煤礦無人機智能系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

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摘要:煤礦無人機智能系統(tǒng)實現(xiàn)了通過無人機與智能化管控平臺配合對煤礦礦區(qū)地表進行周期性2D正射影像建模及3D建模，對地表沉陷及地表生態(tài)環(huán)境變化進行了趨勢監(jiān)測，監(jiān)測精度實現(xiàn)了厘米級。對礦區(qū)生產(chǎn)、生活區(qū)域晝夜安防巡查，實現(xiàn)規(guī)劃路線飛行，數(shù)據(jù)采集平臺化管控，極大提高巡防效率及夜間安防質(zhì)量。對礦區(qū)大型基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備進行設(shè)備可見光檢查及紅外熱成像巡檢，實現(xiàn)了對重要設(shè)施、設(shè)備的綜合監(jiān)控。煤礦無人機智能系統(tǒng)在應(yīng)用過程中采集監(jiān)測數(shù)據(jù)同步回傳，實時監(jiān)控，信息智能存儲，實現(xiàn)了礦區(qū)無人機智能化管控。

關(guān)鍵詞:無人機巡檢;智能系統(tǒng);沉陷;生態(tài)環(huán)境監(jiān)測;設(shè)備巡檢

隨著智能化礦山建設(shè)的發(fā)展，對礦井區(qū)域內(nèi)地表、生態(tài)、安防和主要設(shè)施、設(shè)備的監(jiān)控管理的要求也日趨智能化［1］，煤礦無人機智能系統(tǒng)通過航測無人機、安防無人機、設(shè)備巡查無人機、無人機智能管控軟件［2］，實現(xiàn)了對礦區(qū)地表和生態(tài)環(huán)境的周期監(jiān)測［3］、礦區(qū)范圍內(nèi)的空中安防和警戒、主要建筑重要設(shè)備的定期巡檢。無人機在煤礦的應(yīng)用在成本上節(jié)省了人力資源、減少了其它設(shè)備投資［4］，在安全上實現(xiàn)了礦區(qū)大面積、復(fù)雜、險峻生態(tài)條件下的全面監(jiān)控，規(guī)避了人工風(fēng)險［5］，在智能化方面實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息可追溯、智能管控和數(shù)據(jù)的深度分析處理，實現(xiàn)了礦井地面區(qū)域的高效監(jiān)控［6］。

1煤礦無人機智能系統(tǒng)組成

煤礦無人機智能系統(tǒng)主要由無人機、遙控設(shè)備、移動終端設(shè)備、服務(wù)器和用戶操作端幾個主要部分組成，系統(tǒng)組成示意如圖1所示。無人機按照使用功能配置有小型航空測繪無人機、安防巡查無人機、設(shè)備巡檢無人機三種無人機機型。航空測繪無人機設(shè)計選用深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)的DJIPhantom4RTK無人機，該機型實現(xiàn)了視覺避障+超聲波測距避障系統(tǒng)，配合上位機軟件實現(xiàn)了生態(tài)厘米級建模。礦區(qū)安防巡查深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)的DJIM210V2無人機和DJIMavic2行業(yè)雙光板無人機，DJIM210V2無人機實現(xiàn)了前視下視上視視覺避障系統(tǒng)，DJIMavic2行業(yè)雙光版無人機實現(xiàn)了視覺避障系統(tǒng)、大于等于24GB機載內(nèi)存(機載內(nèi)存可加密)、可見光成像+紅外熱成像系統(tǒng)。設(shè)施設(shè)備巡檢選用了DJIM210V2無人機。三種無人機機型都實現(xiàn)了最大可承受5級風(fēng)12m/s風(fēng)力、8km通視環(huán)境測控距離、－20℃至40℃工作溫度、無線+4G備份通信鏈路功能。根據(jù)不同的功能給相應(yīng)的無人機分別設(shè)計配置了Z30變焦相機云臺、XT2A25SR雙光云臺、X5S相機、TB55電池、精靈4電池、DJIMavic2行業(yè)雙光版電池、M600用X3/X5安裝支架、M200用XT2轉(zhuǎn)接座、M210喊話器、M210隨動補光燈等負(fù)載配件。建模和智能管控平臺使用深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司的TERRA、FLIGHTHUB司空政企版。

