井下变电所是煤矿电力系统的枢纽场所，安全可靠运行是煤矿安全生产的基础保证。近年来，煤矿开采能力逐年提升，大型机电设备的数量更多、种类型号更复杂；另外，井下变电所环境恶劣，空气湿度高，存在多种有害腐蚀性气体，此类因素都对机电设备安全稳定运行产生较大影响，增加了故障发生的风险。井下变电所在煤矿井下使用周期长，安设位置分布较为分散，多个安全风险要素存在耦合特征，若某点发生故障，对井下整体供电系统造成巨大影响。

目前，煤矿变电所巡检工作仍采用人工方式，存在以下4方面缺点。

（1） 当每日或按计划分派巡检人员下井执行任务，工作强度大，人力成本高，工作效率低，存在较大潜在人身安全风险。

（2） 巡检人员用检查仪表读数，并主观判断设备发热情况，人工长时间输入和检测数据，存在由于疲劳而导致感官误判，不能及时发现设备故障，影响巡检效果的稳定性。

（3） 煤矿井下环境恶劣，存在有毒有害气体，易对巡检人员的人身安全、职业健康带来危害。

（4） 煤矿井下变电所要求高频次、高可靠的巡检保证，而人工巡检无法实时值守，巡检不及时不全面，只有在异常发生后，工作人员“事后响应”，且调度通知故障通报存在信息误差，易造成重大危险事故的发生。

因此，针对上述变电所场景人工巡检存在的客观问题，研制一种煤矿变电所巡检机器人。智能巡检机器人搭载多种传感器，通过预设程序自动控制机器人沿着指定路线进行检测工作，代替人工检测、温度测量、仪器数据采集等任务；并回传上位机进行数据实时分析，监测和分析设备运行状态，降低巡检人员负担，提高巡检效率，实现“减人、增效、提安”。

煤矿变电所巡检机器人

煤矿变电所巡检机器人适用于煤矿变电所、水泵房等场景特征，是矿用智能巡检系统。主要由3部分组成，分别是智能巡检机器人、井下基站和地面上位机，如图1 所示。

图1　变电所巡检机器人系统

机器人本体搭载多种传感器，按照设定路线行进或自主规划行走。实时采集现场声音、图像、红外热像、温度数据及多种气体浓度等参数。井下基站运用智能感知技术及相应算法，具备精确定位、自主避障、智能识别等功能。可取代人工巡检设备状态，实现实时无人监测。

煤矿变电所巡检机器人主要完成功能如下：

（1） 视觉监测功能

采集关键设备的显示读数和运行指标，判断设备运行状态，数据结果井下即时判断，也可同时上报井上和本地告警。采用可见光和热成像仪设备现场视频采集，通过视频流解码，分析可见光视频流图片质量，利用图像分割，轮廓提取，直线拟合等技术，采用数据交叉比对，确认现场设备状态是否存在异常、发热等异常情况。

（2） 红外测温功能

系统预设多个监测点，通过多角度扫描全站设备，实时监测整个设备温度。系统具备监测设备本体、各种开关触点、母线连接器等温度的能力。借助视频数据，结合温升分析、与同类或三相设备温差比较、历史趋势分析，及智能分析和诊断等技术手段，系统准确识别设备热缺陷，并实现自动报警。

（3） 自主行走功能

采用二维码导航、磁条导航、激光雷达导航等组合方式，自主完成变电所全方位精准定位行走，机体主要通过前端180°可旋转激光反射雷达，利用激光发射后接收反射的时间差进行测量，计算出自身与前方障碍物距离，配合场景建模数据，实现无人行驶。

（4） 自主充电功能

巡检机器人本体内部搭载BMS电源管理模块具备自主电量管理，机器人实时监测电池电量，通过检测电池状态，完成热量管理、充放电控制、故障报警等；同时建立通信联系，向车载终端及控制系统发送电池实时状态，当机器人电量不足时，机器人可自主运行至充电站进行充电。

（5） 交互式对讲

采用智能语音交互系统，实现站内工作人员在管理平台和机器人间的信息交流。

（6） 上位机软件智能分析

创建了可视化监控界面及管理平台，实时显示包括红外温度监测、可见光图像采集、环境气体监测、巡航位置实时状态和数据自主分析，并将其接入矿用生产管控平台。保证信息安全的同时，实现数据批量化管理和多系统单平台运维处理，为运维管控人员及时提供现场信息，实时监测场景信息，在发生报警时及时了解现场环境，进行紧急处理。

现场实际应用难点及解决措施

煤矿变电所巡检机器人在寸草塔煤矿变电所完成试运行测试，现场应用表明，机器人已基本实现全自主运行且可控可观，但依旧存在以下问题。

（1） 煤矿巡检机器人常用充电方式为有线充电，且一般为轨道机器人；固定场所采用轮式巡检机器人，使用有线充电对设备运行限制较大。

（2） 巡检机器人在自主运行中出现定位丢失，路线寻迹偏移，机器人无法在有限空间内自动巡航。

（3） 巡检机器人电量管理逻辑受输入源变化、控制信号传输稳定性和BMS算法准确度等影响，电量管理逻辑无法自主闭环控制运行。

无线充电解决方案

针对有线充电运行受限问题，结合GB/T3836-2021 《煤矿井下电气防爆标准》要求及现场实际使用情况，采用基于RS—485 通信协议的无线充电系统，实现起始与结束充电全过程自动化控制。

