智能采煤机器人关键技术 被引量：5

1

作者 马宏伟 赵英杰 +13 位作者 薛旭升 吴海雁 毛清华 杨会武 张旭辉 车万里 曹现刚 赵友军 王川伟 赵亦辉 王鹏 孙思雅 马柯翔 李烺 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期1174-1182,共9页

采煤机是综采工作面的核心装备,研发智能采煤机器人是实现综采工作面智能化的关键。综合分析当前采煤机机器人化研究进程中的传感检测、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制等技术的研究现状,提出研发智能采煤机器人必须破解的... 采煤机是综采工作面的核心装备,研发智能采煤机器人是实现综采工作面智能化的关键。综合分析当前采煤机机器人化研究进程中的传感检测、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制等技术的研究现状,提出研发智能采煤机器人必须破解的“智能感知、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制、位-姿-速协同控制”五大关键技术,并给出解决方案。针对智能感知问题,提出了构建智能感知系统思路,给出了智能采煤机器人智能感知系统的架构,实现对运行状态、位姿、环境等全面感知,为智能采煤机器人安全、可靠运行提供保障;针对位姿控制问题,提出了智能PID位姿控制思路,给出了改进遗传算法的PID位姿控制方法,实现了智能采煤机器人位姿精准控制;针对速度控制问题,提出了融合“力-电”异构数据的截割载荷测量思路,给出了基于神经网络算法的截割载荷测量方法,实现了截割载荷的精准测量;提出牵引与截割速度自适应控制思路,给出了人工智能算法牵引与截割速度决策方法和滑模自抗扰控制的牵引与截割速度控制方法,实现了智能采煤机器人速度精准自适应控制;针对截割轨迹规划与跟踪控制问题,提出了截割轨迹精准规划思路,给出了融合地质数据和历史截割数据的截割轨迹规划模型,实现了截割轨迹的精准规划;提出了截割轨迹精准跟踪控制思路,给出了智能插补算法的截割轨迹跟踪控制方法,实现了智能采煤机器人截割轨迹高精度规划与精准跟踪控制;针对“位-姿-速”协同控制问题,提出了“位-姿-速”协同控制参数智能优化思路,给出了基于多系统互约束的改进粒子群“位-姿-速”协同控制参数优化方法,实现了智能采煤机器人智能高效作业。深入研究五大关键技术破解思路,有利于加快推动研发高性能、高效率、高可靠的智能采煤机器人。 展开更多

关键词 智能采煤机器人 智能感知 速度控制 截割轨迹规划与跟踪控制 协同控制

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数字孪生驱动的掘锚设备跟踪定位与碰撞检测方法研究 被引量：1

2

作者 杨文娟 赵典 +5 位作者 张旭辉 陈鑫 郑西利 刘彦徽 张冉 万继成 《煤田地质与勘探》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期160-173,共14页

掘锚自动化作业是煤矿巷道智能掘进的关键,针对当前掘锚设备交替作业过程中相对位姿测量和碰撞检测难题,提出一种数字孪生驱动的煤矿井下掘锚设备跟踪定位与碰撞检测方法。首先,为克服井下掘进工作面低照度、高粉尘、复杂背景干扰的影响... 掘锚自动化作业是煤矿巷道智能掘进的关键,针对当前掘锚设备交替作业过程中相对位姿测量和碰撞检测难题,提出一种数字孪生驱动的煤矿井下掘锚设备跟踪定位与碰撞检测方法。首先,为克服井下掘进工作面低照度、高粉尘、复杂背景干扰的影响,以多点红外LED标靶作为信息源,通过工业相机采集红外LED特征点图像,利用Hough轮廓检测与质心法提取光斑中心并通过二进制编码识别标靶ID,采用改进稀疏光流算法对光斑进行跟踪,同时建立基于PNP的掘锚设备位姿解算模型,采用对偶四元数获得设备间相对位姿。其次,利用数字孪生技术,基于Unity3D平台建立对应实际尺寸的掘锚设备及工作面数字孪生模型,利用Socket通信方式实现虚拟空间与物理实体之间的实时数据传输与交互,在虚拟空间中实现掘锚设备实时位姿的三维可视化,结合任意多边形OBB(orientedboundingbox)碰撞检测算法,实现掘锚设备虚拟碰撞检测。最后,搭建实验平台进行掘锚设备位姿测量试验,同时对虚实运动轨迹和碰撞检测效果进行验证。实验结果表明:掘锚设备跟踪定位实验的位置误差不超过20mm,角度误差不超过0.30°;虚实位置坐标对比中X轴方向最大误差不超过1.14mm;Y轴方向最大误差不超过1.10mm,能够保证系统虚实一致性和同步性,满足掘进工作面作业过程中掘锚设备实时跟踪定位及碰撞检测的要求。 展开更多

关键词 数字孪生 掘锚设备 位姿测量 碰撞预警 稀疏光流算法 煤矿

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双悬臂截割机器人相对动力学建模与力位混合控制研究

3

作者 刘鹏 周昊晨 +7 位作者 马宏伟 曹现刚 张旭辉 段学超 毛清华 田海波 薛旭升 王川伟 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2024年第10期80-89,共10页

