《工矿自动化》煤矿智能掘进技术 · 虚拟专题

来源：《工矿自动化》

近年来，巷道掘进制约采煤已成为煤炭生产的瓶颈和痛点。随着机械化、智能化、无人化在我国煤矿的逐渐普及，对煤矿生产提出“采掘并重，掘进先行”的要求，掘进工作面的智能化成为重要的研究领域，并取得了一系列成果。本刊整理了近年来发表的煤矿智能掘进技术代表性文章，以期促进同行交流。

行业视野: 智能化
类别; 81个
关键词; 50位
专家; 14篇
论文; 3160IP
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基于激光靶向跟踪的悬臂式掘进机位姿测量系统研究

作者(Author)：薛光辉, 李圆, 张云飞

摘要：掘进机位姿准确快速测量是煤矿巷道智能掘进的前提和基础。目前悬臂式掘进机位姿测量存在非绝对位姿测量、测量精度低、布置复杂或仅能测量少数位姿参数等问题，无法满足智能掘进需要。针对上述问题，在基于激光靶向跟踪的悬臂式掘进机位姿测量方法的基础上，设计了一种基于激光靶向跟踪的悬臂式掘进机位姿测量系统。该系统由激光跟踪装置和激光标靶组成，激光跟踪装置安装在巷道后方，发射激光到安装在悬臂式掘进机机身上的激光标靶上并跟踪激光标靶移动，通过求解激光跟踪装置、激光标靶、掘进机和巷道等坐标系间的转换矩阵即可测得掘进方向位置、偏距、高度、偏向角、俯仰角和翻滚角6个绝对位姿参数，实现了悬臂式掘进机在巷道大地坐标系中绝对位姿的全参数实时测量。分析了该系统的误差影响因素，仿真得到了其误差分布规律：随着掘进距离增加，掘进机姿态测量误差在一定范围内变化，偏距和高度测量误差呈线性增加趋势；在5～80 m测量范围内，掘进机偏向角、俯仰角和翻滚角测量误差分别小于1.4,1,0.03°，掘进方向位置测量误差小于5 mm，偏距和高度测量误差均小于20 mm。利用履带式机器人底盘搭建了位姿测量实验系统，开展了其在模拟巷道中的位姿测量实验，结果表明，掘进方向位置、偏距和高度测量误差均小于5 mm，偏向角测量误差小于1°，俯仰角测量误差小于0.6°，翻滚角测量误差可忽略不计，与仿真结果一致，证明了该系统的可靠性。

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工矿自动化

2022年第07期

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基于近红外双目立体视觉的悬臂式掘进机定位研究

作者(Author)：王学, 周红旭, 张雷, 王华英

摘要：针对现有掘进机无法实时定位、定位不准确、视觉定位中相机视野被遮挡导致定位失败等问题，提出了一种将基于近红外双目立体视觉的悬臂式掘进机定位方案。在悬臂式掘进机机身与机臂安装近红外LED标靶，以LED作为近红外标靶构建掘进机特征信息，通过图像处理、位姿解算实现掘进机机身与截割部的三维空间定位。双目立体视觉相机安装在巷道顶部，随着掘进机不断推进，掘进机与双目立体视觉相机距离逐渐增加，造成双目图像获取失败，进而导致视觉解算截割部位姿失败。针对该问题，引入基于一维卷积神经网络（1D-CNN）的掘进机截割部磁场辅助定位方法。在掘进机机身两侧安装三轴数字磁场计，并在机臂处安装永磁体，以磁场的强度分量和双目立体视觉相机获取的位姿数据作为训练数据，构建1D-CNN模型，输出在视觉测量失效情况下掘进机截割部位姿。从深度信息和掘进机机身及截割部位姿2个方面对基于近红外双目立体视觉的悬臂式掘进机定位方案进行实验，结果表明：机身测量误差在±11 mm以内，相对误差在0.4%以内。截割部测量误差在±50 mm以内，相对误差在1%以内；掘进机机身与截割部间的相对位姿误差在±2.5°以内，俯仰角的均方根误差为根0.930 1°，偏航角的均方根误差为0.922 0°。上述误差在巷道作业允许范围内，验证了该方案的有效性和可靠性。对基于1D-CNN的掘进机截割部磁场辅助定位方法进行了有效性验证，为模拟井下复杂磁场环境，在掘进机附近随机添加干扰磁源，结果表明：该方法对掘进机截割部俯仰角、偏航角、翻滚角的预测值与测量的真实值基本吻合，预测的俯仰角、偏航角、翻滚角决定系数分别为0.992 4,0.995 9,0.917 4，说明基于1D-CNN的掘进机截割部磁场辅助定位方法能够较好地满足在视觉定位失效下的掘进机定位需求。

