《煤炭科学技术》“机电工程与智能化”专业 | 网络首发

《煤炭科学技术》“机电工程与智能化”栏目主要刊登矿山机械装备、供电与通信、装备自动化、智能感知与系统集成、煤矿机器人等领域的文章。为促进科研成果快速传播、提高论文可见度，编辑部整理了近半年来“机电工程与智能化”专业录用并网络首发的文章，供读者参考（以投稿时间排序，扫码下载全文）。

行业视野: 智能化
类别; 82个
关键词; 101位
专家; 18篇
论文; 975IP
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基于LSTM的液压支架尾梁倾角预测方法

作者(Author)：姚钰鹏 , 张境麟 , 熊武

摘要：综放开采是我国特厚煤层主要的开采方式，放煤执行机构控制精度很大程度上依赖于尾梁姿态的数据反馈。为了提高放煤执行机构的控制精度，提出了一种基于长短期记忆神经网络（LSTM）的支架尾梁倾角预测方法。将与尾梁放煤动作相关的支架底板绝对坐标、尾梁倾角、尾梁相对高度、移架速率和立柱压力作为RNN卷积网络和LSTM神经网络的输入变量，使用某煤矿综放工作面放煤历史数据对支架尾梁姿态预测模型进行训练和验证，建立支架尾梁姿态预测模型，对尾梁倾角进行连续16小时预测，结果预测的尾梁倾角曲线与实际尾梁倾角曲线的拟合程度达98.7%。在综采放顶煤工作面开展了3～4个生产班的液压支架尾梁倾角预测试验，经过对比分析预测的尾梁倾角曲线与实际尾梁倾角曲线，当置信区间为(0.98，1.02)时，连续生产16小时预测准确率为98.40%。基于LSTM的支架尾梁倾角姿态预测方法解决了电液控系统自适应放煤作业尾梁倾角控制问题，为综放工作面无人放煤奠定了基础。

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煤矿井下点云特征提取和配准算法改进与激光SLAM研究

作者(Author)：薛光辉 , 张钲昊 , 张桂艺 , 李瑞雪

摘要：激光SLAM在狭长局促的煤矿井下非结构化环境中面临退化问题的挑战，在特征很少或者特征复杂的情况下，位姿估计不准确，导致建图失真甚至失败。针对煤矿井下非结构退化环境中激光点云特征提取与配准困难的问题，提出了一种融合FPFH和ICP算法的二阶段点云特征提取及配准的方法，首先构建源点云和目标点云的kd-tree结构，利用统计滤波和体素滤波降低点云数量，提取点云表面法线并计算关键点云的快速点特征直方图特征描述子，再利用采样一致性初始配准算法进行粗配准，然后采用ICP算法进行精配准，以提升点云配准的准确性和位姿估计的精度；改进了LIO-SAM算法的特征提取和配准算法以及后端回环因子图优化算法，提升其关键局部特征识别与配准能力，利用Scan Context全局描述符闭环因子改善其闭环检测性能，以获得精确的全局一致性地图。利用M2DGR公开数据集测试了改进算法的性能，开展了两种煤矿井下典型场景的模拟SLAM实验，验证改进算法在特征提取和配准方面的有效性。测试和实验结果表明，与传统的LIO-SAM算法相比，改进算法的位姿估计和点云配准精度更高，相对位姿误差的平均误差改善了6.52%，绝对位姿误差的最大误差降低了18.84%，构建的地图无明显失真，建图误差均在1%以内，可实现非结构化退化环境的高精度全局一致性地图构建。

