《工矿自动化》“煤矿机器人技术” | 虚拟专题

来源：工矿自动化

煤矿机器人的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。近年来，我国煤炭科技工作者立足学科发展前沿，致力于煤矿机器人技术攻关，突破了一系列关键技术难题。本刊整理了近期发表的煤矿机器人技术代表性文章，以期促进学术交流与合作。

行业视野: 工矿自动化
类别; 184个
关键词; 114位
专家; 31篇
论文; 4286IP
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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

作者(Author)：马宏伟, 李烺, 薛旭升, 王川伟, 王赛赛, 赵英杰, 周文剑, 张恒

摘要：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。

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2024年第07期

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2
煤矿巡检机器人路径规划方法

作者(Author)：朱洪波, 花荣

摘要：路径规划是巡检机器人自主移动的关键技术。煤矿巡检机器人采用快速扩展随机树（RRT）算法规划路径时存在收敛速度慢、搜索效率低等问题。针对该问题，提出了一种合力势场引导RRT算法：利用合力势场中的斥力场构建动态步长，使煤矿巡检机器人在障碍物附近调整步长，提高算法收敛速度；利用目标节点和随机节点2个方向上的引力场与最近障碍物对煤矿巡检机器人产生的斥力场形成的合力场来改善新节点的生成方向，降低树在扩展时的随机性，提高算法搜索效率。对基于合力势场引导RRT算法规划的路径进行剪枝操作，并利用三阶贝塞尔曲线进行平滑处理。在Matlab软件中对基于合力势场引导RRT算法的煤矿巡检机器人路径规划方法进行仿真实验，结果表明：与RRT算法和RRT*算法相比，简单环境下合力势场引导RRT算法的路径规划时间平均值分别减少了33.84%和44.27%，路径长度平均值分别减少了15.29%和4.42%，复杂环境下路径规划时间平均值分别减少了34.93%和47.12%，路径长度平均值分别减少了13.64%和9.44%，模拟煤矿环境下路径规划时间平均值分别减少了28.06%和42.67%，路径长度平均值分别减少了12.22%和10.18%；对基于合力势场引导RRT算法规划的路径进行剪枝和平滑操作后，路径转折点减少，路径角度变化减小，路径更加平滑。

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2024年第07期

141

2
融合改进A*算法与动态窗口法的煤矿足式机器人路径规划

作者(Author)：王利民, 孙瑞峰, 翟国栋, 张佳伟, 徐弘, 赵杰, 化一行

摘要：为提高煤矿足式机器人路径规划算法的运行效率、搜索精度及避障灵活性，提出了一种融合改进A*算法与动态窗口法（DWA）的煤矿足式机器人路径规划方法。首先对A*算法进行改进，通过去冗余节点策略减短规划路径的长度，通过改进邻域搜索方式和代价函数提高路径规划速度，采用分段二阶贝塞尔曲线进行路径平滑。将改进A*算法规划出的路径节点依次作为局部路径规划DWA的局部目标点进行算法融合，筛选邻近的障碍物节点，从而再次缩短路径长度，并通过调整DWA代价函数中的权值比例提升避障性能。针对机器人遇到无法避开的障碍物而陷入“假死”状态的问题，以当前初始点为起点，重新调用融合算法，即重新进行全局路径规划，将得到的新节点代替原有的局部目标点，按照新路径进行后续工作。仿真结果表明：在保证机器人行走安全稳定的基础上，改进A*算法较传统A*算法的计算时间缩短了65%，路径长度缩短了24.1%，路径节点数量减少了27.65%，最终得出的路径更为平滑；融合算法进一步提升了全局路径规划能力，在多障碍物环境下能够绕开新增的动态和静态障碍物；机器人遇到“L”型障碍物进入“假死”状态时，在“假死”位置重新进行全局路径规划，更新行走路径，成功到达了最终目标点。基于融合算法的JetHexa六足机器人路径规划实验结果验证了融合算法的有效性和优越性。