2煤礦無人機智能系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1基于二維、三維建模的地表沉陷及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測功能設(shè)計

為掌握礦區(qū)綜合生態(tài)環(huán)境狀況，需對礦區(qū)地表下沉及生態(tài)環(huán)境的綜合監(jiān)測，礦區(qū)以往大都采用在地表多點固定位置，安裝相應(yīng)監(jiān)測傳感器實現(xiàn)對地表沉陷監(jiān)測［7］，因礦區(qū)面積大、地形復(fù)雜，在安裝、維護、通信上難度大。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測及建模依賴于專業(yè)的測繪遙感飛行器，需有專門的遙感測繪單位完成［8］，這種測繪方式成本高周期性長。此設(shè)計立足于小型無人機進行地表二維、三維監(jiān)測和重建技術(shù)，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測區(qū)域自動生成航測路線，航測周期為一星期一次，最終實現(xiàn)精度達到厘米級的地表沉陷及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。該過程為三個主要流程，第一步為無人機外業(yè)數(shù)據(jù)采集、第二步為業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理、第三步為數(shù)字線劃圖生產(chǎn)，其工作流程如圖2所示。根據(jù)張家峁煤礦實際礦井范圍將檢測范圍三個區(qū)域，每個區(qū)域分別設(shè)置四個區(qū)域像控點坐標(biāo)實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的精準(zhǔn)劃分，為了提升建模的絕對精度對區(qū)域像控點進行了優(yōu)化選取，每個像控點具有明顯的特征易于區(qū)分，現(xiàn)場測量了每個像控點的三維坐標(biāo)，系統(tǒng)具備手動將改點的坐標(biāo)與拍攝到該點的坐標(biāo)進行對應(yīng)并調(diào)整到正確刺像控位置的功能。通過無人機搭載激光雷達對采煤塌陷區(qū)實現(xiàn)傾斜攝影航拍，通過拍攝多角度的圖片，單張獲取2000萬像素的照片，通過多次飛行和多臺無人機集群化作業(yè)拍攝一組正射航線視角影響4組不同朝向角度傾斜航線視角影像，采用RTK動態(tài)差分技術(shù)，利用載波相位實時處理測站之間觀測量的差分方法，高精度RTK模塊具有精準(zhǔn)的時間同步實時位置補償，配合搭載的GPS、GLONASS、BEIDOU、GALILEO實現(xiàn)了在野外實時厘米級定位精度信息，保證了無人機準(zhǔn)確到達像控點位置，同時準(zhǔn)確記錄下拍攝時刻相機的位置。通過飛行過程中基于同步定位、地圖構(gòu)建和影響正射糾正算法實時生成二維正射影像，實現(xiàn)邊飛變出圖快速獲取數(shù)字二維初步正射影像，可及時發(fā)現(xiàn)問題靈活采區(qū)具有針對性的應(yīng)對措施。在飛行過程中實時生成三維點云實現(xiàn)實時攝影測量，通過后倒入建圖方式生成高精度、高分辨率正射影像圖，通過建立數(shù)字高程模型、數(shù)字表面模型、數(shù)字線劃圖、最終建立實景三維模型，通過三維模型能快速獲取礦區(qū)地面沉陷區(qū)的精準(zhǔn)信息，通過對整個礦區(qū)地表坐標(biāo)、距離、面積、體積等多種關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動分析，實現(xiàn)對煤礦地面塌陷及周邊生態(tài)環(huán)境的自動監(jiān)測分析，通過三維模型可以快速查看任意點處的具體照點及圖像信息，對具體情況進行核查。該設(shè)計方案不但受外界條件影響小、成本低、而且縮短了作業(yè)周期。無人機監(jiān)測礦區(qū)地表沉陷及生態(tài)環(huán)境，可快速展現(xiàn)地表2D和3D形態(tài)。通過對地表環(huán)境的監(jiān)測，集成生態(tài)氣象環(huán)境的監(jiān)測，可實現(xiàn)對礦井綜合生態(tài)環(huán)境的綜合監(jiān)測和分析，對生態(tài)災(zāi)害進行預(yù)防式判斷分析。地表沉陷及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測效果圖如圖3所示。

