(1)充電臺前方設(shè)計(jì)有輔助引導(dǎo)坡道,便于機(jī)器人按照自主導(dǎo)航規(guī)劃的路徑移動(dòng)到充電臺上方。充電區(qū)域中央布置有無線充電發(fā)射板,上方和下方設(shè)有機(jī)械定位限位槽,協(xié)助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確的機(jī)械對位,確保無線能量傳輸?shù)鸟詈闲Ч_(dá)到最佳,減少因位置偏差導(dǎo)致的充電效率下降或潛在安全隱患。

(2)機(jī)械定位限位槽的底部設(shè)計(jì)微動(dòng)開關(guān)檢測機(jī)構(gòu),當(dāng)機(jī)器人行駛并精確定位就位后,自身結(jié)構(gòu)會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的微動(dòng)開關(guān),準(zhǔn)確獲取機(jī)器人在位狀態(tài),并聯(lián)動(dòng)控制后續(xù)的充電動(dòng)作。

3.2 無線充電系統(tǒng)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線充電系統(tǒng)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示,無線充電臺通過WiFi信號接收模塊實(shí)時(shí)獲取由遠(yuǎn)程任務(wù)調(diào)度中心下發(fā)的充電指令,并同步監(jiān)控機(jī)器人的到位信號。當(dāng)機(jī)器人成功到達(dá)充電位置后,觸發(fā)微動(dòng)開關(guān),信號作用于充電控制板,啟動(dòng)供電開關(guān)。

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圖4 無線充電系統(tǒng)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充電控制板是核心組件,實(shí)現(xiàn)對整個(gè)充電流程的智能化管理與充電狀態(tài)實(shí)時(shí)上報(bào)等。供電開關(guān)直接控制主回路電流通斷,接通后為無線充電電路模塊供電。無線充電電路模塊將輸入的交流市電高效轉(zhuǎn)換為適合無線傳輸?shù)母哳l電流,再經(jīng)由無線充電發(fā)射板向安裝在機(jī)器人底部的接收模塊發(fā)射能量,實(shí)現(xiàn)非接觸式的高效充電。

煤礦四足機(jī)器人建圖導(dǎo)航與規(guī)劃

基于多傳感器融合算法,構(gòu)建高效、魯棒的自主導(dǎo)航技術(shù)體系,實(shí)現(xiàn)從環(huán)境感知到路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制的閉環(huán)協(xié)同。建圖導(dǎo)航與規(guī)劃系統(tǒng)集成IMU、激光雷達(dá)及關(guān)節(jié)編碼器等多種傳感器,獲取機(jī)器人及環(huán)境信息。傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)一的時(shí)間戳同步、噪聲濾波與坐標(biāo)系配準(zhǔn)處理,保證數(shù)據(jù)的時(shí)空一致性和高可靠性,為后續(xù)建圖與定位提供準(zhǔn)確基礎(chǔ),煤礦四足機(jī)器人建圖導(dǎo)航規(guī)劃系統(tǒng)如圖5所示。

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圖5 煤礦四足機(jī)器人建圖導(dǎo)航規(guī)劃系統(tǒng)

(1)在煤礦四足機(jī)器人建圖與定位模塊,系統(tǒng)采用3個(gè)算法模塊協(xié)同工作,包括LIO-SAM構(gòu)建高精度三維環(huán)境地圖與融合IMU實(shí)現(xiàn)位姿估計(jì),確保三維空間結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確還原;GMapping生成二維柵格地圖,實(shí)時(shí)定位與損失地圖的建立,提升地圖的完備性并輔助規(guī)劃算法進(jìn)行路徑規(guī)劃;NDT-Localization完成點(diǎn)云匹配與回環(huán)檢測,增強(qiáng)機(jī)器人在環(huán)境重復(fù)及動(dòng)態(tài)變化場景下的定位魯棒性。

(2)采用的3個(gè)算法模塊產(chǎn)生的地圖數(shù)據(jù)和定位信息匯總至統(tǒng)一的地圖與坐標(biāo)系管理模塊,系統(tǒng)輸出全局和局部地圖,構(gòu)建包括全局坐標(biāo)系、局部導(dǎo)航坐標(biāo)系和機(jī)器人機(jī)身坐標(biāo)系在內(nèi)的多層級TF樹,支持后端導(dǎo)航和控制模塊的空間參考需求。

(3)路徑規(guī)劃與自主導(dǎo)航環(huán)節(jié)則基于ROS Navigation的框架實(shí)現(xiàn)。全局路徑規(guī)劃器依據(jù)已構(gòu)建的地圖及遠(yuǎn)程下達(dá)的巡檢任務(wù)節(jié)點(diǎn)序列,實(shí)現(xiàn)巡檢節(jié)點(diǎn)間的最優(yōu)路徑規(guī)劃,保證任務(wù)全覆蓋和時(shí)間效率。局部路徑規(guī)劃器結(jié)合激光雷達(dá)和視覺傳感器的實(shí)時(shí)環(huán)境信息,動(dòng)態(tài)調(diào)整路徑以避讓臨時(shí)障礙,實(shí)現(xiàn)高效的動(dòng)態(tài)避障能力。任務(wù)調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)對巡檢節(jié)點(diǎn)的順序切換和任務(wù)流的智能管理,保障機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的任務(wù)執(zhí)行連續(xù)性和穩(wěn)定性。

