《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; 4287IP
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基于改进OpenPlanner算法的移动机器人局部路径规划

作者(Author)：张志伟, 马小平, 白亚腾, 雷震亚, 李佳明

摘要：现有局部路径规划算法仅实现了移动机器人在场景内自由移动,但局部路径生成并未考虑场景内道路限制,对于一些规则化的结构道路并不适用。OpenPlanner算法很好地解决了该问题,但传统OpenPlanner算法规划的局部路径不满足移动机器人最大转向曲率约束而无法被移动机器人有效跟踪。针对上述问题,从状态采样和评价函数2个方面对传统OpenPlanner算法进行改进,并将改进OpenPlanner算法用于移动机器人局部路径规划。在状态采样阶段,通过设计双层局部路径簇来扩大最优局部路径解空间,其中首层局部路径簇入段纵向采样距离与行驶速度呈分段线性关系,次层局部路径簇入段纵向采样距离为首层局部路径簇的1.5倍;在路径筛选阶段,将路径曲率代价(由局部路径上各采样点曲率求和得到)引入评价函数,确保局部路径簇满足移动机器人的最大转向曲率约束,从而使局部路径被移动机器人所跟踪。实验结果表明:与传统OpenPlanner算法相比,改进OpenPlanner算法筛选的最优局部路径转向更加平缓,在无障碍物、有障碍物场景下平均曲率分别减小了31.3%,6.2%,且局部路径能够被移动机器人较好地跟踪。

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2023年第12期

62

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煤矿井下群机器人高效任务分配算法

作者(Author)：吴文臻

摘要：松散型合作群机器人系统在现阶段煤矿辅助机器人作业中具有广泛应用前景。但松散型合作群机器人系统的任务分配过程未向划分过程进行反馈，导致任务划分与分配过程高效性与合理性不足。针对该问题，提出一种基于改进型鲁宾斯坦协商策略的煤矿井下群机器人高效任务分配算法。根据群机器人系统任务划分与分配过程的多方博弈特点，将鲁宾斯坦协商策略由双方博弈向多方共同博弈方向延伸，提出多方协商博弈的“出价−讨价−还价”规则。从机器人个体执行能力与任务执行情况差异的角度出发，提出基于机器人个体单位时间任务完成量的折扣因子计算方法，以及基于各分配周期任务执行情况的任务完成状态反馈参数模型，以实现任务的动态划分与分配。通过3组机器人合作执行煤矿矿区的整体监测任务，对算法性能开展实验验证，结果表明：① 算法3（采用改进型鲁宾斯坦协商策略）的任务划分与分配效率较算法1（将每组无人机数量与运行速度乘积的比例直接作为3组无人机任务划分与分配的标准）、算法2（使用多方共同协商的鲁宾斯坦协商策略，但不考虑任务完成状态反馈参数）分别提升了30.10%，18.29%。② 基于算法3的3组无人机执行任务的平均最大时间差为42 s，较算法1、算法2分别优化了77.66%，65.29%，这是由于算法3通过引入任务完成状态反馈参数，及时对任务参与方的任务执行过程进行评估，将任务的分配和执行过程向任务的划分阶段进行反馈，使任务的划分与分配更加准确。

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2023年第08期

148

37
基于改进概率路线图算法的煤矿机器人路径规划方法

作者(Author)：薛光辉, 刘爽, 王梓杰, 李亚男

摘要：路径规划是煤矿机器人在煤矿井下非结构化狭长受限空间中应用亟待解决的关键技术之一。针对传统概率路线图（PRM）算法在空间狭长封闭巷道环境中难以保障采样的节点均匀分布于自由空间中导致路径规划失效，以及节点可能距离障碍物较近导致规划的路径可通行性差等问题，提出了一种基于改进PRM算法的煤矿机器人路径规划方法。在构造阶段引入人工势场法，将落在障碍物中的节点沿与其距离最近自由空间中的节点连线方向推至自由空间，并在障碍物边缘建立斥力场，实现节点的均匀分布且使其距离障碍物有一定距离；在查询阶段融合D* Lite算法，当遇到动态障碍物或前方无法通行时可实现路径的重规划。仿真结果表明：改进PRM算法的节点均匀分布在自由空间中，且均距离障碍物一定距离，提高了路径规划的安全性；当节点数为100个时，改进PRM算法成功率较传统PRM算法提高了25%；随着节点数增加，传统PRM算法和改进PRM算法路径规划成功次数均呈增长趋势，但改进PRM算法在效率方面优势更明显；当节点数为400个时，改进PRM算法运行效率较传统PRM算法提高了35.13%，且规划的路径更平滑，路径长度更短；当障碍物突然出现时，改进PRM算法能够实现路径的重规划。

