基于蚁群算法的掘进机截割头运动轨迹优化

针对传统方法对掘进机截割头截割轨迹规划效率低、实时性较差等问题,设计了一种改进多目标蚁群算法,该算法能够根据对蚂蚁算法中目标重要性系数进行自适应调节,从而更好地发挥蚁群算法的优势。运用MATLAB对算法进行仿真,结果表明,在不同巷道断面环境下,改进多目标蚁群算法能够在保证求解质量基础之上提升截割头运动轨迹优化的效率。与传统蚁群算法路径规划结果相比,该算法具备更好的实时性,且规划的运动轨迹性能更为优秀,适于解决掘进机截割头运动轨迹优化的问题。     

煤矿人员定位系统拓扑优化模型

对煤矿巷道网络进行建模,提出一种基于无线传感器网络的层次式煤矿人员定位系统,并对人员定位系统成本进行分析,设计出包括测点代价和测点之间线缆代价的优化目标函数。推理结果表明,该成本优化问题与煤矿传感器节点间路径优化问题相一致。最后应用Prim算法对人员定位系统拓扑结构进行优化,结果验证了优化模型和算法的有效性。     

巷道掘进截割钻进先进技术研究现状及展望

为响应智能化煤矿发展需要,同时为改善综掘工作面智能化无人化发展较综采工作面滞后现状,提出了掘进装备自主定型定向截割、掘进装备自主巡航、掘进机健康管理技术及多机多工序智能协同控制技术四大截割钻进装备先进技术并给出研究方向。针对掘进装备自主定形定向截割技术,通过研究不同掘进装备的截割轨迹规划、机身振动特征对截割头轨迹误差的影响规律及不同掘进速度下掘进巷道顶板稳定性分析方法进行掘进装备截割路径及截割速度规划研究;通过研究位姿监测技术、恒功率截割技术、记忆截割技术实现掘进装备自主定形定向截割控制;通过数字采集系统构建掘进巷道数字孪生虚拟模型,采用掘进机虚拟操纵平台实现掘进机远程自动截割控制。通过掘进巷道环境感知技术,构建掘进巷道的三维模型并标明巷道的安全情况;利用激光扫描及多种算法,形成巷道三维点云模型;对激光、通信、视觉及惯性等传感器等进行技术互补性融合,利用多种融合算法,实现高精度巷道感知;采用随钻测量系统进行瓦斯监测和超前探水作业;将视觉感知技术、激光测距技术、全站仪、超宽带定位技术等融入井下巷道的设备定位系统中,实时监测巷道内的掘进机位姿。通过结合掘进机健康管理技术发展现状,梳理出掘进机健康管理技术在故障预警技术、故障诊断技术、寿命评估技术3个方面存在的不足,并针对所面临的挑战提出了跨时空域度的监测信息多源数据融合技术、掘进机与断面岩层耦合作用机理、突发事件风险识别模型、自学习健康管理系统4项拟解决的科学问题。通过多传感器信息融合技术,研究掘进系统截割单元及临时支护单元的控制方法,分析多源信息分析处理及优化策略,以自动截割系统和超前临时支架移架系统为例,阐明了多传感器信息融合的运行机制,提出多工序协同控制技术难点及实现这一目标需要解决的2个关键点。     

基于三维激光雷达的掘进机实时位姿纠偏系统

为实现煤矿掘进作业自动化，针对煤矿巷道掘进作业现状，提出一种基于3D激光雷达的动态测距、测向方法，用于实时控制掘进机位于巷道中线位置。以高反射率导向杆模拟巷道走向，通过设定雷达反射率阈值将导向杆从低反射率环境提取。建立导向杆空间坐标转换模型，并采用线性最小二乘拟合得到机身相对导向杆偏移距离和角度，以此引导掘进机在巷道中自动位姿调整。算法过程增加滤波处理，有效降低干扰影响，提高系统稳定性。该系统测量精度高，能够有效替代传统的人工指向方法，为掘进机自动化作业奠定基础。     