双悬臂截割机器人可解决传统单臂掘进机在截割大尺寸断面时效率低下的难题,但其与煤岩的动态交互影响控制性能。现有研究以双臂接触同一对象形成运动闭链为前提,无法满足双悬臂截割机器人双臂运动及末端截割头输出力的控制要求。针对该... 双悬臂截割机器人可解决传统单臂掘进机在截割大尺寸断面时效率低下的难题,但其与煤岩的动态交互影响控制性能。现有研究以双臂接触同一对象形成运动闭链为前提,无法满足双悬臂截割机器人双臂运动及末端截割头输出力的控制要求。针对该问题,设计了一种基于机器人相对动力学模型的力位混合控制系统。建立双悬臂截割机器人运动学和动力学模型,基于机器人的相对雅可比矩阵及虚位移与虚功原理推导出机器人的相对动力学模型,通过单一变量同时描述机器人双臂的运动状态,将机器人双臂独立的动力学模型整合为一个整体。基于机器人的相对动力学模型,设计了机器人双臂力位混合控制系统,通过李雅普诺夫函数验证了系统的稳定性和可行性。仿真结果表明:双悬臂截割工艺较单悬臂截割拥有更大的工作空间,具有一次性实现大断面截割的能力;双悬臂截割机器人力位混合控制系统能够完成对期望相对位置和期望相对力的同步跟踪,对截割头期望位置跟踪的绝对误差在0.3132 m以内,均方根误差为0.1447 m。 展开更多

关键词 巷道掘进 双悬臂截割机器人 力位混合控制 相对动力学 相对雅可比矩阵

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改进YOLOv5s的采煤机滚筒与支架护帮板干涉状态智能识别

4

作者 毛清华 胡鑫 +2 位作者 王孟寒 张旭辉 薛旭升 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期253-263,共11页

针对综采工作面液压支架护帮板处于未收回异常状态导致采煤机滚筒与护帮板干涉问题,提出一种改进YOLOv5s的采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态智能识别方法。运用课题组前期提出的基于边界约束和非线性上下文正则化的去雾去尘方法对视... 针对综采工作面液压支架护帮板处于未收回异常状态导致采煤机滚筒与护帮板干涉问题,提出一种改进YOLOv5s的采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态智能识别方法。运用课题组前期提出的基于边界约束和非线性上下文正则化的去雾去尘方法对视频图像进行清晰化处理,提高综采工作面监控视频图像质量;对YOLOv5s模型进行改进,通过将YOLOv5s主干网络中的普通卷积Conv替换为分类效果更佳的Ghost卷积,减少了模型的参数数量,提高了模型识别速度,同时引入坐标注意力机制,提高了模型对护帮板和滚筒特征提取能力,从而提高模型识别精确率。运用软非极大值抑制算法(Soft-NMS)的锚框筛选方法,减少因护帮板重叠而发生漏检问题。针对采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态判定问题,提出液压支架护帮板与采煤机滚筒锚框重合度的判定方法。运用本文改进YOLOv5s模型与YOLOv5s、YOLOv3-tiny模型进行对比分析,结果表明:本文方法与原模型相比的识别精确率提高了约8.1%,GFLOPs降低1.86倍;mAP@.5达到97.2%、平均识别速度为检测时间为5.9 ms。运用本文方法对煤矿实际综采工作面采煤机滚筒与液压支架护帮板视频图像进行干涉状态识别试验验证,结果表明:对采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态识别准确率为96%。 展开更多

关键词 采煤机滚筒 液压支架护帮板 YOLOv5s 干涉状态 视频图像 智能识别

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护盾式临时支护机器人带压行驶液压控制系统研究

5

作者 马宏伟 李烺 +5 位作者 薛旭升 王川伟 王赛赛 赵英杰 周文剑 张恒 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2024年第7期21-31,共11页

护盾式临时支护机器人是适应夹矸与片帮共存的大断面巷道智能掘进机器人系统的重要组成部分,其主要功能是为实现“掘支并行”作业提供安全可靠的工作空间。为加强护盾式临时支护机器人推移行驶过程中对围岩的安全稳定支护,根据护盾式临... 护盾式临时支护机器人是适应夹矸与片帮共存的大断面巷道智能掘进机器人系统的重要组成部分,其主要功能是为实现“掘支并行”作业提供安全可靠的工作空间。为加强护盾式临时支护机器人推移行驶过程中对围岩的安全稳定支护,根据护盾式临时支护机器人结构、工作环境与作业需求,建立其带压行驶的推移量与支护力数学模型及带压行驶动力学模型,设计了护盾式临时支护机器人带压行驶液压控制系统。该系统主要由支护液压系统、行驶液压系统组成:静态支护时,支护液压系统需时刻输出大于上盾体自身重力的支护力,行驶液压系统处于待机状态;带压行驶时,支护液压系统和行驶液压系统同时工作,在保证临时支护机器人“减压不离顶”的同时,与顶板时刻带压并稳步前移。提出了基于模糊PID的护盾式临时支护机器人带压行驶精准控制方法:通过集成在推移油缸上的位移传感器与液压回路中的压力传感器实时采集临时支护机器人的压力与位移信号,用于反映临时支护机器人带压行驶途中支护力和行驶位移的变化情况,并根据支护力和推移量的误差和误差率,利用模糊PID算法对支护力和推移量的控制参数进行修正,实现基于模糊PID算法的带压行驶可靠控制。仿真与实验结果均表明,模糊PID控制的效果优于传统PID控制,在模糊PID控制下,护盾式临时支护机器人推移行驶过程中的支护力相对误差小于1%,行驶位移误差小于2 mm,且支护力和推移量控制响应速度快,保证了推移行驶过程中对围岩的安全稳定支护。 展开更多