（1） 充电组成

针对井下变电硐室、供液硐室等高危要害场景电气设备密集、高低压电缆线路错综复杂，室内气体流通速度慢等特点；满足电气设备防爆安全要求；结合现场实际电气设备部署情况，采用无线充电系统为巡检机器人供电。

煤矿变电所巡检机器人使用非接触式无线充电系统，作为机器人本体蓄电池组供电方案，使用127 V电源作为输入源。无线充电系统共由3 部分组成，分别为前端电源、发射面板、接收面板。充电时，前端电源将127 V交流输入变换为直流电供给发射面板，发射面板内的发射线圈，与接收面板内的接收线圈利用电磁感应原理实现能量交换。

（2） 充电原理及优化措施

无线充电系统在实际中采用双点位信号控制，将机器人充电信号位分为开始充电位和结束充电位。开始充电指令执行过程保持不变，在充电时保持True；结束充电指令变更为瞬时控制信号，结束充电指令触发时开始充电位、结束控制信号点位可自动复位到False，充电中断并进入待机模式，避免因单点位控制信号指令冲突，导致机器人不能正常充电的情况。充电过程控制原理如图2 所示。

图2　机器人无线充电控制原理

巡检机器人导航定位丢失解决方案

为解决巡检机器人在自主运行中出现定位丢失，路线寻迹偏移等问题，煤矿变电所巡检机器人使用激光SLAM导航方式，采用单激光+IMU导航方案，优化路径规划方案，增加场景差异化特征，进一步提高定位准确度。

（1） 激光SLAM导航原理

煤矿变电所巡检机器人使用的激光SLAM导航，是指机器人在未知环境中从某位置开始，在移动过程中根据位置和地图完成自身定位，同时在自身定位的基础上建造增量式地图，实现机器人的自主定位和导航。

实际应用中，机器人利用激光雷达实时扫描现场环境特征，通过比对初始地图数据，确认机器人实时位置，IMU在激光雷达基础上，给予机器人更精准的实时坐标信息及行里程信息。根据激光雷达及IMU反馈数据，确认机器人实时所在位置。现场实际应用地图如图3所示。

图3　现场地图模型平面

（2） 定位丢失原因

矿变电所内使用瓷砖地面，内部电器设备安装呈“一”字排列。在试运行测试过程中，由于场景具有较高同一性，特征差异化水平低，以0～40 m区间为例，激光雷达扫描获取特征的差异化水平如图4 所示。部分区间低于总特征点位数的15%，极易出现定位丢失情况。

图4　0～40 m现场地图模型平面

（3） 定位丢失解决方案

采用沿墙侧行走的路径方案，规划现场测试场景路线，令机器人与墙体保留最小安全运行间距，即机器人右侧边距离墙面约500 mm，激光雷达扫描获取更多现场特征点，定位置信度不易产生较大波动。

现场部分区间设备排列紧凑，机器人在区间内行走过程中，激光雷达扫描产生的点位特征差异不明显，易造成导航定位误差变大。测试过程中采用增加场景差异化特征的方法，在现场放置长宽为50mm的物体，扫描记录到现场地图模型中，在70～105 m运行区间内比对差异特征点位，比0～40 m运行区间更少。因此，在该路段中加入挡板产生差异化特征，并读取电机编码器，进一步确认机器人行走距离，提高定位准确度，如图5所示。

图5　70～105 m区间现场地图模型平面图

巡检机器人BMS 电量管理控制逻辑故障解决

巡检机器人实际使用过程中，对BMS电池管理系统电池组数据校准及充放电程序优化，提升电池容量SOC计算结果精准度。

机器人电量管理逻辑

机器人搭载BMS电源管理模块是连接动力电池和机器人的关键桥梁，实时搜集、处理和储存电池组运行过程的关键信息，并与边缘计算机信息交流，确保电池系统安全可靠运行。采集单体电芯温度、电压，实现电池间均衡，与电流传感器交互采集总线电流。

电量管理逻辑：巡检任务开始前，当BMS检测到电量低于设定值，机器人终止巡检任务，发送充电信号执行充电；巡检任务执行中时，当BMS检测到电量低于设定值，机器人终止自动巡检任务返回充电位充电；巡检任务完成时，当BMS检测到电量低于设定值，机器人触发充电指令自动导航至充电位，到达充电位后触发充电信号，实现无线充电。

电量管理优化措施

（1） 校准机器人电池组数据

边缘计算机发送充电指令到无线充电系统，电池组处于充电状态。当电池组中所有电池单节电压均为3.7 V，BMS 电池管理系统触发过压保护，设定电池电量Soc值为100%。

