扫描仪电源(转载--小小巡检机器人，煤场实现大功能)

Posted 2023-05-27

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扫描仪电源(转载--小小巡检机器人，煤场实现大功能)

来源：热电圈

推荐单位：湖北华电西塞山发电有限公司

本文作者：贾付祥、刘贝、张利、张利平、叶亚东

一、引言

煤炭作为能源、化工等工业行业的重要大宗原材料，其运输、储存和管理是企业生产流程和成本管理的重要组成部分。因此，对煤炭存储的精益化管理和自动化巡查进行深入研究具有十分重要的意义。

目前我国许多储煤场都已经配备了激光盘煤系统、无人机盘煤系统、环境监测预警系统等管理系统和设施。但这些系统都需要可观的先期投入，建设过程复杂且工期较长，在应用于封闭煤场时，由于安装条件限制、无人机飞行区域限制、GPS空间定位信号强度等客观原因存在监测盲区，无法实现储煤场的全区域覆盖，因此不适于在封闭煤棚内应用。本系统引入轨道机器人技术，通过搭载激光扫描仪、红外热像仪、高清摄像机等各种传感设备，实现封闭储煤场的三维数字化和自动巡查，可支持实时煤炭储量计算、三维可视化巡检等，达到快速精准盘点和精益化管理的目标。

二、研究背景及意义

我公司#3煤场封闭改造完成后，需对煤场的煤温、自燃等信息进行持续的检测。同时，为达到煤场自动化作业方式，需要建立完整的数字化煤场管理体系，对煤场的存煤数据以及环境进行监测，提高煤场安全运行，并实现精准掺烧。

经过对国内部分电厂封闭煤场的调研，国内实施数字化煤场的建设方法主要是采用激光盘煤仪和无人机盘煤仪、固定点红外热成像仪、固定点烟雾传感装置等设备来对煤场进行监控。

我公司#3煤场是条形煤场，采用固定点设备受煤场长度和宽度的要求，需要安装多套激光扫描仪和热成像仪，造价高而且有监控死角。如果在煤场安装环形轨道，在轨道下方安装盘煤巡检机器人，可以实现准确测量煤场实际储煤量、探测煤堆温度、煤堆定位、数据传输等功能，且安全可靠，运行稳定。不仅可以消除人为盘煤的误差和安全隐患，又可实现自动盘煤、安全监测等功能。

所以，我公司在完成#3煤场封闭改造的同时，同步进行了#3煤场自动盘煤巡检机器人的安装，利用轨道机器人技术，结合激光扫描、高清视频以及红外热像等技术，以实现#3煤场自动盘煤、精准掺烧、安全监测防护等功能。

三、内涵和做法

1、系统工作原理

机器人盘煤巡检系统依托于封闭煤场顶棚下方轨道上运行的移动机器人平台，在机器人移动过程中通过机器人平台上安装的激光扫描仪对下方煤堆进行线扫描或面扫描，得到煤堆表面的轮廓数据，同时结合机器人平台的运动状态数据，按预定数学模型进行计算之后得到煤堆轮廓的三维坐标。

激光扫描仪扫描煤堆原理的示意图如下图所示。通过记录发出的激光遇到煤堆表面后被反射回扫描仪的时间差，可以计算出扫描仪到煤堆表面某一点的距离。扫描仪的安装高度是已知的，结合扫描时激光的偏角θ，利用三角函数即可计算出激光打到煤堆表面的点的平面横纵坐标，同时通过机器人平台运动控制系统可以获得扫描时机器人在轨道上所处的实时位置作为轴向坐标，这样就得到了该轮廓点的三维空间坐标。

机器人在轨道上运行的过程中，通过扫描仪的不断扫描得到煤堆轮廓上各点的三维坐标，并经过卡尔曼等噪点滤波算法剔除噪声后即得到了煤堆的三维轮廓数据。这些煤堆轮廓点坐标数据根据精度要求的不同，经计算机图形学算法处理优化后传输至用户界面进行三维图形复现。同时可以通过积分方法，配合方格网等各种拟合算法计算煤堆体积，然后根据原料比重数据算得煤炭存量。

