煤矿场景下基于RGBD的视觉导航技术北大核心

为解决煤矿机器人现有自主导航技术的局限性,提出了1种煤矿场景下基于RGBD的视觉导航技术。研究了视觉导航的总体架构,并对各个功能模块进行了设计描述;研究了地图创建方法,将ORB_SLAM2算法生成的连续帧间位姿进行关系变换,采用逐帧的RGBD点云拼接,获得了稠密的点云地图;设计了巡检机器人的自主定位和路径规划实现流程,结合蒙特卡洛、D*及DWA算法完成了机器人的精准定位与导航;建立了该视觉导航技术的测试平台,并利用该平台进行了系列化的模拟测试。测试结果表明:煤矿场景下基于RGBD的视觉导航技术能够满足煤矿井下轮式巡检机器人的自主行走功能需求,定位精度良好。     

煤矿机器人轨迹跟踪自抗扰控制研究

针对在煤矿井下复杂环境中煤矿机器人运行存在轨迹跟踪偏差大、精度低等问题,通过煤矿机器人运动分析,采用改进的非线性函数和扩张状态观测器,提出一种新式轨迹跟踪自抗扰控制系统。利用非线性多阶滑模控制规律,实时进行轨迹跟踪误差纠偏控制,确保系统收敛于目标轨迹,实现高精度轨迹跟踪控制。研究结果表明,与传统算法对比,该系统具有先进性和有效性,满足煤矿机器人轨迹跟踪高精度控制的要求。     

煤矿四旋翼巡检机器人系统设计

基于煤矿环境参数、设备状态及人员情况的巡检需求，针对井下低照度、巷道结构复杂且尚无精确的四旋翼导航定位系统(如北斗、GPS等)等特点，设计了一种煤矿四旋翼巡检机器人。该机器人以机载计算机为控制核心，结合光流、超声波等传感器构建自主飞行控制系统|通过MAVROS向飞控发送控制指令及获取飞行数据|依靠携带的温湿度传感器、气体传感器和摄像头实时获取井下环境信息并通过无线网络将采集到的数据和视频信息实时回传云平台。实验结果表明，该机器人运行稳定，自主性能良好，数据传输可靠。     

煤矿带式输送机巡检机器人关键技术研究

针对带式输送机巡检机器人在煤矿井下的环境适应性、自主快速安全充电、基于音视频分析的带式输送机异常工况智能识别等关键技术问题,阐述了煤矿带式输送机巡检机器人系统总体设计;设计了一种模块化、两节车厢挂载式巡检机器人本体及吊挂单轨式、滚轮与链轮链条混合驱动的巡检机器人行走机构,可适应煤矿井下输送带运输复杂环境;提出了煤矿井下电—机—电能量转换充电方法,设计了基于鼓形齿的充电自动对接机构,可实现巡检机器人在煤矿井下自主快速安全充电,满足井下远距离巡检需求;提出了基于托辊运转的声压1/3倍频程谱及声品质尖锐度特征指标的托辊故障识别方法,针对井下多粉尘、浓雾气、低照度场景下视频质量差导致视频识别难的问题,提出了自适应图像增强算法框架,增强图像质量,在此基础上,基于目标轮廓先验知识,构建深度神经网络模型,实现煤矿井下人员、煤流、带面异物、带面损伤等特征不显著目标的视频智能识别,提高带式输送机巡检机器人智能化水平。对带式输送机巡检机器人样机及带式输送机异常工况音视频样本进行了验证测试,结果表明：巡检机器人最小转弯半径1 m,在负重220 kg、巡检速度0.4 m/s的情况下,可在角度为20°的坡道上平...     