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2023年第06期

112

37
基于煤岩可钻性的钻孔机器人自适应控制方法

作者(Author)：李旺年, 张幼振, 田宏亮, 李泉新, 魏宏超

摘要：由于含煤地层的地质力学环境复杂，导致钻孔机器人给进系统的给进阻力和回转系统的负载转矩复杂多样。现有技术仅通过既定程序控制执行机构进行流程化的动作，钻进过程的自适应智能控制水平低，当钻进工况变化时易造成卡钻、断钻等事故，降低钻孔机器人的钻进效率，影响工作周期。针对该问题，提出一种基于煤岩可钻性的钻孔机器人给进回转双回路PID自适应控制方法。首先以钻进效率和钻进安全为控制目标，选择钻压、转矩作为煤岩可钻性模型的输入参数，运用小波包分解对钻进过程数据进行特征提取，得到样本数据和测试集，利用BP神经网络进行训练和验证，建立煤岩可钻性模型，获取当前钻进工况下推荐钻速和转速。然后基于煤岩可钻性模型，设计了基于PID控制的恒转矩控制策略和恒钻速控制策略，钻孔机器人给进回转控制系统通过恒转矩控制回路对设定钻压进行调整以实现恒转矩控制，通过恒钻速控制回路对设定转矩进行调整以实现恒钻速控制，在确保其安全工作下提高钻进效率。最后建立反映给进回转负载的钻头−煤岩相互作用模型并对钻孔机器人给进回转双回路PID自适应控制方法进行仿真测试。结果表明：① 在煤岩硬度不变时，该控制方法可以实现恒转矩和恒钻速控制，转矩保持在2 000 N·m，钻速保持在6 mm/s。② 在50 s时，增大煤岩硬度，采用自适应调整策略后，钻孔机器人给进回转控制系统的钻压、转速等可以很快达到稳定状态。③ 若推荐钻速6 mm/s对应的实际转矩2 350 N·m超过钻孔机器人工作允许的负载转矩，且其实际转速85 r/min小于推荐转速的95%时，通过钻速微调模块降低推荐钻速设定值，进而通过调整钻压使钻孔机器人的转矩调整至最优转矩，确保钻孔机器人再次稳定在恒转矩和恒钻速控制状态。

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2023年第06期

166

78
基于图像检测的煤矸分拣机器人实验平台

作者(Author)：李三喜, 李亚男, 王梓杰, 侯鹏, 薛光辉

摘要：目前煤矸预分选仍多为人工完成，劳动强度大、分拣效率低，且存在安全隐患，利用煤矸分拣机器人代替人工完成煤矸预分选是保障工人健康和安全、提高作业效率的有效途径。然而现有的煤矸分拣机器人在弱光照强度、煤矸表面覆盖煤粉等情况下的效果较差，针对上述问题，提出了基于图像检测的煤矸分拣机器人实验平台。该实验平台通过工业相机采集煤矸图像，利用ResNet18-YOLOv3深度学习算法对图像中的煤矸进行识别，采用TCP通信将矸石的位置信息提供给煤矸分拣模块进行轨迹规划，控制机械臂对矸石进行夹取，完成矸石分拣作业。采用Halcon标定法对实验平台进行手眼标定，从而实现相机像素坐标与机械臂空间坐标的转换；对实验平台进行了定位误差标定，对于尺寸均为50 mm以上的煤矸样本，定位误差不大于9 mm。实验结果表明，该实验平台在强光照条件下的煤矸识别准确率达99%，在弱光照条件下的煤矸识别准确率为95%，在煤粉附着条件下的煤矸识别准确率不低于82%，且煤矸分拣准确率为82%。

