Мобильные роботы на подземной добыче

Переведено и опубликовано с разрешения авторов.

Перевод с англ.: С. С. Верхозин, АО «Иргиредмет»

Робототехника — одно из революционных технологических направлений нашего века, и возможности его реализации в горной промышленности обсуждаются как в академических [Marshall et al, 2016], так и промышленных кругах [IFR, 2015].

На современных предприятиях по подземной добыче роботизированные системы используют в основном для транспортировки материала. В большинстве случаев перед внедрением робототехники объект предварительно подготавливают, например, отграничивают районы работы автономной техники от зон, в которые имеют доступ работники рудника. В будущем роботы на подземной добыче будут применяться для выполнения сложных работ, а решение конкретных задач будет распределяться между специалистом и машиной.

Потенциальных преимуществ практики применения мобильных роботов на подземной добыче множество. Например, с их помощью можно повысить производственную безопасность — как людей, так и оборудования. Более того, роботы отлично подходят для разведки, картографирования, контроля за деятельностью предприятия. Небезопасные, способные к обрушению выработки лучше всего изучать с использованием роботизированного устройства, поскольку потеря машины не несет столь сложных этических и моральных последствий по сравнению с человеческой жизнью. Свой вклад в повышение безопасности персонала, работающего под землей, внесут роботы, которые будут постоянно мониторить окружающие условия (например, замерять состояния воздуха в выработках). Также мобильным роботам можно поручить выполнение монотонной, рутинной работы, что позволит предприятию сократить рабочую силу и расходы. Подобным же образом повышается продолжительность эксплуатации оборудования, увеличивается период времени между циклами контрольных мероприятий.

Автоматизированное, комплексное, точное и экономичное сенсорное картографирование рудников на базе мобильных роботов дает пространство для качественного скачка в различных областях — при разведке, планировании горных работ, оптимизации деятельности, охране труда, мониторинге состояния окружающей среды.

К основным трудностям использования роботов на подземных рудниках можно отнести невозможность использования GPS или других систем навигации, неровности подземных участков и пр. Другими словами, работать под землей сложно, и внедрение известных роботизированных решений и алгоритмов в первоначальном виде не всегда возможно.

В данной статье речь идет о проекте «Mining-RoX», реализуемом Фрайбергской горной академией (Technical University Bergakademie Freiberg) в Германии. Цель проекта заключается в анализе и адаптации роботизированных технологий и алгоритмов для их использования на подземных рудниках, совершенствовании технологических процессов в будущем.

В рамках данного проекта проводятся испытания мобильных роботов на одном из старых подземных рудников, принадлежащем академии, на предмет выполнения широкого спектра задач, включая:

- автономный мониторинг условий окружающей среды на рудниках;

- помощь работникам предприятия;

- трехмерное картографирование;

- построение виртуальной реальности для учебных тренажеров горноспасательной службы.

Мобильные роботы и карто-графирование подземных рудников

Новаторская работа по применению автономных роботов на заброшенных рудниках была опубликована в 2003 г. Фергюсоном и др. [Ferguson et al]. С помощью робота «Groundhog» авторы исследовали рудники «Florence» возле Бургетстауна (Burgettstown) и «Mathies» возле Нью-Игл (New Eagle; оба Пенсильвания, США); они провели картографирование, проверили навигационные возможности. На основе данных, полученных с лазерного сканера, была построена двухмерная репрезентация окружающих условий. В целом робот выполнил картографирование 40 м выработок в режиме дистанционного управления и 308 м — в автономном режиме.

Процесс картографирования крупного действующего рудника в Новом Южном Уэльсе (Австралия) описывают Злот и Боссе [Zlot, Bosse, 2014]. Для построения виртуальной трехмерной модели предприятия авторы использовали легкий грузовик, оснащенный множеством лазерных сканеров. В общей сложности за 113 минут установка отсканировала 17 км. При последующей обработке была создана трехмерная модель; в целом она близко соответствовала геометрии рудника. В качестве будущего поля деятельности в статье обозначена проблема адаптация технологии картографирования под существующие на данный момент роботизированные средства.