煤矿井下移动机器人深度视觉自主导航研究

煤矿井下移动机器人是煤矿机器人的主力军,煤矿井下移动机器人的自主导航是其研究的难点和热点。目前,煤矿井下移动机器人自主导航所必须的三维环境数据库尚未形成,尤其是制作高分辨率、多信息融合的煤矿井下高精度地图还处于研究阶段。为了有效解决煤矿井下移动机器人自主导航问题,构建了基于深度相机的机器视觉系统,提出了一种基于深度视觉的导航方法,自主导航过程分为地图创建与自主运行两个阶段。在地图创建中:①对深度视觉数据进行特征提取与匹配,利用10组煤矿井下真实视频截图,对比测试5种特征提取与匹配组合算法,结果表明SURF+SURF+FLANN与GFTT+BRIEF+BF算法能够在煤矿井下获得良好匹配结果;②建立煤矿井下移动机器人深度视觉定位与建图问题的捆集调整迭代最近点图模型(Iterative Closest Points Bundle Adjustment,ICP BA);③通过图优化方式估计当前观测下的最优位姿与环境路标点坐标。在实验室场景中利用提出的ICP-BA图优化算法,建立了包含关键位姿与三维环境点的原始点云地图。在自主运行阶段:①通过八叉树数据结构,将点云地图转化为移动机器人运动规划可使用的Octomap导航地图,实验结果表明,Octomap导航地图分辨率可调、系统资源占用低、索引效率高;②使用三维到二维映射的视觉图匹配PNP(Perspective N Points)方法进行实时在线重定位;③基于图搜索的A*(A Star)路径规划作为轨迹规划初值,自定义最小化能量损失泛函为最小化加加速度的变化率(Minimum-Snap)求解2次规划问题,生成用于煤矿井下移动机器人运动执行的轨迹。在Matlab开发环境中设计随机导航地图,生成时间分配、位置、速度、加速度、加加速度的最优轨迹规划结果,验证了运动规划算法的正确性。通过理论分析和实验验证,表明笔者提出的煤矿井下移动机器人深度视觉自主导航方法的有效性。     

矿用巡检机器人及其控制管理系统的设计研究

针对煤矿开采井下设备运行状态和环境各参数的监测问题,设计了一套用于煤矿井下工作过程的巡检机器人及其控制管理系统。给出了巡检机器人的整体设计方案和配套的控制管理系统的设计。利用该巡检机器人搭载的矿井环境检测传感器和视频相机可以定时定点进行矿井环境监测,有效提高了煤矿井下工作过程的安全度。     

煤矿水泵房巡检机器人开发与试验研究

煤矿水泵房作为保障井下安全生产的重要组成,其巡检效率和效果直接决定着煤矿开采活动能否安全、有序推进。为此,基于栅格建图方法,结合传感器预处理数据,介绍粒子滤波器全局定位算法和覆盖栅格建图算法,并根据已确定煤矿水泵房巡检机器人巡检点位置和机器人位姿,通过巡检路径算法和巡检路径及障碍规避算法,规划水泵房巡检机器人全局路径,控制机器人实施路径跟踪及障碍规避。为检验相关算法可行性,构建煤矿水泵房巡检机器人样机硬件平台与监控软件,从基本功能测试、巡检误差分析等角度实施煤矿水泵房巡检机器人测试,进而确认煤矿水泵房巡检机器人运行轨迹与规划路径基本一致,实际位置误差和姿态误差分别控制在10 cm和0.1 rad以内,可满足设计预期。     

煤矿机器人智能安全充电系统设计

煤矿机器人工作在井下危险气体环境下,特别是对于井下移动式巡检机器人,其动力系统的能源供给方式主要以锂电池供电为主,目前《煤矿安全规程》对锂电池的井下使用有着严格的限制条件,其充电必须要求在专用的充电硐室中进行。为提高煤矿机器人的续航能力和实用性,研究一种煤矿机器人智能安全充电系统,提出煤矿机器人专用充电硐室构想,设计煤矿机器人井下智能岔轨及硐室内充电技术,系统由煤矿机器人、煤矿机器人移动轨道、煤矿机器人转向用智能岔轨以及硐室内充电桩组成,通过井下巡检机器人专用充电硐室和智能岔轨技术的设计,可实现巡检类机器人井下在轨充电,有利于煤矿机器人井下不间断智能巡检作业。     