（2） 边缘计算机中加入待机充电程序

利用机器人待机期间持续充电，保持整车电量。在充电响应条件下，新增待机充电控制程序，通过判断巡检任务触发状态，结束待机充电，避免持续充电逻辑控制导致巡检任务缺失。

综上，新电量管理方案有效避免了因充电导致巡检任务缺失，延长机器人电池系统使用时长，保障机器人的运行稳定性。

行业问题剖析

当前，煤矿机器人应用场景范围持续扩展，市场已然进入蓄势待发的重要时期。调研实际客户需

求及现场应用，同类型行业的巡检类机器人市场占有率约为60%。同时，国内科研机构、学校院所的技术创新，攻克了巡检机器人防爆结构、井下导航定位、机器人动力能源效率等多项难题，但受煤矿井下特殊环境条件限制，巡检机器人研发整体难度大、研发周期长、产品稳定性安全性要求极高等问题依然存在。

现有其他行业机器人技术直接应用到煤矿井下，仍存在诸多问题，主要体现在以下几个方面。

（1） 煤矿机器人关键技术难以突破

亟须提升单体机器人可靠性及智能化水平，煤矿井下爆炸性气体环境、非结构化地形、封闭受限空间、GPS 拒止场景等，均给煤矿机器人研发带来严峻挑战。

（2） 煤矿机器人特定技术单元研发受限

迫切需要研发系列符合煤矿安全规程要求的标准化元器件。才能更好满足煤矿行业对安全性、稳定性及可持续性的高要求。

与其他行业常规机器人不同，煤矿井下机器人的关键技术单元都应符合防爆易要求，但对于高精度激光传感器、高速数据接收存储单元及高性能图像处理器等机器人自主必备单元，市场缺少成熟的防爆产品和本安型设备，此类传感器、控制器及驱动器直接影响了煤矿机器人的产品研发进度，难以推进煤矿井下机器人整体的发展。

（3） 煤矿机器人可靠性测试评估难以完成

目前，一般工业机器人测试标准难以直接适用于煤矿井下机器人，缺乏煤矿极端工况下的可靠性评价指标体系。在湿度、粉尘、震动、电磁等恶劣环境下，现有标准未能清晰阐明此类因素对机器人可靠性的具体影响机理。由此，煤矿机器人的防爆结构完整性、行走机构机动性能、控制单元、安全监测传感器以及通信系统等关键环节，难以准确评估其可靠性。亟须制定完善的规范和标准，并建设完备的测试设施和条件。

实际应用现状

寸草塔煤矿井下变电所应用轮式变电所巡检机器人，如图6 所示。变电所巡检机器人本体采用轮式结构，包括本体、驱动系统、减震系统及车轮等。每个轮组均采用摇臂式减震系统，配置独立的避震器，以适应矿井复杂地形。机器人的驱动系统采用独立电机电控系统配置，根据具体场景需要，动态调整驱动轮数量。车辆控制器智能调度机器人移动底盘，实现多种灵活的行驶模式，包括前后小半径转向、蛇形连续机动和原地转向等。

图6 寸草塔煤矿井下变电所巡检机器人

机器人采用激光雷达和惯性里程计的SLAM环境导航方式，实现自主行走。采用紧耦合联合，优化了激光雷达惯性里程计和点云地图。在激光雷达惯性里程计方面，通过对激光雷达帧内和帧间运动关系准确解算，执行IMU数据预积分处理，计算得到激光雷达帧内运动，对点云数据精密预处理，以消除运动畸变的不良影响。使得机器人在复杂环境中可准确、高效地实现自主导航。

变电所巡检机器人具备监控变电所内设备、环境和人员的功能，可有效识别所有电控柜状态和数据显示，并与机电设备智能联动，同时支持数据储存和大数据分析，将采集到的环境信息和图像信息，通过井下基站上传地面上位机，地面上位机实时同步与显示，为监控人员提供及时准确的有效信息。

变电所巡检机器人动力方式采用锂电池供电，可输出24 V、48 V 直流电源，为机器人本体内部所有传感器、运动控制器等多模块供电。机器人充电方式为无线充电。

变电所巡检机器人采用轮式行走方式，提高了巡检工作的稳定性和准确性，减轻了巡检人员的工作负担，人员数量从3～4 减少至1～2 人，巡检效率提高60%，降低了人力、设备维护等运营成本。通过引入机器人检测系统，实时向操作员和维护人员提供远程视频，缩短处理时间，降低事故发生时的应急响应时间。

总 结

（1） 分析了煤矿变电所场景特征，指出了现有变电所人工巡检存在的问题，并提出建议。通过总结分析，查明问题根源，提出了煤矿变电所巡检机器人系统的构想，具体阐述了变电所巡检机器人系统组成及各部件功能。

（2） 分析了变电所巡检机器人现场实际应用存在的问题，以及其他行业机器人技术直接应用到煤矿井下的技术壁垒，包括关键技术突破、特定传感单元的需求以及缺乏可靠性测试评估方式等共性难题给予总结性评价。

（3） 以寸草塔煤矿井下变电所轮式变电所巡检机器人应用为例，分析了现有煤矿井下变电所巡检机器人的应用场景，以及应用价值、技术优势、发展前景。

策划：赵瑞 编辑：李雅楠