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2024年第06期

79

2
煤矿井下移动机器人多传感器自适应融合SLAM方法

作者(Author)：马艾强, 姚顽强

摘要：基于同时定位与建图（SLAM）技术的移动机器人能够快速、准确、自动化地采集空间数据，进行空间智能感知和环境地图构建，是实现煤矿智能化和无人化的关键。针对目前煤矿井下多传感器融合SLAM方法存在机器人前端位姿估计退化失效和后端融合精度不足的问题，提出了一种煤矿井下移动机器人激光雷达（LiDAR）−视觉−惯性（IMU）自适应融合SLAM方法。对LiDAR点云数据进行聚类分割，提取线面特征，利用IMU预积分状态进行畸变校正，采用基于自适应Gamma校正和对比度受限的自适应直方图均衡化（CLAHE）的图像增强算法处理低照度图像，再提取视觉点线特征。用IMU预积分状态为LiDAR特征匹配与视觉特征跟踪提供位姿初始值。根据LiDAR相邻帧的线面特征匹配得到移动机器人位姿，之后进行视觉点线特征跟踪，分别计算LiDAR、视觉、IMU位姿变化值，通过设定动态阈值来检测前端里程计的稳定性，自适应选取最优位姿。对不同传感器构建残差项，包括点云匹配残差、IMU预积分残差、视觉点线残差、边缘化残差。为了兼顾精度与实时性，基于滑动窗口实现激光点云特征、视觉特征、IMU测量的多源数据联合非线性优化，实现煤矿井下连续可用、精确可靠的SLAM。对图像增强前后效果进行试验验证，结果表明，基于自适应Gamma校正和CLAHE的图像增强算法能显著提升背光区和光照区的亮度和对比度，增加图像中的特征信息，大幅提升特征点提取数量和匹配质量，匹配成功率达90.7%。为验证所提方法的性能，在狭长走廊和煤矿巷道场景下进行试验验证，结果表明，所提方法在狭长走廊场景的定位均方根误差为0.15 m，构建的点云地图一致性较高；在煤矿巷道场景中的定位均方根误差为0.19 m，构建的点云地图可真实地反映煤矿井下环境。

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2024年第05期

147

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基于扩展卡尔曼滤波的清仓机器人位姿识别方法

作者(Author)：李贵虎, 高贵军, 李军霞, 贾雪峰

摘要：煤矿水仓巷道光照强度不均匀且结构化特征明显，传统基于视觉的机器人位姿识别方法识别不准确，而单一的机器人定位技术如自适应蒙特卡洛（AMCL）方法随着清仓机器人的长时间运行，输出的位姿信息存在较大累计误差，易出现煤泥清理不干净、与两侧巷道发生碰撞的情况。针对上述问题，提出了一种基于扩展卡尔曼滤波的多传感器融合清仓机器人位姿识别方法。首先搭建多传感器融合算法框架，建立里程计、惯性测量装置、激光雷达数据采集模型；其次基于扩展卡尔曼滤波原理，以惯性测量装置角度信息建立观测方程，结合里程计位姿信息，得到第1次融合的清仓机器人位姿矩阵，利用激光雷达的位置信息与之前的位姿矩阵进行迭代，得到第2次融合的清仓机器人位姿矩阵；最后采用互补滤波算法对融合后的清仓机器人位姿矩阵进行处理，输出最终的清仓机器人位姿矩阵。实验结果表明：在直线位姿识别中2次的最大位置误差为0.04 m，最大姿态角误差为0.05 rad；在模拟巷道实验中的最大位置误差为0.1 m，最大姿态角误差为0.085 rad；与AMCL方法相比，基于扩展卡尔曼滤波的清仓机器人位姿识别方法在减少清仓机器人运行过程中的累计误差方面表现出显著的有效性。