煤矿水泵房巡检机器人路径规划与跟踪算法的研究

目前煤矿水泵房排水设备的巡检工作仍需要人工完成,存在工人巡检懈怠,巡检不及时,巡检不到位,巡检结果数字化不便等问题。结合里程计定位技术、轮式移动机器人导航和避障技术,以ROS机器人开发平台为基础,研究了一种适用于井下水泵房环境的巡检机器人全局路径规划与跟踪算法,可实现巡检机器人在无人为干预,无磁轨、线缆或GPS辅助的情况下按照设定的路径自主移动完成水泵房设备的巡检工作。首先根据水泵房的平面图建立二维栅格地图,通过PRM路径规划算法在建好的二维栅格地图中规划一条经过所有检测点和行进点的无障碍路径,接着通过Pure Pursuit路径跟踪算法计算巡检机器人沿该路径行走需要的实时线速度和角速度,将其发送给巡检机器人运动控制器,然后控制器根据雷达数据实时监测机器人10 cm范围内障碍物情况,决定巡检机器人是否采用当前的线速度和角速度沿规划路径行走,最后在机器人到达检测点后对排水设备进行拍照和运行数据的采集。通过对巡检机器人的模拟实验结果分析得出：巡检机器人能够避开路径上的障碍物,准确到达巡检点,机器人实际位置平均误差为4 cm,姿态角度平均误差为0.095 rad,满足机器人巡检工作的要求。     

矿用巡检机器人关键技术分析

依据井下的特殊环境和巡检机器人的研究及应用现状,探讨了矿用巡检机器人移动平台、自主导航与定位、智能控制、自主充电、后台管理及在线故障诊断等关键技术,讨论了矿用巡检机器人未来的发展趋势,指明智能化、小型化及模块化的发展方向,为矿用巡检机器人的进一步发展提供有力参考依据。     

煤矿井下泵房智能巡检机器人的研究

针对煤矿井下泵房人工巡检存在的问题,研究一种井下泵房巡检机器人系统,重点介绍了巡检机器人系统的原理、组成和实现功能,论述了巡检机器人装置的硬件设计、数据采集和软件实现方法,该系统可代替人工巡检,及时发现问题,为井下泵房安全运行提供可靠保障。     

基于虚拟现实的煤矿救援机器人远程控制技术

针对当前煤矿井下救援机器人自主导航效率低下,难以满足矿难时效性的救援要求,提出了一种基于虚拟现实(VR)的煤矿救援机器人远程控制方案,以虚拟仿真技术、智能检测与控制、远程通信、环境动态建模等技术为基础,以煤矿救援机器人的远程控制为目标,建立了煤矿救援机器人虚拟仿真模型以及井下工作环境场景,对传感器数据进行解析动态建模,完成机器人井下的以巷道为基础的局部定位,并实时更新煤矿救援机器人井下作业场景,为机器人自主控制增加了判据。此方案定位于复杂工况下有效的人工远程干预,借助VR技术充分融合人、机和环境信息,可有效提升井下矿难救援效率。     

煤矿救灾机器人超声波和惯性导航技术

针对煤矿救灾机器人导航系统的导航精度低的问题,结合煤矿井下非结构化环境的特点,提出一种适于煤矿井下灾后环境的超声波导航和惯性传感器的导航方法,并利用粒子滤波技术进行算法设计。结果表明,基于超声波和惯性传感器融合的导航性能满足煤矿救灾机器人的导航需求,算法的收敛速度很快,提高了煤矿救灾机器人的导航性能和应急抢险能力。     