关键词 护盾式临时支护机器人 液压控制系统 带压行驶 支护力控制 行驶位移控制 模糊PID控制

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短横轴截割机器人直墙拱形巷道自动成形控制方法

6

作者 马宏伟 王赛赛 +3 位作者 王川伟 薛力猛 张恒 孙思雅 《西安科技大学学报》 CAS 北大核心 2024年第3期418-429,共12页

针对掘进机在直墙拱形巷道掘进过程中存在定位难、截割效率低、成形质量差等问题,提出一种短横轴截割机器人及其自动成形控制方法。首先设计了串联式短横轴截割机器人结构,构建了短横轴截割机器人运动学模型,建立了截割臂升降油缸、滑... 针对掘进机在直墙拱形巷道掘进过程中存在定位难、截割效率低、成形质量差等问题,提出一种短横轴截割机器人及其自动成形控制方法。首先设计了串联式短横轴截割机器人结构,构建了短横轴截割机器人运动学模型,建立了截割臂升降油缸、滑移油缸及回转油缸伸缩量与截割头末端位姿的数学关系,提出了短横轴截割机器人直墙拱形巷道自动成形控制方法;其次研究分析了短横轴截割机器人截割头包络空间与直墙半圆拱形巷道空间耦合关系,确定了截割过程中截割轨迹关键点位置,提出了基于截割轨迹关键点的“弓”型截割轨迹规划方法;然后根据建立的短横轴截割机器人运动学模型,求解截割头在跟踪截割轨迹的过程中运动控制量和截割、修帮、扫底3个任务各个关节控制时序;最后以模糊PID为例,建立了短横轴截割机器人自动成形控制方法,利用Adams软件对短横轴截割机器人进行截割运动仿真试验。结果表明:利用“弓”型截割轨迹规划方法能够完成直墙拱形巷道的截割轨迹规划,控制截割头对截割轨道进行跟踪控制,实现了直墙拱形巷道断面的自动成形截割,截割成形的巷道最大欠挖量为48 mm,最大超挖量为21 mm,满足煤矿巷道成形质量要求。研究得出短横轴截割机器人可在沿巷道中线不左右移机的情况下,高效率、高质量地完成直墙拱形巷道断面自动成形截割任务。 展开更多

关键词 定形截割 截割机器人 拱形巷道 轨迹规划 模糊PID控制

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基于EMDPWVD时频图像和改进ViT网络的滚动轴承智能故障诊断

7

作者 樊红卫 马宁阁 +3 位作者 马嘉腾 陈步冉 曹现刚 张旭辉 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2024年第11期246-254,共9页

滚动轴承是机械设备的关键零部件之一,其故障诊断对设备安全稳定运行至关重要。针对滚动轴承振动信号的非平稳特点,提出经验模态分解联合伪魏格纳分布(empirical mode decomposition&pseudo-Wigner-Ville distribution, EMDPWVD)时... 滚动轴承是机械设备的关键零部件之一,其故障诊断对设备安全稳定运行至关重要。针对滚动轴承振动信号的非平稳特点,提出经验模态分解联合伪魏格纳分布(empirical mode decomposition&pseudo-Wigner-Ville distribution, EMDPWVD)时频图像联合改进Vision Transformer(ViT)网络模型的智能故障诊断新方法。首先针对实际信号研究短时傅里叶变换(short-time Fourier transform, STFT)、连续小波变换(continuous wavelet transform, CWT)和EMDPWVD三种时频分析方法,考虑STFT和CWT无法同时获得高的时间分辨率和频率分辨率,优选EMDPWVD作为智能故障诊断网络的时频图像构造方法。其次,以经典ViT作为故障诊断基础模型,将时频图像按照预定尺寸分块并线性映射为输入序列,通过自注意力机制整合图像全局信息,借助堆叠Transformer编码器完成网络传输,进而实现故障诊断。为进一步提高故障诊断准确率,将池化层作为ViT的预处理网络,获得改进的Pooling ViT(PiT)模型,实现时频图像的空间特征延展,提升模型对输入图像敏感度。结果表明,所提方法对滚动轴承不同故障类型均有高的诊断准确率,PiT较ViT的准确率提高4.40%,证明对ViT加入池化层能够实现滚动轴承故障诊断效果提升。 展开更多

关键词 滚动轴承 故障诊断 时频图像 Vision Transformer(ViT) 池化层

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基于模糊神经网络PID的煤矿掘进机俯仰控制研究

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作者 毛清华 陈彦璋 +3 位作者 马骋 王川伟 张飞 柴建权 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2024年第8期135-143,共9页