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2024年第05期

106

2
基于改进人工势场算法的煤矿井下机器人路径规划

作者(Author)：薛光辉, 王梓杰, 王一凡, 李亚男, 刘文海

摘要：路径规划是煤矿机器人在煤矿井下狭小巷道空间中应用亟待解决的关键技术之一。针对传统人工势场（APF）算法在狭小巷道环境中规划出的路径可能离巷道边界过近，以及在障碍物附近易出现目标不可达和路径振荡等问题，提出了一种基于改进APF算法的煤矿机器人路径规划方法。参考《煤矿安全规程》有关规定建立了巷道两帮边界势场，将机器人行驶路径尽量规划在巷道中间，以提高机器人行驶安全性；在障碍物斥力势场中引入调节因子，以解决目标不可达问题；引入转角限制系数以平滑规划出的路径，减少振荡，提高规划效率，保证规划路径的安全性。仿真结果表明：当目标点离障碍物很近时，改进APF算法可成功规划出能够抵达目标点的路径；改进APF算法规划周期数较传统算法平均减少了14.48%，转向角度变化累计值平均减少了87.41%，曲率绝对值之和平均减少了78.09%，表明改进APF算法规划的路径更加平滑，路径长度更短，规划效率和安全性更高。

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2024年第05期

80

3
煤矿巷道七自由度喷浆机器人轨迹规划与跟踪控制

作者(Author)：程欢, 邓立营

摘要：针对煤矿巷道喷浆机器人施工过程中存在的动作不连续、位置误差大、稳定性低等问题，提出了一种煤矿巷道七自由度喷浆机器人轨迹规划与跟踪控制方法。根据喷浆机器人静止时工作臂的运动范围和喷枪沿巷道走向的喷浆长度，将巷道划分为若干待喷截面，并规划机器人在每一截面间的移动轨迹和各截面上的工作臂运动轨迹，从而保证机器人在喷浆过程中动作连续。建立了喷浆机器人运动学模型，先采用三次多项式插值法对机器人移动轨迹进行规划，再通过模型预测控制算法对三次多项式插值生成的参考轨迹进行跟踪控制，实现机器人在巷道内精确、平稳移动。根据标准的D−H参数法建立了工作臂运动学模型，采用3−5−3分段多项式插值法对机器人在待喷截面的工作臂运动轨迹进行规划，使工作臂在喷浆过程中具有连续的加速度。仿真结果表明，喷浆机器人移动过程中最大位置误差为0.07 m，最大方向角误差仅为0.99 rad，移动速度整体稳定，且速度发生波动后能快速回到稳定状态，满足机器人移动准确、平稳的要求；工作臂运动过程中，喷浆轨迹、关节变量变化、关节速度和加速度曲线整体连续、平滑，满足喷浆动作连续、稳定的要求。

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2024年第01期

133

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一种矿用管道检测机器人设计及牵引性能分析

作者(Author)：赵鹏洋, 闫宏伟, 张登崤, 肖粲俊, 何勃龙

摘要：针对瓦斯抽采管道破损泄漏检测问题，设计了一种具有管道检测和运动控制功能的螺旋式矿用管道检测机器人，介绍了该机器人的结构和检测与控制系统方案。建立了机器人在管道中运行的力学分析模型，并通过动力学仿真研究了影响机器人牵引性能的因素，结果表明：机器人在管道内运行时的牵引力与管道材质、螺旋角、管壁与驱动轮之间法向力有关；机器人在不同材质的管道中运行时最佳螺旋角不同，在相同材质的管道中运行时，无介质运输情况下牵引力高于有介质运输情况；机器人牵引力随法向力的增大而增大，但最佳螺旋角无明显变化；随着螺旋角增大，牵引力先增大后减小，螺旋角为40°时牵引力最大。为提高机器人通过弯管时的性能，提出一种变螺旋角过弯策略，即机器人主动控制螺旋角随螺旋运动单元转动以正弦式规律变化，使管道内侧的螺旋角小于外侧。搭建机器人测试平台对矿用管道检测机器人进行测试，结果表明：机器人在直管中运行的最佳螺旋角为40°；可通过增加法向力来提升机器人的牵引性能；采用变螺旋角过弯策略时，机器人在弯管中的通过性能和平稳性优于定螺旋角过弯。

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2024年第01期

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