基于策略的矿井水灾避灾路径动态规划研究

为了解决现有静态路径规划方法无法满足煤矿井下突水灾害动态变化需求，以及传统最短路径算法运行效率有待提升等问题，提出一种基于策略的矿井水灾避灾路径动态规划方法及系统。该方法考虑水流对人员逃生的影响，首先将巷道环境影响因子对避灾路径的影响程度量化为巷道距离当量长度；然后以时间最短为原则，引入人员逃生速度，计算逃生通过每条巷道的时间，构建以逃生时间为邻接矩阵的数学模型；并结合安全监控、水文监测系统联动策略，根据实时监测的井下环境情况，动态修改巷道节点属性，开发基于三维GIS一张图的矿井水灾避灾路径三维动态规划系统。最后，结合矿井实例进行测试分析，验证了算法设计的有效性，可以指导井下人员安全撤离，提高煤矿安全管控能力。     

基于改进混合A*算法的地下无人铲运机智能路径规划

矿山无人铲运机自主定位导航是井下采矿装备智能化程度评价的重要指标，其中路径规划是铲运机自主行走的重要组成部分。而目前井下铲运机的规划路径多以巷道中心线为基础或难以执行，本文提出了一种适用于地下矿采场无人铲运机的混合A*算法进行出矿点到卸矿点的全局路径规划。首先分析了井下铲运机的运动模型，确定其路径规划参考点及车辆本身的数学结构关系，简化路径规划问题复杂度；其次针对铲运机作为非完整约束机器人，从栅格地图中当前点到目标点启发式函数构建以及子节点扩展方法两个方面设计了混合A*算法进行全局路径规划方法；最终采用地下矿采场中常见的五种巷道交岔口场景进行了路径规划试验分析，证明了以Dubins曲线、ReedsShepps曲线以及A*算法的启发式函数值中最大值作为该节点启发式函数的值进行混合A*算法搜索更新较为合理，能得到可以行驶的优化路径。为进一步推进井下铲运机无人化提供了理论基础，保证了规划路径的可执行性。     

基于人工内分泌系统的煤矿路径规划方法

针对煤矿井下巷道环境复杂,障碍物种类数量多的问题,利用生物学中内分泌系统的思想进行建模,运用栅格建模法,提出了利用人工内分泌算法进行路径规划的方法。在该模型中,加入了激素调节机制,通过实验证明,加入激素的内分泌模型具有更好地适应未知环境的能力。同时,将内分泌算法与以往的遗传算法进行比较,结果表明该模型更加有效。     

基于障碍物尺度的封闭狭长空间路径规划研究

栅格法广泛应用于移动机器人环境建模和路径规划中。为了解决在狭长空间如煤矿巷道环境中，障碍物、机器人和空间尺寸失调，以机器人中心点到自身轮廓最远距离的2倍为栅格尺寸建模容易导致路径规划失败的问题，采用以影响机器人通行的障碍物大小为基准设定栅格尺寸、机器人尺寸在地图上占据多个栅格的狭长空间地图建模方法，利用障碍物碰撞检测函数对传统A^*算法进行改进，仿真研究了改进算法在狭长空间中的全局路径规划的有效性，开展了实际环境下的路径规划实验。研究结果表明，采用提出的栅格建模方法和改进A^*算法可得到一条起始点到终点的无碰撞路线，可完成狭长空间的复杂环境路径规划。     

基于数字孪生技术的煤矿掘进机自动截割方法研究

为了解决目前掘进工作面设备自动化控制存在的缺乏可视化人机交互控制、缺乏掘进工作面数字孪生动态建模、缺乏巷道模型与掘进机定位导航系统融合的问题,提出一种基于三维数字孪生技术的煤矿掘进机自动截割方法;该方法利用三维数字孪生技术的巷道模型生成截割模板,实现掘进机对预设截割断面的自动化截割,可达到人工远距离、可视化控制掘进机安全自动作业的目的。介绍了数字化巷道和掘进机模型的构建方法以及数据驱动逻辑,并对掘进机自动截割控制方法进行了详细阐述。结果表明,该方法避免了粉尘等对掘进机自动化截割的影响,降低了人员现场作业风险和劳动强度,解决了掘进机远程截割精确度低、巷道断面成型质量差等问题。     