Картографирование — одна из ключевых проблем, стоящих перед робототехникой, до сих пор полностью не решенная с точки зрения подземной добычи. В рамках проекта «Autonomous Rock Surface Modelling and Mapping in Mines» («Автономное моделирование поверхности породы и картографирование на рудниках») команда специалистов из Университета Чили (University of Chile) под руководством Мартина Адамса (Martin Adams) провела изучение возможности одновременной локализации и картографирования [Hennessey, 2015]. В процессе их работы с помощью трехмерного лидар-сканера фирмы «Riegl», визуальных сенсоров и радара (из-за запыленности) были построены модели подземного рудника.

Исследования в Лаборатории систем добычи (Mining Systems Laboratory) при Университете Куинс (Queen\\\'s University) направлены на разработку системы подземного позиционирования (uGPS), предназначенной для повышения точности методов мобильного картографирования путем оценки ориентирования поверхностей планарного полупроводникового прибора [Gallant and Marshall, 2016]. Все перечисленные подходы по-прежнему предусматривают управление роботом непосредственно на месте, однако при наличии качественной навигационной карты появится пространство для автоматизации.

Автономный робот «Александр»для картографирования

Проект «Mining-RoX» Фрайбергской горной академии связан, помимо прочего, с разработкой мобильного робота, предназначенного для автономной разведки на подземных рудниках. Данная роботизированная платформа должна справляться с характерными для горных выработок трудностями. С учетом этих требований был создан мобильный робот «Александр» (Alexander, рис. 1) [Grehl et al, 2015a]. Область его основного применения — картографирование и мониторинг параметров состояния среды в подземных выработках. Робот оснащен несколькими камерами, лазерными сканерами, измеряющими различные показатели (например, скорость движения воздуха, радиоактивность и др.). Настраиваемая система освещения обеспечивает качество фиксирования на камеру во время движения робота. Самопозиционирование в режиме реального времени и построение двухмерных карт производится сенсорным образом, а также на базе измерений, производимых инерциальной системой, лазерным сканером и полученных цветных изображений.

Трехмерная реконструкция подземного рудника производится в режиме реального времени по двум RGB-D-камерам. Помимо цветных изображений, камеры также позволяют получать глубинные изображения. После калибровки цвет совмещается с информацией по глубине, образуя таким образом трехмерное облако цветных точек. Это обеспечивает специалисту в контрольном центре эффект присутствия. Также высокодетализированные текстурные трехмерные модели можно получить на основе цветных изображений на этапе последующей обработки информации.

Возможности «Александра» были опробованы на испытательном руднике «Reiche Zeche» на глубине 147 м. Аппарат продемонстрировал способность строить в реальном времени двухмерные навигационные карты, измерять температуру, влажность, скорость движения воздуха, радиоактивность, устанавливать географическую привязку — и все это в рамках построенной карты. Было выбрано два испытательных маршрута: круговая траектория длиной 80 м по плоской поверхности и 600 м по неровной грязной поверхности (рис. 2), в некоторых местах пересекаемой рельсовыми путями (см.рис. 1). Роботу удалось самостоятельно изучить все участки, за исключением тех, где были рельсы. Сами рельсы и особенно места их пересечения оказались слишком сложным препятствием для автономного перемещения. В таких местах сотрудник исследовательской команды брал управление роботом на себя; в то же время продолжали работать и получать ценные данные функции картографирования и сенсоры. По первому маршруту были в общей сложности собраны данные объемом 5 Гб, по второму — 52,5 Гб. Скорость передачи данных (в основном сжатых изображений с камер) составляла приблизительно 1 Гб в минуту. Впоследствии на основе полученных снимков была простроена трехмерная модель подземного рудника. Функциональные возможности «Александра» ограничены пассивным наблюдением и коммуникацией, поэтому для взаимодействия с окружающей средой и работниками в рамках проекта «Mining-RoX» была разработана разновидность робота-манипулятора.