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工矿自动化

2022年第07期

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悬臂式掘进机位姿视觉检测系统改进

作者(Author)：张旭辉, 王恒, 沈奇峰, 杨文娟, 张超

摘要：煤矿井下粉尘浓度高、照度低，图像采集质量和特征提取效果受粉尘浓度影响较大，而相机参数和图像处理参数不能根据粉尘浓度变化自适应调整，易产生点-线特征提取不稳定和图像丢帧等问题。针对上述问题，对掘进机位姿视觉检测系统进行改进，利用矿用防爆工业相机采集不同粉尘浓度下的激光点-线图像，通过透过率建立图像灰度值与粉尘浓度等级的关系模型，通过实验获取不同粉尘浓度等级下的最优相机参数和图像处理参数；提出一种参数自适应调整算法，根据粉尘浓度等级自适应调整参数值，提高图像采集质量和点-线特征提取的稳定性和精度，进而提高掘进机位姿视觉检测系统的精度。实验结果表明：改进后悬臂式掘进机位姿视觉检测系统在X,Y,Z方向的平均测量误差分别为28.26,30.58,22.54 mm，处理100张图像后得到的可用图像从75张提高到90张，说明参数自适应调整算法有效提高了图像特征提取精度和数据可用性，从而保证了悬臂式掘进机位姿视觉检测系统的精度和稳定性。

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工矿自动化

2022年第05期

182

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煤矿护盾式掘进机器人系统精确定位研究

作者(Author)：马宏伟, 杨金科, 毛清华, 汪强

摘要：目前煤矿井下掘进装备定位方法大多采用机器视觉、里程计、全站仪等单一的辅助测量方式与惯导组合测量来抑制惯导解算随时间所产生的位置累计误差,但是单一的辅助测量方式易受井下环境的影响,位置测量存在一定的误差,从而导致与惯导组合测量方法的精度降低。针对上述问题,以煤矿护盾式掘进机器人系统为研究对象,提出了一种捷联惯导+数字全站仪+位移传感器的组合定位方法。首先采用捷联惯导解算出掘进机器人的位置与姿态角参数;然后利用数字全站仪测量的掘进机器人位置信息与位移传感器推算的掘进机器人位置信息对捷联惯导解算出的位置信息进行反馈修正,以减小惯导随时间所产生的位置累计误差;最后利用基于联邦滤波器的多信息融合算法将捷联惯导解算出的位置及姿态角信息、全站仪测量得到的位置信息及位移传感器推算得到的位置信息进行融合,从而得到掘进机器人准确的位姿信息。仿真及工业性试验结果表明:该组合定位方法能够很好地抑制纯惯导位置解算误差累计,实现煤矿护盾式掘进机器人的精确定位,x轴和y轴方向上的位置误差分别控制在±0.03 m和±0.02 m,满足井下掘进工作面要求。

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工矿自动化

2022年第03期

296

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基于数字孪生的煤矿掘进机器人纠偏控制研究

作者(Author)：薛旭升, 任众孚, 毛清华, 张旭辉, 马宏伟, 王悦

摘要：针对复杂巷道环境下掘进机器人自主纠偏控制难题，通过分析掘进机器人偏移原因，明确了掘进机器人纠偏控制功能需求，提出了一种基于数字孪生的煤矿掘进机器人纠偏控制系统，介绍了系统组成；以掘进机器人对中纠偏为例，分析了系统纠偏控制机理，提出了基于双目视觉图像信息的掘进机器人纠偏控制方法，以双目视觉检测的巷道图像为基础数据，通过提取巷道图像特征及分析巷道坐标系与掘进机器人坐标系关系，解算出掘进机器人相对于巷道空间的位姿参数，根据解算结果对掘进机器人进行纠偏控制；构建了掘进机器人及巷道数字模型和定位定向参数数据库，通过虚实映射关系，实现了掘进机器人虚拟远程纠偏控制。实验结果表明，基于数字孪生的煤矿掘进机器人纠偏控制系统在不同工况下均可有效补偿掘进机器人偏航角和偏移距离，纠偏过程可实时显示在监测监控界面，且纠偏路径规划仿真结果与实际工况一致。

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工矿自动化

2022年第01期

352

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交替测量式掘进机定位系统误差建模与分析

作者(Author)：李志海, 刘治翔, 谢苗, 李玉岐, 王帅

摘要：交替测量式掘进机定位技术在多次交替测量过程中会产生累计测量误差，从而影响掘进机定位精度。目前主要围绕单次测量误差产生原因、误差分布规律及误差减小方法展开研究，未有针对多次交替测量误差分布规律的研究成果。通过分析交替测量式掘进机定位系统工作原理及定位过程，构建了掘进机定位误差模型。采用作图法验证误差模型的正确性，结果表明作图法与误差模型得到的定位误差基本一致，二者仅存在10-3数量级误差。通过误差模型研究了角度测量误差、测距误差、推移步长及掘进机与测量平台间距对掘进机定位误差的影响，结果表明：角度测量误差越大，定位误差曲线的曲率越大，即误差增大越快，且YT轴定位误差增大速度远大于XT轴；测距误差对XT轴定位误差影响较大，测距误差越小，初始XT轴定位误差越小，但误差变化速度不受影响；随着推移步长增大，YT轴定位误差曲线曲率增大，即YT轴定位误差增大速度加快；掘进机与测量平台间距和推移步长对掘进机定位误差的影响基本是等效的。采用正交试验方法分析了各因素对掘进机定位误差的影响程度，结果表明：测距误差对XT轴定位误差影响最大，其次为角度测量误差，推移步长和掘进机与测量平台间距影响最小且二者影响程度一致；角度测量误差对YT轴定位误差影响最大，其次为推移步长和掘进机与测量平台间距且二者影响程度一致，测距误差影响最小。通过极差分析方法得到了降低定位误差的最优参数组合。

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工矿自动化

2022年第01期

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242