目前煤矿掘进机俯仰控制主要采用PID控制方法,在掘进机俯仰控制时变性与液压系统非线性情况下的控制精度不高。掘进机俯仰控制通过控制液压缸行程实现,将传统PID算法与模糊控制、神经网络等相结合,可有效提高液压缸行程控制精度。提出... 目前煤矿掘进机俯仰控制主要采用PID控制方法,在掘进机俯仰控制时变性与液压系统非线性情况下的控制精度不高。掘进机俯仰控制通过控制液压缸行程实现,将传统PID算法与模糊控制、神经网络等相结合,可有效提高液压缸行程控制精度。提出了一种基于模糊神经网络PID的煤矿掘进机俯仰控制方法。通过分析掘进机支撑部运动学关系,得到俯仰角与支撑部液压缸的数学关系;介绍了掘进机俯仰控制液压系统工作原理,建立了液压系统及其传递函数模型;将模糊控制与神经网络相结合,形成模糊神经网络,利用模糊神经网络优化PID控制参数,再结合支撑机构数学模型和液压系统传递函数模型,建立掘进机俯仰角模糊神经网络PID控制模型,实现煤矿掘进机俯仰机构自动精确控制。该方法可使掘进机俯仰机构更加快速、准确到达预设位置,解决掘进机俯仰控制中的时变性与非线性难题。仿真结果表明:模糊神经网络PID控制算法相较于模糊PID和PID控制算法,跟踪误差分别降低了69.34%和74.49%。通过液压缸位移控制模拟煤矿掘进机在突变工况和跟随工况下的俯仰控制,结果表明:模糊神经网络PID控制算法相比模糊PID和PID控制算法,俯仰控制跟踪误差最小,对位置信号的平均响应时间分别缩短了27.22%和50.33%,动态控制性能更好。 展开更多

关键词 掘进机俯仰控制 俯仰角 模糊神经网络PID 液压系统 液压缸位移控制 支撑机构

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喷水式超声检测的声−流耦合模型

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作者 董明 贾浩驰 +3 位作者 陈渊 曹现刚 张广明 万翔 《声学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期1091-1098,共8页

为研究超声波在射流水柱中的传播特性,提出了喷水式超声检测的声−流耦合建模方法。使用计算流体动力学方法得到喷水探头内部流场的湍动能、速度和压力,并通过弱形式偏微分方程将其映射到声学网格作为声场分析的边界条件,用线性纳维−斯... 为研究超声波在射流水柱中的传播特性,提出了喷水式超声检测的声−流耦合建模方法。使用计算流体动力学方法得到喷水探头内部流场的湍动能、速度和压力,并通过弱形式偏微分方程将其映射到声学网格作为声场分析的边界条件,用线性纳维−斯托克斯方程求解湍动能、流速等引起的声学变化,建立了喷水式超声检测的声−流耦合模型。仿真计算了不同流速时工件内部的声压分布,进水口流速的变化不会改变工件中声压的分布规律,但空间声压幅值随着流速的增大而减小。仿真计算了不同流速时的平底孔回波,回波幅值随着流速的增大而减小,通过与实验结果对比,验证了本文方法的准确性。 展开更多

关键词 喷水式超声检测 声流耦合 网格映射 计算流体动力学

原文传递

基于改进滑模控制的悬臂式掘进机轨迹跟踪技术

10

作者 张旭辉 李语阳 +3 位作者 杨文娟 张超 郑西利 麻兵 《工程设计学报》 CSCD 北大核心 2024年第4期491-501,共11页

针对传统滑模控制在悬臂式掘进机轨迹跟踪中存在全局收敛速度慢、抖振显著等不足,提出了一种基于新型趋近律的改进滑模控制方法。通过在传统指数趋近律基础上引入掘进机机身的横向偏差、航向角偏差以及幂次趋近项,实现了掘进机轨迹偏差... 针对传统滑模控制在悬臂式掘进机轨迹跟踪中存在全局收敛速度慢、抖振显著等不足,提出了一种基于新型趋近律的改进滑模控制方法。通过在传统指数趋近律基础上引入掘进机机身的横向偏差、航向角偏差以及幂次趋近项,实现了掘进机轨迹偏差的快速收敛以及抖振的削弱;同时,采用边界层法进一步抑制抖振,解决了趋近律中符号函数乘积项易引起抖振的问题。分析了新型趋近律的存在性、可达性以及稳定性,并推导了干扰稳态误差的区间。考虑掘进机的不确定扰动,对传统滑模控制与改进滑模控制方法进行了仿真对比。结果表明,改进滑模控制的控制精度、收敛速度及抗干扰能力均优于传统滑模控制。最后,通过搭建实验平台测试了掘进机轨迹跟踪控制系统的性能,验证了改进滑模控制方法的可行性和有效性。研究结果可为煤矿井下恶劣环境中采掘装备的智能控制提供重要参考。 展开更多

关键词 悬臂式掘进机 新型趋近律 轨迹跟踪 滑模控制

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煤矿智能单轨吊研究进展与关键技术 被引量：12

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作者 马宏伟 段优优 +5 位作者 薛旭升 孙思雅 张烨 王川伟 郭逸风 崔闻达 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2023年第6期57-67,共11页