«Юлий» — мобильный робот-манипулятор

«Юлий» (Julius) оснащен шарнирной трехпальцевой рукой, смонтированной на механическом манипуляторе. Четыре бортовых компьютерных блока дают достаточную вычислительную мощность для обработки в режиме реального времени информации, поступающей с сенсоров, а также контроля за роботом. Данное исследование ориентировано на проработку возможностей человеко-машинного взаимодействия на рудниках, при которой «Юлий» с помощью манипулятора и механизма захвата выступает в качестве «ассистента» при выполнении рутинных и опасных задач. «Юлий» способен работать со специализированным оборудованием, например, ручным рентгенофлуоресцентным сканером (рис. 3). Это ограничивает воздействие радиации, обеспечивая безопасность работников. Кроме того, робот способен удерживать манипулятор в одном положении в течение долгого времени, что гарантирует точность производимых измерений. Также специалисты могут использовать и другое переносимое «Юлием» оборудование, например, источники света и энергии.

Самым безопасным рудником станет тот рудник, на котором не будет людей. С этой позиции управление роботом может производиться дистанционно через Wi-Fi из удаленного контрольного центра. Помимо этого, на «Юлий» можно смонтировать станции, расширяющие действие сети в самых труднодоступных участках. Когда сигнал Wi-Fi слабеет, «Юлий» с помощью захвата размещает одну из сетевых станций на полу выработки (всего он способен переносить до трех таких станций). В целом манипулятор способен выполнять следующие задачи:

-Исследовать определенные участки рудника с помощью специальной камеры, устанавливаемой на захвате, например, на предмет присутствия сыпучих (рыхлых) пород.

-Работать с элементами управления, дверьми, вентиляцией.

-Собирать пробы воды на заброшенных участках.

Постоянный поток видеоданных, поступающий с систем «Юлия» оператору в контрольном пункте, чрезвычайно важен для дистанционного наблюдения. Однако обеспечить его сложно из-за характерных для подземных рудников условий, и когда связь пропадает, включается автономный режим. Робот также должен быть способен самостоятельно собирать размещенные Wi-Fi-станции, возвращаться назад в исходную точку.

Системы дистанционного управления и Wi-Fi-коммуникации «Юлия» были успешно протестированы на руднике «Reiche Zeche». На данный момент исследователи сосредоточены на проработке задач, в выполнении которых робот способен помочь человеку. К их числу можно отнести, например, сбор проб воды. Специалист может случайно испортить взятый образец, поэтому в данном случае полезно использовать технику. Однако машина не в состоянии самостоятельно определить секцию поверхности, в которой достаточно воды, — это работа человека. Данный пример — лишь одна из многих возможностей совместной работы добытчиков и роботов, когда принятие комплексных решений остается за первым, точное выполнение рутинной или небезопасной работы — за вторым.

От трехмерной модели до симуляторов виртуальной реальности

Трехмерная реконструкция геометрии рудника с целью визуализации, обучения и симуляции может быть произведена на основе изображений, полученных «Александром». Для этого визуальные особенности ряда последовательных изображений сравниваются и совмещаются с информацией по глубине; на выходе получается модель рудника, состоящая из облака точек. Затем она сопоставляется с известными положениями камеры и снимками, строится рельефная трехмерная модель [см. Grehl et al., 2015b]. В тестовых прогонах, о которых упоминалось выше, были получены модели объемом 0,6 и 1,25 Гб. Относительно малый объем данных облегчает перенос и обмен моделями.

Трехмерная модель рудника подходит для анализа на современных компьютерах или в более крупном масштабе — в виртуальной реальности с помощью таких систем, как «Cave Automatic Virtual Environments» (CAVE), или виртуальных шлемов. Это дает возможность делиться опытом и знаниями относительно подземных условий работы как специалистам, так и общественности. Трехмерные модели могут быть использованы для виртуальной симуляции деятельности на руднике. Например, перед принятием решения о покупке дорогостоящей техники, ее эксплуатацию можно смоделировать по трехмерной модели.

Основная цель нашей работы — создание симуляторов виртуальной реальности, предназначенных для обучения методам техники безопасности. В рамках проекта «Mining-RoX» исследователи из Фрайбергской горной академии и Университета прикладных наук Миттвайда (University of Applied Science Mittweida) разработали специальный симулятор обучения спасательным работам на основе трехмерных моделей, построенных «Александром».

