《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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煤矿消防灭火机器人系统设计

作者(Author)：陈骋, 陈秀田, 朱明亮

摘要：消防灭火机器人是煤矿井下防灭火治理及灾后救援的重要装备，但目前针对煤矿井下复杂地形的机器人定位、路径规划、火灾险情识别及精准灭火等方面的研究较少。针对该问题，提出了一种煤矿消防灭火机器人系统设计方案。结合超宽带（UWB）、激光雷达技术，采用迭代最近点（ICP）算法实现机器人定位初始化；结合惯性测量装置和里程计数据，采用自适应蒙特卡洛定位（AMCL）算法实现机器人实时定位，实测定位精度达5～10 cm；通过加入寻找新目标点的容忍距离参数对A*算法进行优化，并采用优化A*算法实现机器人路径规划，测试结果表明，采用优化A*算法进行路径规划用时短，规划的路径合理；通过先验知识生成着火点特征图片库，采用模板匹配方法识别险情目标，测试结果表明，机器人对动态多着火点的虚警率在10%以内，识别率达90%，满足应用要求；采用速度、位置双闭环的串级控制器实现云台俯仰轴和偏航轴角度控制，并通过云台控制将消防弹投射至险情目标，为煤矿精准灭火提供技术支持。

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工矿自动化

2022年第04期

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煤矸石分拣机器人动态目标稳定抓取轨迹规划

作者(Author)：马宏伟, 孙那新, 张烨, 王鹏, 曹现刚, 夏晶

摘要：针对机器人分拣煤矸石时，因输送带打滑、左右摆动而造成矸石定位不准确、机械臂末端抓取失败和载荷冲击等问题，提出了一种基于机器视觉的煤矸石分拣机器人动态目标稳定抓取轨迹规划方法。首先，采用基于HU不变矩图像匹配算法对目标矸石进行匹配识别并获取目标矸石位姿；其次，分别建立机器人和相机-机器人运动学方程，并进行正逆求解，实现基于视觉的目标矸石精确定位；最后，采用位置-速度-加速度三环PID控制算法进行目标矸石动态跟踪，即位置环控制器的输入为获取的目标矸石精确位置，位置环控制器的输出作为速度环控制器的输入，速度环控制器的输出作为加速度环控制器的输入，将加速度环控制器的输出叠加到伺服电动机上，使机械臂末端与目标矸石达到位置、速度同步运动的效果，实现平稳快速抓取。采用Matlab对三环PID控制算法、三维比例导引算法和三维偏置比例导引算法进行仿真对比，结果表明：对动态目标的跟踪抓取在追随式、同步式和拦截式3种情况下，三环PID控制算法的响应时间、跟踪抓取时间均较比例导引算法及偏置比例导引算法短，且三环PID控制算法在整个过程中各轴速度、加速度连续、平滑，没有出现突变情况，可实现动态目标同步跟踪、精准抓取。在煤矸石分拣系统平台上应用三环PID控制算法、比例导引算法和偏置比例导引算法进行适应性实验，结果表明：3种算法在机器人运行时各个关节均未超限；三环PID控制算法完成抓取的平均时间比比例导引算法和偏置比例导引算法短；三环PID控制算法在抓取点的平均速度偏差在1 mm/s左右，跟踪速度偏差较小，可满足对高速度目标的同步跟踪、精准抓取要求。