分析了目前常用的5种矿用单轨吊(即防爆柴油机单轨吊、防爆蓄电池单轨吊、气动单轨吊、绳牵引单轨吊和电缆拖挂单轨吊)的优缺点,指出防爆柴油机单轨吊和防爆蓄电池单轨吊因运输能力强,已广泛应用于煤矿井下设备及物料运输,防爆蓄电池单... 分析了目前常用的5种矿用单轨吊(即防爆柴油机单轨吊、防爆蓄电池单轨吊、气动单轨吊、绳牵引单轨吊和电缆拖挂单轨吊)的优缺点,指出防爆柴油机单轨吊和防爆蓄电池单轨吊因运输能力强,已广泛应用于煤矿井下设备及物料运输,防爆蓄电池单轨吊因其绿色清洁的特点,逐渐成为煤矿井下辅助运输的重点研发装备。从电池驱动、定位、测控、信息传输4个方面分析了矿用单轨吊系统的研究现状,指出目前的矿用单轨吊系统存在自动化、智能化水平低等问题,要实现单轨吊智能化运输,需研究单轨吊锂电池防爆及电池管理、全局与局部融合精确定位、多传感器信息融合智能测控、边缘计算信息传输等关键技术。针对锂电池防爆及电池管理技术,提出了基于变密度法的防爆大容量锂电池结构拓扑优化设计方法,及基于改进麻雀搜索算法/遗传算法的均衡管理方案;针对精确定位技术,提出了惯导+里程计融合的全局定位方法,及基于视觉+UWB组合的局部定位方法;针对智能测控技术,提出了基于递推最小二乘算法/二阶近似扩展卡尔曼滤波的智能检测方法、随动电子围栏实时构建方法和基于模糊规则的矢量控制方法;针对信息传输技术,提出了基于融合5G网络的“本地-近程-地面”通信系统架构,及基于边缘计算的分布式数据计算及传输方法。煤矿智能单轨吊关键技术问题和解决方案的提出,为加快煤矿智能单轨吊发展提供了一种新思路。 展开更多

关键词 智能单轨吊 防爆柴油机单轨吊 防爆蓄电池单轨吊 气动单轨吊 绳牵引单轨吊 电缆拖挂单轨吊 电池驱动 精确定位 智能测控 边缘计算信息传输

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护盾式智能掘进系统截割机器人截割能力研究 被引量：2

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作者 薛力猛 马宏伟 +1 位作者 王川伟 张恒 《西安科技大学学报》 CAS 北大核心 2023年第4期779-786,共8页

为研究全断面滚筒截割在不同硬度煤岩掘进截割过程中截割力变化规律及截割力与煤岩硬度的相互关系,攻克煤矿巷道护盾式智能掘进机器人系统截割控制难题,以护盾式智能掘进系统中的截割机器人为研究对象,采用理论分析、系统仿真和现场试... 为研究全断面滚筒截割在不同硬度煤岩掘进截割过程中截割力变化规律及截割力与煤岩硬度的相互关系,攻克煤矿巷道护盾式智能掘进机器人系统截割控制难题,以护盾式智能掘进系统中的截割机器人为研究对象,采用理论分析、系统仿真和现场试验等相结合的方法,研究护盾式智能掘进系统截割机器人截割能力。结果表明:当截割速度及截割深度一定时,截割力随煤岩硬度增大而增大;当截割煤岩硬度及截割速度不变时,截割机器人的截割力随截割深度的增加而增大,且截割速度、煤岩硬度不变时,可得到截割机器人的最大截割深度;截割机器人截割试验结果与仿真结果保持一致,对比误差在较小范围内。证明仿真研究方法可用于截割机器人截割作业控制的研究,来确定截割机器人的截割能力,为煤矿巷道快速掘进截割提供理论依据。 展开更多

关键词 护盾式智能掘进系统 截割机器人 运动学分析 截割能力

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多机械臂煤矸石智能分拣机器人关键共性技术研究 被引量：12

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作者 马宏伟 张烨 +2 位作者 王鹏 魏小荣 周文剑 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2023年第1期427-436,共10页

依据我国煤矿智能绿色发展战略,深入分析了国内外智能拣矸系统的研究现状,指出研发适用于井下的多机械臂煤矸石智能分拣机器人是破解煤矸分拣难题的重要发展方向,凝练了直接影响和制约我国煤矸石智能分拣高质量发展的“煤矸石准确识别... 依据我国煤矿智能绿色发展战略,深入分析了国内外智能拣矸系统的研究现状,指出研发适用于井下的多机械臂煤矸石智能分拣机器人是破解煤矸分拣难题的重要发展方向,凝练了直接影响和制约我国煤矸石智能分拣高质量发展的“煤矸石准确识别、精准跟踪和可靠抓取、多目标任务多机械臂协同分拣”三大关键共性技术难题,并给出了解决思路和方法。针对煤矿井下煤矸石被煤泥严重包裹识别难,提出了“X射线+视觉”煤矸石识别与匹配方法、基于点云数据的煤矸石抓取特征提取方法,实现目标矸石的快速识别和最优抓取特征提取;针对煤矸石形态各异、动态环境抓取难,提出了基于ORB+BEBLID特征的FLANN动态目标高效匹配方法、基于FDSST的动态目标精准跟踪方法、基于三环PID的机械臂同步跟踪轨迹规划方法,实现机械手对高速传输的动态矸石稳定抓取;针对煤矸石随机分布、障碍多、多机械臂任务分配难,提出了改进匈牙利算法的多机械臂动态空间协同分拣方法,确保系统收益的前提下实现多机械臂在动态空间中高效协同工作。现场工业性试验研究结果表明,针对三大关键共性技术所提出的方法能够有效破解煤矸石高效识别和抓取特征提取、机械臂动态目标同步跟踪稳定抓取、多机械臂高效协同分拣等难题,通过构建完整的多机械臂煤矸石智能分拣机器人系统,提高了煤矸石智能分拣系统的可靠性和分拣效率。 展开更多