На данный момент симулятор используется в образовательных целях, а именно для обучения студентов различным сценариям спасательных работ. В процессе тренировки учащиеся ориентируются в виртуальном окружении на базе трехмерных изображений рудника, в котором присутствуют персонажи, представляющие спасателей и жертв (рис. 4).

Инструктор приводит в действие один из нескольких возможных сценариев чрезвычайной ситуации, например, пожара, задымления или частичного обрушения. Специалист наблюдает за реакцией студентов, оценивая их поведение в определенных ситуациях. Студенты должны реагировать и взаимодействовать между собой. Каждый член спасательной команды имеет собственный ракурс на происходящее и несет отличное от других оборудование.  Симуляция стрессовых условий позволяет повысить коммуникативные навыки, отработать соответствующие процессы. Основное преимущество заключается в том, что трехмерные модели репрезентируют реально существующие рудники. В процессе обучения спасатели получают пространственные знания, которые способны в неоценимой степени помочь в случае действительного возникновения чрезвычайной ситуации, когда ориентированию на месте препятствует задымление и пыль.

Автономная роботизированная техника будет безусловно играть важную роль в будущем горнодобывающей промышленности. Благодаря проекту «Mining-RoX» нам удалось изучить несколько возможностей использования роботов, продемонстрировать обоснованность их применения на подземных рудниках.

Роботы позволяют строить карты рудников и встраивать в них собираемые с сенсоров географические данные. Также машины можно оснастить манипуляторами для помощи добытчикам в выполнении рутинных или опасных задач. Изображения, фиксируемые роботами в процессе передвижения, трансформируются в реалистичные виртуальные модели. В сочетании с возможностями обучения, которые дает технология виртуальной реальности, разрабатываются мощные симуляторы тренировки спасателей, повышается безопасность работ.

Разработка специализированных роботов для подземных рудников — направление только зарождающееся. Горнодобывающая промышленность является важнейшей сферой приложения робототехники, и количество исследовательских проектов растет по всему миру.

Использованная литература

·Ferguson D, Morris A, Hähnel D, Baker C, Omohundro Z and Reverte C, 2003. An autonomous robotic system for mapping abandoned mines, in Proceedings 16th International Conference on Neural Information Processing Systems, pp 587–594 (MIT Press: Cambridge).

·Gallant M J and Marshall A, 2016. Automated three-dimensional axis mapping with a mobile platform, in Proceedings International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 6 p (IEEE: New York).

· Grehl S, Donner M, Ferber M, Dietze A, Mischo H and Jung B, 2015a. Mining-RoX – mobile robots in underground mining, in Proceedings Third International Future Mining Conference, pp 57–64 (The Australasian Institute of Mining and Metallurgy: Melbourne).

·Grehl S, Sastuba M, Donner M, Ferber M, Schreiter F and Mischo H, 2015b. Towards virtualization of underground mines using mobile robots – from 3D scans to virtual mines, in Proceedings 23rd International Symposium on Mine Planing and Equipment Selection, pp 711–722 (The Southern African Institute of Mining and Metallurgy: Johannisburg).

·Hennessey M, 2015. Robots explore dangerous mines with novel sensor fusion technology [online], Clearpath Robotics, 27 January. Available from: www.clearpathrobotics.com/2015/01/robots-explore-mines-with-sensor-fusion/

·International Federation of Robotics (IFR), 2015. World robotics report: service robots.

·Marshall J A, Bonchis A, Nebot E and Scheding S, 2016. Robotics in mining, in Springer Handbook of Robotics, second edition, pp 1549–1576 (Springer: Heidelberg).

·Zlot R and Bosse M, 2014. Efficient large-scale three-dimensional mobile mapping for underground mines, Journal of Field Robotics, 31(5):758–779. 

Источник: https://www.ausimmbulletin.com/feature/mining-futures-research-perspective-mobile-robots-in-underground-mining/

-0+2

• Содержание сайта
• Комментарии
• Главная страница