煤矿井下搜救机器人关键技术研究

　　我国的搜救机器人研究起步较晚，但最近几年发展较快，引起越来越多研究机构的关注。例如哈尔滨工业大学、上海交通大学、沈阳自动化研究所、广东卫富公司等都研制了各自的搜救机器人系统，中国矿业大学与清华大学等几家机构也研制了用于煤矿井下救援的移动机器人平台。但目前国内的搜救机器人大多仍处于原理样机的研究上，或局限在室外危险物排除这种应用案例的应用上，尚未有机器人参与到矿难、地震、建筑物坍塌等实际灾难现场救援的报道。在2010年4月2日王家岭透水事故发生的过程中，中国科学院沈阳自动化研究所研制的水下机器人曾被带到现场，试图参与透水现场的探测任务，虽然最终没有采用，但也不失为一次有益的尝试，为透水事故探测救援积累了宝贵的经验。
　　3 煤矿井下搜救机器人关键技术
　　在设计救灾机器人时，应从系统总体要求出发，考虑救灾机器人的环境适应性，协调各分系统的技术关联，开展顶层设计，研究综合集成关键技术。在设计救灾机器人过程中应充分注重关键技术。
　　3.1运动机构
　　运动机构作为移动机器人的移动载体，直接影响到机器人的通过性和地形适应能力。煤矿搜救机器人的运动平台应尽可能适应多种复杂的井下地形条件，如废墟、泥地、沙地、台阶、陡坡、壕沟等，即具有较强的地形适应能力；除此之外，还要具有一定的运动速度和良好的运动学稳定性，尽可能减少倾覆或翻滚的可能［］。目前的搜救机器人运动机构种类较多，如轮式、履带式、蛇形移动机构等，不同的运动平台决定了各自的运动能力。轮式机器人速度快、效率高，但越障能力较差，复杂地形适应能力有限；履带式越障能力强，但存在速度慢、运动效率较低的缺点；蛇形机器人可以钻进狭小的空间，利用头部安装的摄像头传回图像信息，但也存在速度慢、机构复杂等缺点；足式机器人，如四足、六足等具有适应地形能力强的特点，能越过大的壕沟和台阶，但目前大部分足式机构存在速度慢、效率较低的特点;轮腿复合式机器人具有履带机器人的地形适应能力和轮式机器人的运动速度，但也存在结构相对复杂体积较为庞大等缺点;此外受到自然界生物的启发，各种特殊的仿生机构机器人也展现了美好的前景［］。综合考虑煤矿井下的地形环境和事故发生后可能存在的实际情况，采用具有较强地形适应能力的带辅助臂的复合履带方式是一种相对理想的运动机构，该方式在具有较强地形适应能力的同时，可以保持较小的体积，能够穿过相对狭窄的空间。
　　除了上述需要考虑的因素之外，运动平台的设计必须可靠，以应对复杂的环境。比如煤矿搜救机器人设计时必须重点考虑防爆、防水、耐高温等。履带机器人也容易发生履带出轨脱落，导致机器人寸步难行。除了灵活的运动能力和可靠性设计外，搜救机器人还应考虑便携性。为了应对突发的矿难事故，提高搜救效率，搜救机器人应该具有较强的机动能力，必须在第一时间投放现场。搜索完一个目标地点，能尽快转移到下一搜救地点。体积过于庞大，除了具有更高的能耗和大大减小了平台通过能力之外，其运输过程也会给救援工作带来困难。
　　3.2感知系统
　　搜救机器人的主要功能包括搜索探测与救援，但目前世界各国搜救机器人的研究还大多集中于环境探测和幸存者搜寻的功能上。由于环境极度复杂，受困人员本身面临的困难复杂多样，对人员的救援工作目前还是一件非常困难的事情，因此，环境探测与人员搜索任务是目前搜救机器人的主要功能，其搜索与探测能力主要取决于其自身携带的传感器的类型与应用情况。作为搜救机器人的感知系统，传感器必须具备信息采集、信息存储与分析以及信息传输等功能，同时要求其具有较小尺寸、足够的分辨率和响应时间，以及很好的稳定性和可靠性等特点。
　　对环境的探测主要目的首先是让搜救人员实时准确的了解事故后井下的综合环境情况，评估井下环境对幸存人员及搜救人员生命及健康的影响，考虑指派救护队员下井完成救援任务的可行性，以及为制定科学高效的救援方案提供必要的、可靠的井下环境参数信息。这就需要对井下的温度、气体组成情况如氧含量、有毒气体含量、可燃气体含量，以及井下的地形及地质结构的情况进行探测。其次，在进行环境探测的同时，当机器人深入事故现场后，应该具有对幸存人员进行搜索定位及人员情况的初步探测能力。最后，为保证机器人能够安全、有效的完成探测任务，机器人应该具有其自身情况及所处环境的感知能力，如机器人本体的姿态、温度、电池电量等本体参数，以及环境中的障碍物、火区、水区等危险环境和机器人所处的位置等信息。