关键词 煤矸石智能分拣 分拣机器人 煤矸识别 稳定抓取 智能协同分拣

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掘进工作面数字孪生体构建与平行智能控制方法 被引量：12

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作者 王岩 张旭辉 +4 位作者 曹现刚 赵友军 杨文娟 杜昱阳 石硕 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第S01期384-394,共11页

煤矿井下掘进工作面环境恶劣,巷道近程或地面远程智能控制决策依赖“人员-设备-巷道-环境”在数字空间与物理空间的交互协同。掘进工作面数字孪生体是实现数字掘进与物理掘进交互融合的重要手段。针对巷道近程或地面远程智能掘进场景的... 煤矿井下掘进工作面环境恶劣,巷道近程或地面远程智能控制决策依赖“人员-设备-巷道-环境”在数字空间与物理空间的交互协同。掘进工作面数字孪生体是实现数字掘进与物理掘进交互融合的重要手段。针对巷道近程或地面远程智能掘进场景的虚实交互控制需求,通过分析掘进工作面异构要素的静态特性、动态特性、行为规则及交互关系,构建了智能化掘进工作面数字孪生体模型,该模型由人员智能体、设备智能体、巷道智能体及巷道环境智能体组成,实现掘进工作面“人员-设备-巷道-环境”协同作业过程的高呈现性描述。引入服役状态离散化和事件驱动机制,提出了面向掘进工作面设备智能体的离散逻辑模型构建方法,并详细阐述了潜在事件监测、事件提取、状态离散化、状态演变动力学建模和事件驱动的状态跃迁5个建模步骤,通过研究掘进工作面并行作业过程中单智能体和多智能体的状态跃迁机制,实现了掘进工作面几何-物理模型与离散逻辑模型的有机融合,在数字空间融合为一个高忠实度的掘进工作面虚拟模型。在此基础上,引入平行控制理论,构建了基于数字孪生体与物理系统的掘进工作面平行智能控制架构,并将数字孪生体解构为描述子系统、预测子系统和引导子系统,实现数字孪生体与视觉定位、碰撞检测和掘进控制等计算推理模型的结合;利用虚拟仿真技术预测掘进工作面的状态变化趋势,寻求最优控制的安全边界,使数字掘进形成的优化决策辅助物理掘进控制,最终达到数字孪生体与物理实体智能协同、共智互驱的目标。以掘进工作面成形截割控制中的截割头与巷道碰撞检测为例,对比了基于视觉反馈的成形截割物理控制逻辑和基于虚实交互融合的平行智能控制逻辑,形成了掘进工作面成形截割远程智能控制状态跃迁机制,有效提升了掘进工作面“人员-设备-巷道-环境”全要素控制能力,为掘进工作面的巷道近程或地面远程智能控制提供了新的实施路径。 展开更多

关键词 掘进工作面 数字孪生体 平行智能控制 虚实交互 离散逻辑模型 多智能体

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煤矿掘进装备光纤惯导多源异构噪声降噪方法研究

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作者 毛清华 安炎基 +1 位作者 马宏伟 张飞 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2023年第2期390-399,共10页

煤矿掘进装备光纤惯导在井下掘进工作面易受振动与电磁等多源异构噪声干扰,导致掘进装备位姿检测准确性降低。因此,为消除噪声干扰对组合惯导定位检测影响,提出了一种改进经验模态分解(EMD)的光纤惯导多源异构噪声降噪方法。首先,根据... 煤矿掘进装备光纤惯导在井下掘进工作面易受振动与电磁等多源异构噪声干扰,导致掘进装备位姿检测准确性降低。因此,为消除噪声干扰对组合惯导定位检测影响,提出了一种改进经验模态分解(EMD)的光纤惯导多源异构噪声降噪方法。首先,根据井下掘进工作面环境噪声特性,分析多源异构噪声构成。然后,利用改进的EMD降噪方法对光纤惯导多源异构噪声进行降噪,该方法通过计算连续均方误差(CMSE)自适应筛选出有效本征模态函数(IMF),并通过设定阈值函数对各层有效IMF分量进行优化,重构优化后的有效IMF分量,从而获得降噪后的信号。为验证改进EMD方法的降噪效果,运用小波降噪方法、变分模态分解(VMD)降噪方法和改进EMD降噪方法进行了降噪对比试验,结果表明:改进EMD降噪方法降噪效果优于小波降噪和VMD降噪方法。为验证改进EMD方法对掘进装备位姿检测准确性的提升效果,对降噪前以及利用3种降噪方法降噪后的光纤惯导与位移传感器组合定位结果进行对比分析,结果表明:改进EMD方法对光纤惯导信号降噪后组合定位的位姿误差最小,且相较于降噪前大幅降低,与降噪前相比,俯仰角误差从0.113 1°下降到0.028 6°,横滚角误差从0.010 1°下降到0.003 8°,航向角误差从2.705 1°下降到0.027 2°,北向位置误差从36.887 2 m下降到0.082 2 m,东向位置误差从0.499 0 m下降到0.016 1 m,天向位置误差从0.914 1 m下降到0.014 3 m。提出的改进EMD降噪方法能够有效地滤除煤矿掘进装备光纤捷联惯导信号的多源异构噪声,为煤矿掘进装备精确定位奠定了良好基础。 展开更多