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2022年第04期

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煤矿巡检机器人控制系统设计

作者(Author)：蔡治华, 周东旭, 赵明辉

摘要：针对传统煤矿巡检机器人控制系统多采用裸机程序进行控制，导致实时性差、数据易丢失等问题，设计了一种基于QT和RT-Thread的煤矿巡检机器人控制系统。该系统按照功能划分为上位机-人机交互控制台和下位机-微控制器2个部分。利用QT软件开发了巡检机器人控制系统上位机，为用户提供人机交互界面，完成对巡检机器人的远程控制，显示传感器数据与报警记录，提升了人机交互性能；利用RT-Thread实时操作系统开发了巡检机器人控制系统下位机，通过线程调度器以时间片轮转方式调度传感器数据采集、以太网通信、雷达信号处理、指示灯报警等线程任务，实现了机器人自动巡检过程中多线程任务之间的宏观并行，提高了控制系统实时性；在控制系统中设计环形队列数据缓冲区，解决上下位机之间运行时钟不同步引起的数据丢失问题，并通过引入内核对象信号量对环形队列数据缓冲区进行优化，解决线程任务间的资源互斥问题，实现上下位机之间数据长时间稳定、可靠传输。测试结果表明，该系统线程切换延迟时间平均值为1.08μs，在数据传输周期为100 ms时的数据丢失率仅为0.06%，具有很高的实时性，且线程切换过程稳定性好，保证了大量数据快速传输时的可靠性。

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2022年第05期

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基于G-RRT*算法的煤矸石分拣机器人路径规划

作者(Author)：朱子祺, 李创业, 代伟

摘要：由于煤矸石分拣环境复杂,为了避免机器人与障碍物发生碰撞,提高分拣效率,对机器人进行路径规划十分必要。分析了煤矸石分拣系统原理,将煤矸石分拣机器人路径规划问题归结为在障碍物环境下规划出一条从给定起点到目标点的无碰撞路径,且需同时满足速度快、避免与障碍物碰撞2个约束条件。结合笛卡尔空间和关节空间的优点,提出一种在关节空间进行路径规划、在笛卡尔空间进行碰撞检测的煤矸石分拣机器人路径规划方案,该方案不需要对机器人进行运动学求逆,且可避免在关节空间中描述障碍物。针对RRT*路径规划算法存在盲目性的问题,提出一种变概率的目标偏置策略,并将其引入RRT*算法,得到G-RRT*算法。变概率的目标偏置策略在无障碍物区域增大目标偏置概率值,以增强算法的目标导向性;而在障碍物区域减小目标偏置概率值,以保证算法的避障能力。G-RRT*算法将变概率的目标偏置策略与RRT*算法相结合,既保留了RRT*算法路径长度渐进最优的特点,也提高了算法的目标导向性,可极大地提高路径规划效率。实验结果表明,与加入固定概率目标偏置策略的RRT-Connect算法和RRT算法相比,采用G-RRT*算法得到的路径长度平均值最小,说明G-RRT*算法更适用于煤矸石分拣机器人路径规划。

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2022年第03期

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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

277

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井下履带式探测机器人及其运动抗扰控制研究

作者(Author)：单杰, 关丙火

摘要：井下履带式探测机器人作业环境复杂，需携带多种探测或救援装备并进行爬坡越障，易导致负载扰动，具有较强非线性和不确定性，此外，用于机器人动力驱动的永磁同步电动机(PMSM)本身是多变量、强耦合的非线性系统，目前常规的基于误差的比例积分微分（PID）控制器很难满足控制需求。针对上述问题，设计了一种四摆臂井下履带式探测机器人，并进行了爬坡越障性能分析，得出了平地直行和直行爬坡2种工况下机器人PMSM的转矩和转速；对PMSM进行建模分析，速度环采用自抗扰控制器(ADRC)，电流环采用比例积分(PI)控制器,设计了ADRC+PI控制方案；采用磁场定向控制(FOC)技术对PMSM进行驱动，从而提升机器人在井下作业时的响应性能和抗干扰性能。对ADRC+PI控制方案和常规PI+PI控制方案进行仿真和对比分析，得到2种工况下PMSM的转速、转矩、相电流响应曲线，结果表明：在2种工况下，采用ADRC+PI控制方案时机器人PMSM的转速和转矩响应控制更精准，具有更小的超调量和更短的调节时间，应对外部突变干扰的能力更强，能有效提升井下履带式探测机器人的爬坡越障性能和作业稳定性。

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工矿自动化

2022年第02期

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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

334

283