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2023年第07期

141

36
综采工作面巡检机器人自主定位方法

作者(Author)：黄西平, 杨飞

摘要：目前综采工作面巡检机器人中应用较广泛的是轨道式机器人，机器人经过轨道连接件时会产生抖动，造成惯性导航/里程计组合定位误差增大。针对该问题，在惯性导航/里程计组合导航算法的基础上，采用基于抖动检测的分段滤波方法，实现巡检机器人的自主定位。根据巡检机器人经过轨道连接件时的陀螺仪数据，采用滑动窗口方法对机器人俯仰角速度进行动态分析，通过求导数和判断局部最大上升沿和局部最大下降沿，当最大上升沿与最大下降沿交替出现时，即认为识别到轨道连接件，实现抖动检测，从而将机器人运动状态分为平稳运行状态和抖动状态。当机器人处于平稳运行状态时，陀螺仪和里程计数据均较平稳，此时用惯性导航/里程计组合导航方式进行滤波解算，同时根据陀螺仪数据应该稳定在零值附近的特性来矫正陀螺仪误差；当机器人处于抖动状态时，里程计可能会由于车轮打滑、弹起悬空而产生误差，此时采用纯惯性导航算法消除里程计误差对组合导航定位的影响。实验结果表明，抖动检测算法可准确判断轨道连接件，基于抖动检测的分段滤波方法能有效提升巡检机器人定位精度，平均定位误差小于5 mm，满足综采工作面精确定位要求。

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2023年第04期

116
基于双目视觉的掘锚机器人行驶位移检测方法

作者(Author)：马宏伟, 晁勇, 薛旭升, 毛清华, 王川伟

摘要：针对掘锚机器人在行驶过程中存在行驶位移检测精度低的问题，以已支护锚杆为定位基准，通过分析掘锚机器人与已支护锚杆之间的距离关系，建立“掘锚机器人-已支护锚杆”定位模型，提出一种基于双目视觉的掘锚机器人行驶位移检测方法。煤矿井下环境复杂，采用传统的Census变换算法得到的视差图具有局限性，通过分析双目视觉测距原理，提出一种改进Census变换算法获取锚杆的视差图，得到锚杆图像的深度信息；提出一种锚杆特征的识别与定位方法，利用边缘检测算法对视差图中的锚杆进行轮廓提取，采用最小外接矩形与最大外接矩形算法对锚杆轮廓进行框选，提取锚杆特征点的像素坐标，通过分析坐标转换关系将特征点像素坐标转换为世界坐标，采用最小二乘法将特征点空间坐标拟合成一条直线，经过该直线建立平行于巷道截面的平面，解算双目相机与该平面之间的距离，进而得到掘锚机器人与该平面之间的距离。搭建移动机器人平台进行掘锚机器人行驶位移检测实验，结果表明：改进后的Census变换算法使误匹配率从19.85%降低到11.52%，较传统Census变换算法的误匹配率降低了41.96%；锚杆特征点识别与定位方法能够有效提取锚杆特征点的空间坐标，经过直线拟合得到相机与3个平行截面之间的距离分别为3 010.428,2 215.910,1 415.127 mm。在机器人定位实验中，将真实计算位移与理论位移进行对比，结果表明，真实计算位移曲线与理论位移曲线基本重合，理论位移与计算位移误差不超过20 mm，可实现掘锚机器人的自主、准确、实时位移检测。

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2022年第12期

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煤矿带式输送机分拣机器人异物识别与定位系统设计

作者(Author)：薛旭升, 杨星云, 齐广浩, 马宏伟, 毛清华, 尚新芒

摘要：机器视觉已在煤矿带式输送机分拣机器人目标检测与识别方面具有一定的理论基础，但目前煤矿带式输送机分拣机器人目标识别主要针对煤矸石识别，对造成输送带穿透、撕裂等的异物目标识别的研究较少，且在目标异物精确定位方面的研究也较少。针对上述问题，设计了一种基于机器视觉的煤矿带式输送机分拣机器人异物识别与定位系统，可对输送带上存在的不同类型和不同形状的异物进行识别与定位。采用双目视觉实时获取输送带上异物图像信息，并对图像进行预处理，基于Canny算子进行图像信息增强，通过灰度拉伸方法改进图像边缘信息，突出煤矿带式输送机上异物的边缘特征；利用形态学方法提取异物形状特征，建立异物图像特征样本库，通过图像特征匹配的方式解算出异物存在区域，实现异物类型的检测、分类与识别；在异物类型成功识别的基础上，以目标异物边缘特征值为基础，建立目标异物的感兴趣区域(ROI)，构建相机、输送带与目标异物坐标转换关系，利用多目标质心快速计算方法求取目标异物质心坐标，实现对目标异物的定位。系统样机实验结果表明：煤矿带式输送机分拣机器人异物识别与定位系统异物识别率不受尺寸、材质和颜色等因素影响，能够实现输送带目标异物图像的采集、处理、特征提取、识别和位置定位，识别率为92.5%以上，目标异物位置定位平均误差为3%左右。

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2022年第12期

167

110

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