关键词 煤矿装备 掘进装备 光纤惯导 降噪 经验模态分解

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液压支架缸体环焊缝缺陷超声相控阵检测方法研究

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作者 董明 万回回 +3 位作者 孙思雅 苏成明 王昕 韩磊 《煤炭工程》 北大核心 2023年第11期154-159,共6页

针对液压缸长期在重载和交变载荷下运行,极易产生各种疲劳损伤,严重时引起缸体焊缝开裂,甚至引发爆缸的问题,对液压支架缸体焊缝检测方法进行了研究。由于焊缝表面不平整,声波垂直入射耦合效果差,将换能器安装在楔块上使得声波斜入射对... 针对液压缸长期在重载和交变载荷下运行,极易产生各种疲劳损伤,严重时引起缸体焊缝开裂,甚至引发爆缸的问题,对液压支架缸体焊缝检测方法进行了研究。由于焊缝表面不平整,声波垂直入射耦合效果差,将换能器安装在楔块上使得声波斜入射对焊缝进行检测。根据射线声学理论和Snell原理,确定超声波在楔块和工件中的传播路径,得到了楔块条件下超声相控阵延时法则计算公式。对楔块条件下单阵元空间脉冲响应进行延时叠加,得到了超声相控阵的空间声压模型,仿真得到了不同偏转角度时的声轴线声压,分析了在不同偏转角度下超声相控阵换能器辐射声场的特性。对含人工缺陷的焊缝试块进行相控阵实验,能发现不同位置的缺陷,对ZY9200/25/50D型液压支架缸体环焊缝进行现场检测,从相控阵图像上可以直接得到缺陷的位置和尺寸,通过声场仿真可为制定相控阵检测工艺参数提供指导。 展开更多

关键词 液压支架 超声相控阵检测 声场仿真 空间脉冲响应

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基于超声导波的方钻杆检测方法研究

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作者 万翔 潘华伟 +2 位作者 张旭辉 樊红卫 黄利平 《振动．测试与诊断》 EI CSCD 北大核心 2023年第6期1088-1094,1241,共8页

针对传统超声在检测长达十余米的方钻杆时效率极端低下的问题,提出基于超声导波的方钻杆检测方法。首先,利用半解析有限元方法,求解方钻杆结构的频散方程并绘制频散曲线,选择群速度值最大、曲线比较平坦、频率范围为70 kHz~130 kHz的L(0... 针对传统超声在检测长达十余米的方钻杆时效率极端低下的问题,提出基于超声导波的方钻杆检测方法。首先,利用半解析有限元方法,求解方钻杆结构的频散方程并绘制频散曲线,选择群速度值最大、曲线比较平坦、频率范围为70 kHz~130 kHz的L(0,2)作为方钻杆的检测模态;其次,优化选取中心频率为100 kHz的L(0,2)模态作为激励信号,以尺寸为25 mm×5 mm×0.5 mm的环形压电晶片阵列作为传感器,提高L(0,2)模态在100 kHz的信噪比;最后,基于仿真和实验方法,采用L(0,2)模态导波对方钻杆进行了检测。结果表明,L(0,2)超声导波能够有效检测整根方钻杆面上和棱上的圆孔及槽型缺陷,提高了检测效率,为方钻杆的检测提供了一种新的思路和方法。 展开更多

关键词 超声导波 方钻杆 半解析有限元 频散曲线

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一种基于暗亮通道分割融合的低照度环境图像去尘雾及增强方法 被引量：1

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作者 樊红卫 张超 +3 位作者 曹现刚 刘金鹏 张旭辉 赵寒 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期2167-2178,共12页

受煤矿井下粉尘、水雾和低照度环境影响,对皮带运输系统的监测图像精准识别极为困难。针对现有去尘雾方法的图像处理结果和效率欠佳的问题,提出一种基于暗亮通道分割融合的低照度环境图像去尘雾及增强方法。首先利用阈值分割结合伽马变... 受煤矿井下粉尘、水雾和低照度环境影响,对皮带运输系统的监测图像精准识别极为困难。针对现有去尘雾方法的图像处理结果和效率欠佳的问题,提出一种基于暗亮通道分割融合的低照度环境图像去尘雾及增强方法。首先利用阈值分割结合伽马变换修正通道差,解决因低照度环境影响导致的尘雾浓度较大区域与其他区域间像素值差异不明显的问题,修正后通过引导尘雾图像做引导滤波得到更加符合实际情况的全局大气光强;然后为解决暗通道先验在尘雾浓度较大区域失效问题,引入亮通道先验进行补充,使用通道分量来辅助暗通道及亮通道透射率融合,避免因多次分割而导致的边缘像素归属问题;最后将去雾后RGB图像转至HSV空间,对亮度分量进行直方图均衡化并将均衡化前后的亮度分量进行加权融合,采用客观指标评价,选择最优聚合权值进行聚合,同时考虑去雾过程中饱和度损失和亮度分量与饱和度分量间的相关性提出饱和度自适应矫正函数,对图像饱和度进行矫正,色调分量保持不变,随后将图像转回至RGB空间,得到亮度适中、信息保留丰富和色彩鲜艳的图像;为验证所提方法的有效性,采用主观视觉、客观指标和目标检测精度及置信度进行算法对比,实验结果表明所提方法在上述4个指标上均优于被对比算法,其图像细节保留丰富,图像视觉观感更佳。 展开更多

