主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“煤矿机器人智能化技术”专题

来源:工矿自动化

煤矿生产系统庞大而复杂,作业环境恶劣,灾害重、风险大、下井人员多、危险岗位多,在煤矿生产的部分环节中引入机器人技术对减少井下作业人数、降低安全风险、提高生产效率、减轻矿工劳动强度具有重要意义。2019年1月,国家煤矿安全监察局制定并发布了《煤矿机器人重点研发目录》,目录列出了针对采煤、掘进、运输、安控、救援等5类共38种煤矿井下机器人,对每种机器人的功能提出了具体要求,并要求大力研发应用煤矿机器人。煤矿机器人的研发,是实现煤炭高质量发展的必由之路。煤矿机器人应用,是煤炭开采技术革命的重要标志,是推动煤炭工业高质量发展的强大动力。为探索机器人替代人工,加快机械化换人、自动化减人向智能化无人化迈进,交流探讨先进经验和技术,促进产学研用深度融合,推进煤矿机器人研发应用的高质量发展,本刊组织策划了"煤矿机器人智能化技术"专题,本专题报道的煤矿机器人技术涉及救援、掘进、巡检、选矸、防爆等煤矿生产的各个方面。特别感谢西安科技大学马宏伟教授和郑学召教授对本专题组稿工作的支持!衷心感谢各位专家学者在百忙中为本专题撰稿。

行业视野

智能化

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  • 作者(Author): 王国法, 庞义辉, 刘峰, 刘见中, 范京道, 吴群英, 孟祥军, 徐亚军, 任怀伟, 杜毅博, 赵国瑞, 李明忠, 马英, 张金虎

    摘要:针对我国智能化煤矿尚没有统一标准,无法对煤矿智能化建设和发展水平进行科学合理定量评价的问题,开展了智能化煤矿生产技术条件分类与智能化程度分级评价指标体系研究,提出了煤矿智能化程度的定义及量化指标,结合不同区域、不同开采条件智能化煤矿建设实际,制定了智能化煤矿分类、分级评价指标体系与评价方法,开发了智能化煤矿分类、分级评价软件系统。首先以煤矿所在区域、地质条件为基本指标,以矿井开采技术参数、开采效率、安全水平、建设基础为参考要素,建立智能化煤矿分类评价指标体系,将煤矿分类评价条件分为良好、中等、复杂3类;然后,根据煤矿分类评价结果,对不同类别煤矿进行智能化程度的分级评价。基于智能化煤矿开拓、生产、运营等主要流程,将智能化煤矿巨系统细分为信息基础设施、智能地质保障系统、智能综采系统、智能掘进系统、智能主煤流运输系统、智能辅助运输系统、智能综合保障系统、智能安全监控系统、智能分选系统、智能经营管理系统等10个主要智能化系统,提出了智能化煤矿10个主系统及相关子系统智能化程度评价指标体系。针对不同生产技术条件分类的煤矿,采用与之相适应的智能化评价指标体系,就可以对煤矿智能化程度进行定量评价。按照综合评价结果,将智能化煤矿划分为甲、乙、丙和不合格4个等级。以陕北某矿智能化建设工程为例证,进行了矿井生产技术条件分类与智能化程度分级评价分析,验证了评价指标体系与评价方法的科学性与可靠性,评价结果不仅可以反映该矿井的智能化建设水平,也可以为新建智能化煤矿和生产煤矿的智能化建设与升级改造提供依据。
  • 作者(Author): 胡坤, 张志远, 李德永, 王爽

    摘要:针对双摇臂履带式矿山机器人结构设计中的多目标优化问题,提出了基于GA-PSO算法的双摇臂履带式矿山机器人结构优化设计方案。通过机器人越障过程的几何学和运动学分析,得出机器人越障最大高度和质心位置变换的影响因素;根据矿山机器人工作要求建立约束条件,得到多目标优化函数,通过引入权重系数,将多目标优化问题转换为单目标优化问题;利用GA-PSO算法对单目标优化问题进行求解,得到机器人最优结构参数:车体质量为10kg,摇臂质量为5kg,前后轮距离为600mm,驱动轮半径为115mm。仿真结果表明,采用该结构参数设计的机器人完成目标动作所需的能耗低于其他设计方案,更加易于实现目标动作。
  • 作者(Author): 王鹏, 曹现刚, 夏晶, 吴旭东, 马宏伟

    摘要:现有煤矸石分拣方法主要是根据煤和岩石的纹理特征值,利用图像处理和模式识别技术对煤矸石进行识别分选,分选的煤矸石粒度为25~150mm,而对于150mm以上的煤矸石仍依靠人工进行分选。为了对大粒度煤矸石进行分拣,设计了一种基于机器视觉的多机械臂煤矸石分拣机器人系统。该系统采用机器视觉采集煤矸石信息,应用深度学习方法实现煤矸石识别和抓取特征提取;在获取煤矸石序列信息后,根据煤矸石位置进行排序工作,并通过多目标任务分配策略将抓取任务下达给相应机械臂控制器;机械臂获取任务后,根据获得的任务对目标进行动态监测,当目标进入机械臂工作空间后由视觉伺服系统驱动机械臂完成煤矸石分拣。试验结果表明,该系统可对粒度为50~260mm的煤矸石进行高效、快速分拣,所采用的煤矸石识别方法和分拣策略在不同带速下具有良好的稳定性和准确性,煤矸识别与定位的综合准确率可达93%,验证了该系统的可行性。
  • 作者(Author): 杨文娟, 张旭辉, 张超, 赵建勋, 马宏伟