通过激光扫描数据重建出煤堆的三维模型后，根据机器人运行时的实时位置及云台倾角数据，以及从机载红外热像仪获取的温度分布数据，经算法建模计算后可得到煤堆表面的温度分布数据。根据温度数据生成颜色贴图后，通过三维贴图算法即可附加到煤堆三维模型表面，实现温度场的可视化效果。

2、系统设计

2.1 硬件设计

机器人系统的硬件部分主要包括轨道、充电桩、机器人平台以及机载传感设备三个部分。

机器人运行轨道安装在顶棚下方，位于煤堆正上或斜上方向便于实现煤堆全覆盖的位置，轨道全程设置一个或多个充电桩以满足机器人充电的需要。

机器人平台主要由行走机构、主控制器、电源系统及无线传输系统等几个部分组成：

2.1.1 行走机构

行走机构主要由主动轮、从动轮、传动系统、直流无刷电机、电机伺服机构等部分组成，其作用是驱动机器人平台在轨道上运动，保证机器人行动灵活。

2.1.2 主控制器

主控制器是机器人的中枢核心，它由微型控制计算机、输入输出控制接口、加速度传感器等组成，它控制机器人平台的行走状态、机载设备的供电、机器人状态数据传输、机载设备数据传输等，主控制器与地面控制站通信，接收地面控制站的控制指令并将机上数据传输至地面控制站。

2.1.3 电源系统

电源系统包含电池、充电和负载系统等组成部分，为走行电机、主控制器和机载传感设备供电。电池采用高容量锂电池，具有电量监测等各种保护功能。

2.1.4 无线传输系统

无线传输系统由机载交换设备、机载及地面站无线网桥设备组成，机载及地面站网桥设备连通后形成无线传输通道，实现机器人和地面站间的数据传输。

机器人平台上搭载的传感设备主要包括激光扫描仪、红外热像仪、高清摄像机以及气体传感器等，用于获取煤堆轮廓信息、温度分布信息等数据。

2.2 软件设计

机器人盘煤巡检系统的核心是软件系统。机器人盘煤巡检软件系统由机器人控制器软件、地面站控制软件和用户界面软件等子系统组成，各子系统间通过自定义的网络协议进行通信以交换数据和控制信息。

2.2.1 机器人控制软件运行在机器人主控制器计算机上，其功能包括：

2.2.1.1 电源管理

电源管理功能负责管理机器人平台电池状态、用电设备的开关、电池充电策略等。其通过串口与电池控制板通信，读取电池状态参数，并根据当前剩余容量和电流、电压数据计算机器人能继续工作的时长，为任务调度决策提供支持。电源管理模块可接受地面站的控制指令开启、关闭用电设备或进行充电等动作。

2.2.1.2 运动控制

运动控制功能负责机器人驱动电机的开启、关闭和调速，并通过编码器、RFID读卡器、加速度传感器、陀螺仪等反馈设施获知机器人的当前运动状态，为机器人位置计算提供数据支撑。运动控制模块可接受地面站的控制指令，控制机器人走行或停止。

2.2.1.3 定位计算

定位计算模块负责接收来自运动控制模块的编码器、RFID标签读卡器、加速度传感器和陀螺仪等反馈设备的姿态数据，通过加权平均法、卡尔曼滤波法等算法对机器人的位移、速度和姿态进行解算，得到机器人当前位置及运动状态，为三维模型计算提供数据支撑。

2.2.1.4 激光扫描仪通信

激光扫描仪通信模块负责主控制计算机与扫描仪设备间的通信，其驱动扫描仪进行线/面扫描动作，取得倾角和距离数据并回传至地面控制站进行三维坐标解算。

2.2.2 地面站控制软件运行在地面控制中心计算机上，其功能包括：

2.2.2.1 设备管理

地面站控制软件可以同时管理多台机器人设备并与其通信，设备管理功能负责监控软件与各机器人及其机载设备之间的通信状态，根据运行时登录用户的请求定期从机器人设备处读取其工作状态和数据以供界面显示和反馈，并在通信异常时产生告警信息或自动尝试恢复通信连接。