　　目前对于部分环境探测与感知的传感器是比较成熟的，如温度感知、氧含量传感器、可燃气体探测器、有毒气体探测器等，这些传感器体积小巧、探测精度高、集成度好，基本能够满足井下环境探测的需求；对于井下地形与地质结构的探测主要依靠视觉系统或与视觉系统相配合使用的距离、位置等传感器如声纳探测器、激光测距仪等；对人员的搜索定位有生命探测仪、热成像仪等设备；机器人自身状态的感知主要依靠里程计、惯性系统以及姿态传感器等感知单元，完成机器人位置及姿态的感知以及为导航及运动控制提供必要的数据。
　　此外，井下环境特别是事故后的井下环境情况复杂，极有可能出现浓烟、灰尘等恶劣情况，在这种环境下很多传感器特别是视觉系统会受到严重的影响。而远红外探测器具有很好的穿透烟雾进行探测的能力，并且可以同时获得被测物体表面的辐射温度，因此采用远红外成像仪进行复杂环境的探测既可以作为可见光视觉系统的补充，又可以通过对一些特殊物体表面辐射温度的测量实现目标的识别，如人体、着火点、水域等。其他的特殊情况也可能导致不同的传感器失效，因此采用多种传感器进行探测并对多种信息进行融合处理是有效的解决方案。多传感器的信息融合是把不同位置的多个同类型或不同类型的传感器提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除信息之间的冗余和矛盾，以形成对环境相对完整和一致的描述，提高智能决策的速度和准确性。多传感器融合的常用方法有：加权平均法、贝叶斯估计、卡尔曼滤波、神经网络和模糊推理法以及带置信因子的产生式规则。
　　3.3可视化人机交互与遥操作
　　为了使井下机器人更加灵活的工作，需要使操作者具有一个简单方便而功能齐全的操作平台，这个平台除了用于对机器人的操作外，还能够对采集的各种信息以及机器人本体的姿态和位置信息进行直观的显示，通过各种不同的方式保证机器人的可靠运行。
　　3.4机器人防爆及控制系统抗恶劣环境技术
　　由于机器人工作在井下，而且更多地是在含有瓦斯等易燃、易爆气体的区域进行检测工作，因此防爆设计必不可少且尤为重要。控制系统不仅要进行本安设计，还要进行热设计，防水、防酸雾、防灰尘等三防设计，抗震动和抗冲击设计及抗干扰设计等抗恶劣环境设计。
　　现场的尘土、烟雾和散落的废墟都会增加救灾机器人执行任务的难度。同时，现场的高温也不利于机器人的使用，甚至可能出现履带或轮胎被高温熔化并发生燃烧等现象。因此，在设计过程中应注意机器人的防尘能力和耐热性，还要考虑它的防水、防爆、防腐蚀、防电磁干扰、抗热辐射等功能。此外，复杂的现场环境还对机器人的控制线提出了新的要求，锋利的金属残片或其它残骸对控制线产生了威胁，所以在选择控制线时必须考虑它的坚固性。
　　3.5机器人井下自主导航定位及运动控制技术
　　救灾机器人在执行任务过程中，应当避免危险的环境和防止产生更多的危险，这就要求机器人必须具有导航能力;其次，为了向救灾中心提供幸存者的位置，机器人必须能够确定自身位置，完成任务后回到救灾中心，这要求机器人具有定位和路径规划能力。救灾机器人的导航方式可分为：基于环境信息的地图模型匹配导航、基于各种导航信号的陆标导航、视觉导航和味觉导航等。定位能确定机器人在二维工作环境中相对于全局坐标的位置，可分为惯性定位、陆标定位和声音定位等。路径规划是根据机器人所感知到的工作环境信息，按照某一性能指标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰撞路径，并且实现所需清扫区域的合理完全路径覆盖，可分为两种类型：环境信息完全掌握的全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知的局部路径规划。此外，GPS能对全球表面任何地点及近地空间提供实时高精度的三维位置、三维速度和时间信息。救灾机器人可采用卫星定位系统与电子地图结合的方式，随时提供救灾机器人的方位，实现机器人定位的可视化。
位置信息是井下探测机器人必不可少的信息之一，无论是幸存人员信息，还是巷道破坏程度信息以及局部气态环境信息，都需要一个相对精确的具体位置信息作参考。尽管操作人员可以通过前方影像数据在一定程度上进行大体位置判断，但这样的定位是无精度可谈的，况且在火灾等现场中，由于烟雾等原因，根本无法通过视觉图像进行定位。因此，采用多种传感器进行融合，对机器人当前的位置进行测量和计算，是十分必要的工作。