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基于阻塞栅格地图的煤矿救援机器人路径规划

作者(Author)：邵小强, 刘明乾, 马博, 李浩, 吕植越, 韩泽辉

摘要：针对矿难发生后，煤矿救援机器人面对井下复杂环境使用路径规划算法耗时太长，路径规划过程中产生冗余点过多且易陷入死锁的问题，提出一种基于类型匹配的栅格地图阻塞算法，该算法可通过迭代阻塞以减少栅格地图中无需探索的可通行节点数量。算法的阻塞过程利用定义的栅格节点和其邻节点构成的3×3子图类型与栅格地图进行匹配。首先根据路径规划算法的寻路特点定义可阻塞栅格类型和不可阻塞栅格类型；然后按照各种类型特征进行建模，为每种类型设置权重和偏置；最后将各类型子图与初始栅格地图通过二维卷积操作进行匹配以阻塞无需拓展节点，在使用基于栅格地图的路径规划算法之前对输入栅格地图进行阻塞处理。阻塞节点不会断开原始栅格地图中存在最小成本路径。实验结果表明，该算法可应用于各种栅格环境地图中，在真实煤矿井下栅格地图环境下，与单独使用路径规划算法相比，使用本文算法结合A*算法与仅使用A*算法相比，该算法结合A*算法路径规划总时间减少60.0%，拓展节点数量减少60.4%；结合蚁群算法与仅使用蚁群算法相比，该算法结合蚁群算法路径规划总时间减少55.8%，迭代次数减少53.7%。所提算法极大缩小了路径规划时间，解决了路径规划死锁问题，在复杂环境地图中优势明显，保证事故救援的及时性。

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基于自适应光照估计的Retinex-Net矿井图像增强算法研究

作者(Author)：田丰, 陈婷婷, 刘晓佩

摘要：随着煤矿智能化建设的逐步推进，智能视频监控系统越来越多的应用于煤矿井下。然而受粉尘、水雾及光源等因素的影响，视频监控系统采集的图像往往存在亮度低、光照不均匀、信息丢失、细节模糊等问题，导致煤矿井下视频监控视觉效果差，极大影响了后续图像分析与智能决策。因此，研究煤矿井下图像增强方法具有重要意义。针对非均匀照明下井下图像出现的局部区域亮度低和细节特征缺失的问题，提出了一种基于自适应估计的改进Retinex-Net井下图像增强算法。设计了分解网络来分离图像的照度分量和反射分量；在反射分量处理中，引入了融合通道和空间注意力的注意力模块CBAM（Convolutional Block Attention Module），进一步提升图像的细节和对比度，使图像更加清晰；在光照估计网络中构建渐进式的光照优化过程，通过多个网络层的级联，逐步优化光照分量的估计，引入了自校准模块，能够自动调整光照分量的估计值，使其更加接近真实的光照条件，最后将优化后的照度分量和反射分量结合，得到增强后的井下图像。基于自建井下图像数据集，改进算法较其他算法，其平均梯度、峰值信噪比、结构相似性、信息熵分别提高了25%、17%、24%、8%。实验结果表明，该算法能有效地提高光照不均匀照明中暗区域的图像亮度，增加图像细节信息，提高图像质量。

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液压支架供液系统快速泵控补液稳压方法研究

作者(Author)：曹超, 赵继云, 高凯, 王浩, 李冉, 刘浩, 张鹤

摘要：针对目前液压支架跟机动作过程中系统供液流量适配不及时、不合理导致的系统压力冲击大、波动频繁等问题，提出了基于伺服泵的快速泵控补液稳压供液系统新构型，推导出适应支架动作的稳压供液流量的计算模型，给出了快速泵控补液稳压供液系统构型中伺服泵参数配置方法。搭建了AMESim与Simulink联合仿真模型，按照对应不同支架动作的差异性稳压供液流量策略，对比了多泵联动传统供液形式与快速泵控补液稳压供液形式下的系统压力变动特性和支架动作周期，并进行实验验证。结果表明：根据系统压力变化趋势、执行机构结构参数，能够准确得出执行机构不同动作的需液量，进而形成稳压补液流量计算方法；结合快速泵控补液稳压供液方式，改善了系统压力变动特性，并加快了支架动作周期，支架动作过程中升柱和顺序推溜动作压力波动幅值分别减少23%和56%，动作时间分别缩短了1.5%和5%，降柱和拉架动作的系统压力波动次数减少，动作时间分别缩短了5.7%和3.2%。支架整个动作过程中供液系统压力均不低于卸载阀恢复压力，系统压力波动次数减少25%，支架整体动作时间缩短了4.2%。表明供液系统快速泵控补液稳压方法有效降低了液压支架供液系统的压力冲击幅值和频次，并提高了液压支架的动作速度。