2.2智能空中安防巡查功能設(shè)計

目前礦區(qū)安防大多都采用攝像頭、紅外對射傳感器加人工巡邏的方式［9］，該方式存在設(shè)備投入大，監(jiān)控方式固定、人為因素多等問題。本次設(shè)計通過搭載攝像頭的無人機，在煤礦礦區(qū)內(nèi)根據(jù)規(guī)劃的路線進行飛行，對安全防范維護的區(qū)域進行全方位立體監(jiān)控，將所防范維護場所的實時畫面通過網(wǎng)絡(luò)進行實時傳輸，實現(xiàn)晝夜巡檢、空中立體全方位監(jiān)控。智能無人機管控平臺可通過運用視頻監(jiān)控AI技術(shù)，對特定區(qū)域內(nèi)的可疑人員進行追蹤，對嫌疑人的照片、個人行蹤等信息進行上傳和分析，引導(dǎo)地面安防工作人員采取針對性的行動。智能空中安防巡查為了保證實時效性可以進行區(qū)域劃分，以陜北地區(qū)煤礦為例將安防分為5各區(qū)域，每個區(qū)域使用DJIMavic2行業(yè)雙光版進行安防巡查，巡查頻率及路徑可以智能生成和規(guī)劃;除常規(guī)周期化安防巡查，還可安排隨機抽查。夜間巡查時，如使用DJIMavic2行業(yè)雙光版發(fā)現(xiàn)異常，能快速出動DJIM210搭載補光燈及云臺相機負(fù)載到達現(xiàn)場，抓拍異常情況，起到震懾作用且留存證據(jù)。

2.3礦區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備可見光紅外熱成像巡檢功能設(shè)計

對礦區(qū)洗煤廠、變電站、樓宇等基礎(chǔ)設(shè)施和通信基站、輸電塔、輸電線路等大型重要設(shè)備進行日常檢查時，因為視角有限，距離遠難以靠近，許多部位難以查看［10］。通過設(shè)施設(shè)備巡檢無人機實現(xiàn)了從不同角度進行詳細檢測，通過變焦相機放大細節(jié)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和隱患，保障生產(chǎn)安全［11］。無人機采用光學(xué)變焦巡檢及紅外熱成像巡檢技術(shù)，可對巡檢設(shè)施和設(shè)備進行光學(xué)和熱成像對比，對設(shè)備隱患和溫度進行實時掌握［12］?？蓪Ω呶Ｌ囟ㄊ挛镞M行高頻率重點實時監(jiān)測。可見光和熱成像巡檢效果圖如圖4所示。

3無人機智能管控平臺設(shè)計

無人機智能管控平臺實現(xiàn)了在煤礦特定的生產(chǎn)環(huán)境中進行無人機設(shè)備及業(yè)務(wù)管控功能，具備資源管理功能，包含固件管理、解禁證書管理［13］。具備業(yè)務(wù)管理功能，包含實時狀態(tài)畫面、遠程和智能控制的實時狀態(tài)監(jiān)控功能;航線智能規(guī)劃與實時干預(yù)、航線庫同步的航線管理功能;飛行日志、視頻、數(shù)據(jù)歸檔的存儲功能;無人機系統(tǒng)架構(gòu)、任務(wù)功能角色的管理功能。具備與礦井智能化系統(tǒng)融合數(shù)據(jù)共享的功能［14］。智能管控平臺功能框圖如圖5所示。

3.1地表沉陷及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測功能智能管控流程設(shè)計

1)無人機起飛前檢查:檢查無人機集體完整度、機身電量、風(fēng)力及雨雪等天氣狀況。2)航線設(shè)置:設(shè)置相應(yīng)無人機飛行航線及航測模式。3)無人機起飛、降落、更換電池。4)無人機回收:無人機安全降落后正確裝箱。5)數(shù)據(jù)處理、模型重建:在上位機平臺上進行數(shù)據(jù)整理、建模、文件及重建模型。6)模型分析、地表沉陷情況監(jiān)測:周期性對比地表重建模型高程數(shù)據(jù)，監(jiān)測沉陷情況，對各區(qū)域按時間順序進行沉陷監(jiān)測記錄。7)模型分析、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測:周期性對比地表生態(tài)環(huán)境變化，對各區(qū)域按時間順序進行沉陷和生態(tài)監(jiān)測記錄［15］。