EBZ160Z自动化掘进机设计

根据国内外自动化掘进机的发展状况,阐述了EBZ160Z自动化掘进机的设计,设计内容主要包括掘进机遥控和远程控制、巷道断面自动成形、掘进走向的路径规划、瓦斯溢出浓度联动控制、粉尘浓度联动协调控制、故障诊断及处理。自动化掘进机能够实现采掘工作面无人化或少人化,改善作业环境,提高生产效率。     

不同倾角巷道下掘进机的防滑控制研究

为研究悬臂式掘进机在复杂底板行走时防滑控制的可靠性,基于综掘工作面巷道底板特性分析,得到不同情况下掘进机履带打滑率与牵引力的计算函数。掘进机牵引力因打滑率的增加而迅速减小,从而严重影响掘进机正常掘进,求取不同路况下的掘进机履带期望打滑率计算方法,并通过分析掘进机掘进阻力,建立了倾斜巷道中掘进机掘进动力学模型,提出了基于BP神经网络的PID掘进机履带防滑控制方法。通过Simulink与AMESim建立系统仿真模型与液压模型,基于Matlab得到控制算法,并模拟3种典型底板防滑控制情况。仿真结果表明,BP神经网络PID防滑控制系统具有较高的控制精度、响应速度与环境适应能力,保证掘进机在不同路况下的正常掘进。     

悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量系统研究

针对煤矿井下悬臂式掘进机机身及截割头位姿测量难题,提出一种基于激光束和红外光斑特征的悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量系统。在掘进工作面的巷道顶部安装3个激光指向仪,通过固定安装在掘进机机身上的防爆相机对激光束图像进行采集,利用改进的随机Hough变换对激光束进行直线检测,通过建立的基于两点三线的掘进机位姿解算模型得到掘进机机身在巷道坐标下的位姿。同时,通过防爆相机对截割部所安装的红外标靶图像进行采集,利用高斯曲面拟合算法对光斑进行中心定位,通过建立的基于对偶四元数的掘进机截割头位姿解算模型得到截割头在机身坐标系下的位姿,结合得到的机身坐标系与巷道坐标系间的转换关系,得到巷道坐标系下的截割头中心点位姿。最终,在实验室搭建了掘进机机身及截割头位姿视觉测量平台,并在该平台上模拟掘进机的实际工况位姿,结果表明,该方法测得的掘进机截割头中心点在巷道坐标系下的姿态测量误差在0.5°范围以内,位置测量误差在40 mm以内,可以满足掘进机机身及截割头位姿自动、准确、实时测量的要求。     

回采巷道围岩稳定性预测模型及其成熟度

针对我国煤矿井下回采巷道围岩稳定性预测方法不够成熟、准确率较低的问题,引入支持向量机算法,将回采巷道围岩稳定性的评价指标作为输入向量,稳定性等级作为输出向量,利用粒子群算法不断调整惩罚因子c、核参数g与单核系数λ1和λ2,建立了基于PSO-MKSVM的回采巷道围岩稳定性预测模型。定义出衡量回采巷道围岩稳定性预测模型的精度度量P和非均等代价下的代价度量E,并以成熟度度量M作为评价模型性能的准则。结果表明有多组λ1和λ2使得回采巷道围岩稳定性预测模型的成熟度度量达到最大值M=1,性能较稳定。     

最佳路径分析在巷道网络中的应用研究

 GIS极大地促进了数字矿山的发展,如何将GIS强大的空间分析功能应用到矿山中是一个亟待解决的问题。在分析矿山巷道网络元素与路径分析算法的基础上,本文给出了三种最佳路径分析模型及其具体的算法步骤。在Windows XP环境下,利用VC++实现所提出的最佳路径分析方法,并应用具体实验数据进行了验证。     