    摘要:针对目前煤矿井下掘进过程自动化程度低、掘进效率低、巷道成型质量差等问题,提出了一种悬臂式掘进机器人巷道成形智能截割控制系统。该系统结合巷道尺寸和截割工艺要求,基于三次多项式光滑函数的悬臂式掘进机器人关节空间轨迹规划方法,通过建立的悬臂式掘进机器人坐标系统及悬臂式掘进机器人运动学正问题与逆问题求解,确定轨迹规划光滑函数参数;规划好截割轨迹后,以视觉定位方法获得的悬臂式掘进机器人截割头位姿数据作为反馈量,基于反馈线性化积分滑模控制器的截割轨迹控制算法实时计算控制量,以规划轨迹点和视觉测量位姿点构建反馈控制系统,实现对悬臂式掘进机器人巷道成形截割过程的动态控制。实验结果表明,该系统能够实现悬臂式掘进机器人巷道成形截割过程的智能控制,定位精度高,稳定性好,轨迹跟踪误差小于25.61mm,可满足巷道成形质量需求。
  • 作者(Author): 文虎, 刘洋, 郑学召, 郭军

    摘要:针对目前矿山机器人适应性差、通信能力弱、机动性差等问题,设计了矿山救援机器人群。该机器人群主要包括通信机器人、搜救机器人、辅助救援机器人和数据处理中心。通信机器人利用超宽带雷达进行生命探测,找出被困人员的具体位置,同时通过内置中继设备保证救援过程中的信息传输;搜救机器人按照实时路径规划行驶并传回音频、视频、井下环境信息,在找到被困人员之后充当通信设备,构建救援人员与被困人员的通信渠道;辅助救援机器人包括负责打通救援路径的清障机器人和为被困人员输送救援物品的物资运送机器人;数据处理中心根据被困人员位置信息,通过GIS规划搜救机器人的搜救路线,并根据井下实时信息进行路径修正。机器人群中各类机器人相互协作、功能互补、信息统一化处理,可有效减少因灾后环境不明而带来的二次伤害,提高救援效率。
  • 作者(Author): 贾勇骁, 郑学召, 崔嘉明, 郭军, 费金彪

    摘要:针对现有煤田火灾无人机监测技术存在的续航时间短、数据采集周期较长、红外热图像精确度不高、数据传输和处理速度慢等问题,研究了基于单一/集群飞行的无人机监测技术、红外及可见光双视监测技术及基于4G网络的数据传输与处理技术。设计了无人机多站多机集群飞行方式,通过航线规划和独立控制实现对大面积煤田区域的快速监测;采用红外双视热成像仪进行数据采集,无人机在等间距航点处悬停时触发红外双视热成像仪拍照采集红外热图像和可见光图像;以4G网络作为信号传输渠道,依靠数据采集前端和数据处理软件的协同作用,实现数据采集、传输和处理的同步。现场应用结果表明,2台无人机采集254张红外热图像和254张可见光图像,完成数据采集和图像前期处理耗时150min,图像合成耗时10h,与现有技术相比,极大缩短了监测时间;采集的红外热图像所显示的温度与实地温度测试结果重合度在90%以上,表明利用无人机进行煤田火灾监测是有效、可行的。
  • 作者(Author): 王岩, 马宏伟, 王星, 杨林

    摘要:针对煤矿井下无GPS信号、低照度、结构化环境等特点,提出了一种基于迭代最近点(ICP)的井下无人机实时位姿估计方法。通过建立四旋翼无人机运动模型与机载激光雷达观测模型,将煤矿井下四旋翼无人机位姿估计问题转换为机载激光点云数据的扫描匹配问题。用三维激光雷达作为四旋翼无人机机载环境测量传感器,得到无人机当前位姿下的观测点云数据;以第1帧位置为初始位,通过ICP方法得到连续2帧点云数据之间的相对变换矩阵,迭代求解连续关键帧点云数据,得到煤矿井下四旋翼无人机实时位姿估计结果。采用滤波与下采样方法对点云数据进行优化,加速变换矩阵的求解,满足四旋翼无人机位姿估计实时性需求。实验结果表明,基于ICP的井下无人机实时位姿估计方法能够快速、有效地求解四旋翼无人机位姿,相比于正态分布变换方法,ICP方法更适用于煤矿井下四旋翼无人机的实时位姿估计。
  • 作者(Author): 杨林, 马宏伟, 王岩, 王川伟, 张珍珍

    摘要:针对煤矿井下无GPS环境下巡检机器人自主定位问题,研究了基于激光雷达的同步定位与地图构建方法。首先建立激光雷达观测模型和里程计预测模型,将机器人定位和地图构建的实际问题转换为概率数学模型的逻辑推理问题。同时采用自适应蒙特卡罗定位算法进行机器人实时位姿估计,提出了根据粒子权重(地图的匹配度)进行重采样的方法,以去除权重小的粒子,实现了用较少、较好粒子精确表达机器人位姿的后验概率分布,满足机器人利用传感器在栅格地图上实时定位的需求。通过对Fast-SLAM算法进行优化,减少了粒子数量,缓解了粒子耗散,提高了地图构建的精确性。实验结果表明,基于激光雷达的同步定位与地图构建方法有效解决了巡检机器人实时位姿估计和环境地图构建的问题,结合自适应蒙特卡罗定位算法和优化Fast-SLAM算法提高了机器人定位的自适应性和地图构建的精确性。

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