3.2智能空中安防巡查功能智能管控流程設(shè)計

1)無人機起飛前檢查:檢查無人機集體完整度、機身電量風(fēng)力及雨雪等天氣情況。2)航線設(shè)置:根據(jù)安防區(qū)域圖，設(shè)置相應(yīng)無人機飛行航線及航測模式。飛行航線避開過高建筑物，保證飛行航線安全。3)無人機起飛、降落、更換電池。4)智能管控:結(jié)合礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)，對無人機進行任務(wù)航線下發(fā)，視頻實時回傳，等管理，實現(xiàn)飛行流程平臺化管理，信息采集云存儲，信息可回溯等礦區(qū)安防信息管理要求。5)應(yīng)急響應(yīng):如使用DJIMavic2行業(yè)雙光版發(fā)現(xiàn)異常狀況，及時放飛DJIM210搭載適宜負(fù)載進行支援，實現(xiàn)異常狀況報警，支援無人機及時到位。6)無人機回收:無人機安全降落后正確裝箱。

3.3礦區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備可見光紅外熱成像巡檢功能智能管控流程設(shè)計

1)無人機起飛前檢查:檢查無人機集體完整度風(fēng)力及雨雪等天氣情況。2)航線設(shè)置:根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備布置情況設(shè)置，遠離電磁干擾及遮擋，保證飛行安全。3)無人機起飛、降落、更換電池。4)設(shè)備信息采集:對被巡檢設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，部位進行精細可見光觀察，對熱敏感部位進行紅外熱成像觀察。5)巡檢信息管理:現(xiàn)場巡檢信息通過無線回傳，存儲在礦區(qū)服務(wù)器里。按設(shè)備種類、時間順序歸類保存，便于追溯。6)無人機回收:無人機安全降落后正確裝箱。

4設(shè)計實現(xiàn)及效果分析

該設(shè)計方案在陜煤集團神木張家峁礦業(yè)公司進行實際應(yīng)用，現(xiàn)場共采用航空測繪無人機DJIPhantom4RTK3架、DJITERRA1套，安防巡查無人機DJIM210V23架、DJIMavic2行業(yè)雙光版5架、X5S相機1個、Z30變焦相機云臺1個、補光燈1個，設(shè)施設(shè)備巡檢無人機人DJIM210V23架、Z30變焦相機云臺1套、XT2A25SR雙光云臺1套，無人機智能管控平臺1套，經(jīng)現(xiàn)場測試實現(xiàn)了對地表沉陷和生態(tài)環(huán)境變化的厘米級監(jiān)控，對礦井區(qū)域的空中全方位立體巡查，對重要設(shè)施和特定設(shè)備進行自然光和熱成像的綜合監(jiān)控，實現(xiàn)了對無人機系統(tǒng)的智能管控，為張家峁智慧園區(qū)和智慧礦山建設(shè)起到積極作用。

5結(jié)語

目前實現(xiàn)了厘米級的地表沉陷和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，后期針對礦區(qū)特定環(huán)境進行精度提升方面的研究工作。煤礦無人機智能系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了地表生態(tài)、安防、設(shè)備的巡檢，也可以完成特殊事件的監(jiān)控，實現(xiàn)遠程警戒、遠程預(yù)警、避免無關(guān)人員進入、遠程操作監(jiān)控、保證人員安全的功能，后期應(yīng)考慮在礦井項目施工進度管理、工程現(xiàn)場建模上進行研究應(yīng)用，通過無人機實現(xiàn)工程規(guī)劃設(shè)計可視化、對工程現(xiàn)場進行2D和3D建模，達到工程進度和工程量的實時掌控的目的。后期也可在設(shè)備盤點、物體體積測量等方面進行探討研究。

作者：侯剛 單位：天地科技股份有限公司