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基于视觉与惯导的掘进机组合定位方法

作者(Author)：万继成, 张旭辉, 杨文娟, 张超, 董征, 杜昱阳, 雷孟宇, 陈鑫, 杨骏豪

摘要：针对煤矿井下掘进机单一位姿测量方法导致的掘进机位姿精度低、测量稳定性差的问题，提出了一种基于视觉和光纤惯导的掘进机组合定位方法。以固定在巷道顶板上的三激光指向仪作为特征目标，构建了基于三激光标靶的掘进机机身位姿视觉测量系统，采用机载防爆工业相机采集激光标靶，通过图像处理得到激光指向仪光斑中心位置，结合掘进机机身位姿视觉测量模型及空间坐标转化得到掘进机位姿数据。同时利用安装在掘进机机身上的光纤惯导实时获得掘进机的位置和姿态信息，采用拉格朗日三点插值法将视觉位姿数据和惯导位姿数据在时间上进行配准处理后，运用卡尔曼滤波融合算法对视觉测量数据和光纤惯导数据进行融合。采用两者融合后的位姿数据对惯导累积误差进行补偿校正，对测量系统传感器的输出有效性进行判断，消除了惯导长时间积分运算导致的累积误差及视觉标靶短时遮挡、数据丢失对融合结果的影响，从而获得掘进机实时精确位姿数据。在实验室搭建实验平台，对视觉定位方法及组合定位方法进行评估，在60m测量距离内，视觉定位最大位置误差在35 mm以内，最大姿态角误差在0.5°以内，组合定位位置误差在30 mm以内，定位结果更接近真实位移。同时在煤矿井下工业现场对掘进机视觉与惯导融合定位进行了试验，结果表明，视觉与惯导融合定位方法能够克服井下复杂工况影响，弥补了单一测量方法的不足，且掘进机机身定位误差在30mm以内，姿态角误差在0.5°以内，满足巷道施工精度要求。

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综采工作面隔爆巡检机器人设计及工程实践

作者(Author)：关士远

摘要：针对目前由于综采工作面工况恶劣，本安型巡检机器人存在通过性差、防护能力弱、感知技术手段有限，不能实现常态化运行等问题，本文提出隔爆巡检机器人方案，以应对综采工作面严苛工作环境。分析了轨道式巡检机器人在该环境下遇到的三种典型的工况：爬坡、错切、扭转。基于轨道式巡检机器人遇到的三种典型工况，设计了一种具有多自由度的隔爆巡检机器人，该巡检机器人除具有视频感知手段外，还增加了激光slam实时建图能力，能提供精确的三维感知能力，并且其感知能力不受光照条件的影响，能在无光条件下使用。针对爬坡工况，采用履带式行走机构；针对错切工况，设计了具有前后两组差速驱动的行走机构，其具有主动转向功能；针对扭转工况，在车身中部增加了纵向转轴。为了对其进行有效的控制，确保其在综采工作面平稳运行，充分考虑其具有约束的特点，分析得出其具有轨迹及底盘约束的运动学模型。同时介绍了该巡检机器人的控制方法，依据激光slam所建的实时三维激光点云地图，提取参考轨迹，根据参考轨迹实时计算各个履带主动轮的速度给定。基于运动学模型，提出一种模型预测控制算法，采用主从控制策略，模型预测控制只在前组驱动实现，后组驱动的控制量根据前组的速度给定及约束计算得出。该控制算法在计算复杂度及实时性方面做了平衡，控制算法基于ROS系统实现。最后，通过充分的井下工业性实验，验证了该控制方法能有效地解决爬坡、错切、扭转等综采工作面的苛刻工况，能在综采工作面执行常态化巡检任务。

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基于扩展无向图的煤矿救援多机器人自主探索方法

作者(Author)：周林娜, 吴体昊, 黄新利, 杨春雨, 张鑫

摘要：煤矿灾后环境退化，救援任务复杂艰巨，利用多机器人系统协同搜救可提高救援效率。针对井下灾后复杂环境，提出基于扩展无向图的多机器人自主探索方法。首先，基于救援需求构建煤矿救援多机器人自主探索系统架构和算法流程；其次，各机器人在局部空间进行视点采样与探索增益计算构建局部图并确定待访问点，利用A*算法优化局部图最短探索路径；当局部图探索增益不足时进行全局图探索，各机器人共享全局图并以增量方式扩展，协同全局图搜索算法求解各车的全局图探索最短路径。最后，使用3台不同型号的机器人进行实车试验，并与基于边界点方法的常用多机器人自主探索算法对比，本文算法在探索完整度上提高了51%、探索时间节约了58%以上。

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