煤矿巡检机器人系统设计

针对煤矿带式输送机人工巡检效率低、质量差、劳动强度大等问题，设计了一套挂轨式巡检机器人系统，系统由巡检机器人、充电站、巡检轨道、通信网络和远程管控平台组成。分别介绍了各组成部分的原理、结构和功能，重点描述了巡检机器人的巡检逻辑和充电过程。现场应用表明，该系统实现了带式输送机的无人智能化巡检，提高了巡检效率和质量，减少了煤矿井下作业人数，降低了矿井安全风险，提升了煤矿企业安全管理水平，推动了煤矿智能化技术发展。     

钢丝绳牵引式巡检机器人研究与应用

为了解决煤矿井下巡检机器人电池充电的问题,设计研发了一种钢丝绳牵引式巡检机器人,详细论述了该机器人系统的组成及实现方法,介绍了机器人本体自发电装置的组成和工作原理。应用结果表明,该巡检机器人系统可以实现对煤矿井下带式输送机巷道的自动巡检,实现无人值守的目标。     

矿用智能巡检机器人设计

为保证生产顺利进行和保障工作人员的安全,需对矿井设备以及矿井的工作环境进行实时巡检。而传统的人工巡检劳动强度大、危险系数较高、巡检过程困难、不适用于现在煤矿的巡检要求,因此研发了一种矿用智能巡检机器人。针对矿井特殊的工作环境,从机器人的移动性能、视觉定位与导航技术、图像识别技术、井下通信等方面详细地阐述了矿用智能巡检机器人所要解决的关键技术,为机器人的研发提供参考。     

矿用巡检机器人系统设计与研究

针对现有煤矿井下轨道式带式输送机巡检机器人续航里程短、爬坡困难等问题,设计了一种轨道和钢丝绳牵引结合的行走机构。首先根据巡检机器人技术要求,对巡检机器人进行了总体方案研究,然后设计了巡检机器人结构、行走机构、轨道安装和数据采集模块。在ADAMS软件中建立了巡检机器人虚拟样机模型,并对其在水平和倾斜两种运动状态的位移变化进行了仿真。该机器人在水平沿轨道方向能够稳定运行|在竖直方向和水平侧摆方向有轻微的波动,但均满足要求|最后搭建了数据采集与传输模块,并对室内环境信息采集测试。结果表明：数据采集与传输模块能够稳定正常工作。因此,该机器人能够为煤矿井下设备运行状态监测提供参考。     

煤矿用巡检机器人充电方法研究

基于煤矿用巡检机器人的作业环境和防爆要求，分析了各充电方式的优缺点，提出了一种基于能量变换的充电方法。巡检机器人与充电站之间通过机械联接传递能量，规避了电气直连充电的失爆风险，降低了充电对接的设计要求，为机器人在煤矿井下安全充电提供了新思路。试验表明该充电方法技术可行，可满足巡检机器人在煤矿井下的快速充电需求。     

无人开采工作面巡检机器人机械臂优化设计

基于大同煤矿集团无人开采工作面的背景,为了使煤矿井下工作面彻底达到"无人化",设计了一款巡检机器人检修臂。在井下装备出现故障的时候,能够稳定、快速地解决故障,对检修臂进行了驱动系统设计优化,并运用系统分析和仿真的方法。使电机尺寸进一步减小,驱动系统性能指标得到优化,检修机器人的性能进一步得到提升,工作面的"无人化"越来越完善。机器人机械臂优化结果对大同煤矿(集团)煤矿井下无人开采工作面巡检新工作具有指导意义,可为同类煤矿井下类似工作提供借鉴。     

煤矿井下瓦斯智能巡检机器人系统的研究与设计

针对当前煤矿井下瓦斯巡检作业依赖人员操作和固定探头感知存在的自动化程度低和灵活机动性差等问题,设计了一种煤矿井下瓦斯智能巡检机器人系统(以下简称机器人系统),介绍了机器人系统的总体设计,并对机器人系统的本体机构设计、控制系统设计以及信息与通信系统设计进行了详细的介绍。测试结果表明,该机器人系统能够满足复杂巡检工况地形的越障要求,能够完成煤矿井下环境中瓦斯的实时精准监测。