(4)規(guī)劃生成的路徑與導(dǎo)航指令通過底層控制模塊Unitree Legged SDK實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換,完成機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整、速度控制及運(yùn)動(dòng)反饋,確保四足機(jī)器人平穩(wěn)、靈活行走。

煤礦四足機(jī)器人現(xiàn)場測試

為驗(yàn)證煤礦四足機(jī)器人巡檢系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境下的性能,在煤礦地面室內(nèi)變電所進(jìn)行了系統(tǒng)性現(xiàn)場測試,煤礦四足機(jī)器人巡檢系統(tǒng)現(xiàn)場測試如圖6所示。測試環(huán)境中包括有高低壓開關(guān)柜、儀表盤等關(guān)鍵監(jiān)測對象,現(xiàn)場測試主要包括以下4個(gè)步驟。

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圖6 煤礦四足機(jī)器人巡檢系統(tǒng)現(xiàn)場測試

(1)機(jī)器人待機(jī)狀態(tài)位于無線充電平臺上方,處于對接狀態(tài),依托高精度機(jī)械定位及無線傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)了充電定位誤差低于5 cm的精準(zhǔn)對位,保證無線充電過程安全高效。

(2)機(jī)器人根據(jù)遠(yuǎn)程控制中心下發(fā)的任務(wù)指令啟動(dòng),完成傳感器與檢測設(shè)備的初始化,并自動(dòng)沿預(yù)設(shè)路徑依次到達(dá)各巡檢節(jié)點(diǎn)。測試中,機(jī)器人能夠穩(wěn)定調(diào)整姿態(tài)應(yīng)對巡檢路徑、檢測節(jié)點(diǎn)與人員障礙物,充分體現(xiàn)了其良好的環(huán)境適應(yīng)能力和導(dǎo)航精度。

(3)在巡檢任務(wù)執(zhí)行階段,機(jī)器人基于多傳感器融合實(shí)現(xiàn)定位以及動(dòng)態(tài)避障功能。基于激光雷達(dá)、IMU等傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),機(jī)器人順利構(gòu)建環(huán)境地圖并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位,準(zhǔn)確抵達(dá)巡檢設(shè)備旁的各個(gè)檢測節(jié)點(diǎn),并正確觸發(fā)檢測模塊功能,調(diào)用攝像頭云臺完成對儀表讀數(shù)和開關(guān)狀態(tài)的檢測與圖像采集。配合攝像頭云臺與AI圖像識別技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)的智能判斷和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳。

(4)多輪測試表明,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠,巡檢速度最高為0.6 m/s,無碰撞或誤判,急停、返航充電等功能機(jī)制表現(xiàn)穩(wěn)定。完成任務(wù)后,機(jī)器人自主規(guī)劃返航路徑,精準(zhǔn)返回充電站完成自動(dòng)充電。

總 結(jié)

(1)圍繞煤礦四足機(jī)器人在煤礦地面室內(nèi)變電所的巡檢任務(wù)需求,系統(tǒng)性闡述了其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多傳感器感知融合方案、高精度建圖定位技術(shù)、智能路徑規(guī)劃策略以及自主無線充電平臺的集成與實(shí)現(xiàn),提出了一種具備高精度環(huán)境適應(yīng)能力與高度自主作業(yè)能力的智能化巡檢解決方案。

(2)在真實(shí)煤礦變電所環(huán)境中進(jìn)行的現(xiàn)場測試結(jié)果充分表明,煤礦四足機(jī)器人系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定地完成各項(xiàng)預(yù)設(shè)的巡檢任務(wù),在高精度地圖構(gòu)建、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位、復(fù)雜路徑智能規(guī)劃以及充電過程全自動(dòng)化等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)方面均表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。

(3)煤礦四足機(jī)器人系統(tǒng)通過聯(lián)合激光雷達(dá)定位與機(jī)械限位設(shè)計(jì),解決了四足機(jī)器人無線充電所面臨的高精度對準(zhǔn)問題,實(shí)現(xiàn)了精確的無線耦合與穩(wěn)定高效的自主充電功能。

(4)煤礦四足機(jī)器人系統(tǒng)通過引入多源信息融合、人工智能識別以及先進(jìn)的智能控制技術(shù),解決了傳統(tǒng)人工巡檢方式普遍存在的人工參與度高、巡檢過程連續(xù)性不足以及數(shù)據(jù)信息化程度低下等瓶頸問題。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中,SCI收錄1種,Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種,是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地,也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡介

《智能礦山》(月刊,CN 10-1709/TN,ISSN 2096-9139)是由中國煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編:王國法院士

刊載欄目:企業(yè)/團(tuán)隊(duì)/人物專訪政策解讀視角·觀點(diǎn)智能示范礦井對話革新·改造學(xué)術(shù)園地、專題報(bào)道等。

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