机器人视觉中一种新的路径规则划方法

栅格法的强适应性和简单直观性使其成为寻找最优耗费路径的流行算法。然而,在实时路径规划中如果单元格划分的精度很高就会使得计算的时间复杂度高,从而不能适应实时运行环境。在动态环境中,路径规划的前面一部分(即里机器人较近的一段路径)是对移动机器人最有用。因此,文章提出将环境不等大小划分,离机器人距离越近计算精度越高而越远计算精度越低,并结合动态信息模型对障碍物运动信息的有效反应得到一种新的路径规划算法。通过仿真实验与在RoboCup中型组机器人上的测试表明了该方法的有效性。     

煤矿超千米深部全断面岩石巷道掘进机的提出及关键岩石力学问题

为解决超千米深井巷道建设面临的严峻挑战,通过对现有的巷道掘进、支护技术与全断面岩石隧道掘进机(TBM)技术对比分析,结果表明：全断面岩石隧道掘进机优势明显,且满足超千米深井巷道建设的需求,现代化大型矿井也具备引入全断面掘进机的条件,将TBM引入超千米深井巷道建设,在解决所涉及的关键岩石力学和机械制造问题后加以改进,称之为全断面岩石巷道掘进机（RBM--Full Face Roadway Boring Machine）。由于煤矿深部巷道的建设环境与隧洞建设环境存在显著差异,RBM施工将面临两大关键问题--卡盾和刀盘破岩问题。为了揭示RBM卡盾机理,指出了其关键岩石力学问题,包括超千米深井巷道RBM开挖卸荷路径下围岩挤压大变形机理,护盾周围围岩挤压变形分布规律,围岩-护盾-支护相互作用机理,卡盾判据,卡盾防治理论及方法。     

煤矿救援机器人路径规划的蚁群优化算法

煤矿救援机器人执行救援任务时,需躲避水、火、障碍物等危险区域,提升了路径规划的难度,为此提出了煤矿救援机器人路径规划的蚁群优化算法。充分考虑煤矿救援机器人运行过程中的水、火、障碍物等分布,采用栅格法建立机器人路径规划的环境模型,确定栅格环境模型内机器人路径规划问题的目标函数,采用蚁群优化算法求解机器人路径规划问题的目标函数,通过改进信息素规则、限制信息素阈值以及改进转移概率3个方面优化蚁群算法,避免蚁群算法求解全局最优解时陷入局部最优。实例分析结果表明,该算法在满足收敛速度条件下有效规划煤矿救援机器人行驶路径,所规划路径的路径长度、转角数量以及危险度均为最优,为机器人安全作业提供理论依据。     

液压管路三维路径规划在掘进机上的应用

目前掘进机的主要动作都是通过液压驱动的,而作为液压油通道的液压管路,路径规划的合理性非常重要。针对这一问题,在三维软件的环境下建立了掘进机常用液压胶管和接头的参数化模型库,结合工程实例,对掘进机的管路路径进行三维设计。与传统的设计方法相比,提高了效率,降低了成本,效果良好。     

基于MultiGen Creator/Vega煤矿巷道最短路径算法研究与实现

基于MultiGen Creator/Vega软件,通过部件建模法快速生成巷道网络,通过纹理映射对巷道模型进行优化处理,提高巷道模型的真实感,采用LOD技术获取最佳的视觉效果,用Access数据库存储巷道部件的拓扑信息和空间信息,实现模型的快速空间查询与检索。重点阐述了一种以狄克斯特拉算法和Floyd算法为基础优化改进的、适合于虚拟三维巷道间的路径快速检索算法,该算法不但克服了狄克斯特拉算法中结点检索冗余问题,又引入Floyd算法中的矩阵思想,对无向密集的三维巷道的路径检索非常有效,并以VC++6.0为开发平台,基于MFC技术开发实现矿井最优路径模拟。     

悬臂式巷道掘进机的选型研究

针对日益推广的巷道掘进机进行了选型研究,根据掘进机的主要性能、技术参数、适用条件、以及选择使用掘进机的相关影响因素等选用了2台掘进机.介绍了掘进机工效计算方法,并对巷道切割法与钻爆法的成本进行了分析比较.实践表明,在适宜条件下,非煤矿山选择和使用巷道掘进机可以降低作业成本10.53%.