2.2.2.2 任务调度

机器人设备可以人工控制运行，也可以自动运行。任务调度模块负责管理各机器人设备的巡检任务执行状态，操作人员可以预先编制好机器人巡检计划、执行时间表等信息并输入任务调度模块，地面站控制软件即可根据设定好的巡检计划和时间表，自动控制机器人执行计划表中的巡检动作，并记录相关数据。

机器人在执行任务过程中会自动检测当前状态，当出现电池电量不足或设备故障等情况时会主动暂停任务执行并上报至地面站控制软件，软件会控制机器人返回起始点进行充电或等待人工检修。

2.2.2.3 模型计算

地面站控制软件在控制机器人运动的同时接收机器人回传的激光扫描数据、红外温度场数据、机器人定位数据等实时数据，通过特定的数学模型进行计算处理，完成煤堆轮廓的三维建模以及温度场数据的模型拟合等，为用户界面呈现提供数据支撑。

2.2.2.4 界面服务

界面服务模块依托地面站控制软件其他功能模块提供的基础服务，为用户界面软件提供通信接口，使操作人员能通过用户界面软件读取和显示系统三维数据，实现机器人的控制干预等功能。

2.2.3 用户界面软件运行在地面站终端计算机或平板电脑等手持终端设备上，用于系统的人机交互，其功能包括：

2.2.3.1 机器人设备状态显示

机器人设备状态显示功能通过与地面站控制软件通信，可以获取系统中各机器人及其机载设备的当前运行状态参数，包括网络连通情况、电池电量、功率负荷、机器人姿态、机器人速度、机器人位置等。

2.2.3.2 机器人设备控制

机器人设备控制功能通过地面站控制软件提供的接口，可以向机器人及其机载设备发送行走、停止、云台转动、视频抓拍等指令控制相应设备动作，也可以开启和关闭机载设备等以减少不必要的电池消耗。

2.2.3.3 三维数据显示

机器人回传的扫描数据及温度场数据经地面站软件处理后，转化为三维点云数据传输至用户界面软件，经过投影运算等图形学处理后还原为三维模型，操作人员即可直观地看到煤堆的当前状态；温度场数据根据值域分布进行配色处理后可转换为颜色贴图直接覆盖在煤堆模型表面，这样即可直观地看到煤堆表面的温度变化，达到温度可视化的效果。

2.2.3.4 任务调度

操作员可通过任务调度界面录入预设的巡检和盘煤任务计划，包括巡查区域、开始时间、结束时间、是否定时重复执行等。计划录入系统后，地面站软件即可根据预设计划控制机器人自动完成盘煤及巡检任务。

3、系统特点

3.1 可靠性高：系统采用先进的COFDM调制技术，抗干扰能力强，同时采用256位AES加密技术，能够有效防止干扰和窃听

3.2 易用性强：采用智能化设计，简化了人机界面和系统操作的复杂性，工作稳定可靠，机器人可自行识别故障，维护简单

3.3 数据直观：煤堆及温度场相关数据采用三维模型方式展示，直观易懂，便于操作，学习成本低

3.4 功能丰富：机器人平台集成了激光扫描建模、温度、高清视频等多种监测手段，一套系统涵盖了以往多套系统的功能。

四、效益分析

巡检机器人能有效解决封闭式或半封闭式煤场的盘煤巡检及安全监测防护问题，避免了激光盘煤仪和无人机盘煤等技术的弊端，使得盘煤精度更好，设备操作和维护更为方便，降低了煤场的投入，有效节省了人力、物力和财力。为煤场配煤决策提供高精度的数据管理参数和可靠的查询依据，降低了企业管理成本，具有较大的推广和应用价值。在升级盘煤技术方面具有典型示范作用，具有极大的经济价值和社会效益。

五、结束语

封闭煤场的机器人巡检系统涵盖了煤场整体自动化管控的实际需求，能够解决煤炭原料清洁、高效管理所面临的实际问题，应用测量测绘领域的先进技术，开发新的高效应用系统，提高储煤场监管的信息化程度，为企业成本核算提供科学依据，同时也为储煤场安全生产提供可靠保障，为提升煤场企业的社会经济效益提供科学的技术手段。

（来源：电力科技创新）