关键词 低照度 暗通道 亮通道 分割融合 图像去雾 图像增强

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煤矿井下非均匀照度图像去噪研究 被引量：1

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作者 张旭辉 麻兵 +2 位作者 杨文娟 董征 李语阳 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2024年第2期1-8,共8页

煤矿综采工作面空间小、照明环境复杂多变,采煤过程中伴随着大量的粉尘、大雾,导致采集的图像出现曝光、细节特征减弱等问题,难以对井下照明区域光照强度过大的图像进行有效的特征提取。针对上述问题,提出了一种煤矿井下非均匀照度图像... 煤矿综采工作面空间小、照明环境复杂多变,采煤过程中伴随着大量的粉尘、大雾,导致采集的图像出现曝光、细节特征减弱等问题,难以对井下照明区域光照强度过大的图像进行有效的特征提取。针对上述问题,提出了一种煤矿井下非均匀照度图像去噪算法。首先,将视频截取为图像,判断图像是否需要进行光照抑制,将需要进行光照抑制的RGB图像拆分通道,并计算每个通道的光照调节因子,实现图像的整体光照调节;然后,将未进行整体光照抑制的图像和经整体光照抑制的图像进行反射分量提取,即将输入的图像转换为HSV空间图像,使用单尺度Retinex(SSR)算法对V通道图像中的光照分量进行单独处理,将V分量中的入射分量去除,保留反射分量,并对反射分量使用直方图均衡算法实现光照均衡化处理;最后,使用基于引导滤波的暗通道先验算法对经过光照处理后的图像进行去雾处理,并使用伽马校正函数重新调节亮度不均的图像。主观评价结果表明:提出的煤矿井下非均匀照度图像去噪算法有效抑制了因光照导致整体亮度较高的问题,且由于大雾、粉尘等因素导致图像模糊的部分更加清晰,图像的细节特征更加突出。采用信息熵、均值、标准差、空间频率4种评价指标对提出的算法效果进行客观评价,结果表明,提出的算法在信息熵、均值、标准差、空间频率上较多尺度Retinex(MSR)算法分别平均提升了21.87%,-56.06%,153.43%,294.45%,较基于颜色保持的多尺度视网膜增强(MSRCP)算法分别平均提升了1.18%,-39.56%,33.29%,-4.71%,较带色彩恢复的多尺度视网膜增强(MSRCR)算法分别平均提升了38.06%,-55.27%,462.10%,300.96%,说明提出的算法能更有效地增加图像信息量、抑制光照强度、提升边缘信息及图像清晰度。 展开更多

关键词 综采工作面 煤矿井下图像去噪 非均匀光照 高光抑制 亮度均衡 图像去雾 伽马校正

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数字孪生驱动的巷道自动成形截割虚拟调试方法研究 被引量：1

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作者 张旭辉 刘彦徽 +4 位作者 杨文娟 张超 杜昱阳 杨骏豪 杨雯雨 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2024年第7期1-11,31,共12页

针对目前巷道自动成形截割控制调试周期长、调试成本大、安全风险大、成形质量难以评价等问题,提出了一种数字孪生驱动的巷道自动成形截割虚拟调试方法。采用基于即时外观建图(RTAP−MAP)技术重建巷道三维环境,构建掘进机控制系统模型,... 针对目前巷道自动成形截割控制调试周期长、调试成本大、安全风险大、成形质量难以评价等问题,提出了一种数字孪生驱动的巷道自动成形截割虚拟调试方法。采用基于即时外观建图(RTAP−MAP)技术重建巷道三维环境,构建掘进机控制系统模型,形成虚拟调试环境,并利用虚拟传感器技术实现物理空间到虚拟环境状态的精准映射。针对难以量化评估断面成形质量的问题,确立了巷道自动成形截割性能评价方法,以断面成形截割控制过程在数据传输中心的记录为基础,主要对断面成形精度、截割效率与油缸开关次数、硬岩切割调整、超挖欠挖4个评价指标进行计算,从而为深度学习算法的迭代优化提供精准反馈信号,并提出了一种融合强化学习的自动截割控制策略,以提高自动化作业的适应性和精确度。为验证该虚拟调试方法的有效性和准确性,搭建了掘进机自动控制实验平台,并将虚拟调试系统应用于掘进巷道成形截割自动控制程序中。虚拟仿真结果表明:①被调试软件在控制关键点位处的X,Y,Z轴定位误差的最大值分别为74.8,72.93,123.67 mm,说明虚拟调试方法的定位精度达到性能要求。②虚拟样机与物理样机轨迹基本一致,说明该调试方法实现了对物理空间的映射。应用结果表明:①强化学习控制器在虚拟掘进测试中适应了复杂环境,将虚拟传感器输入有效转换为精准控制指令,验证了模拟−现实迁移训练的可行性。通过处理掘进精度和避免超欠挖的实时反馈,控制器学习并优化了策略。②优化后的断面成形截割控制性能得到了提升,根据数据库中控制量时间戳的记录,用时126 s,较优化前耗时减少了8 s。③优化后截割部末端轨迹跟踪最大误差为6.0 mm,较优化前降低了0.3 mm,避免了截割轨迹抖动导致的欠挖,同时使得轨迹和断面更加平滑。 展开更多

关键词 巷道自动成形截割 数字孪生 虚拟调试 虚拟传感器 虚实坐标转换

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