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。     

基于三激光束标靶的煤矿井下长距离视觉定位方法

煤矿井下掘进装备长距离动态定位是巷道掘进智能化发展面临的首要难题,准确、可靠的位姿测量与估计对提高掘进效率具有重要意义。由于煤矿环境中存在振动噪声、磁干扰、静电干扰等因素,传统测量方法的稳定性和准确性难以保证。与其他定位方法相比,视觉测量方法以其无接触、无累积误差的优点备受关注。针对井下视觉定位面临的精度和稳定性难题,提出基于多激光束的煤矿井下长距离视觉定位方法,采用矿用激光指向仪构建了三激光束标靶解决低照度、高粉尘和复杂背景的干扰问题。以悬臂式掘进机为应用对象,构建了基于三激光束标靶的掘进机机身位姿单目视觉测量系统,提出基于颜色分量的峰值聚类约束的激光束标靶图像分割方法,利用Hessian矩阵求解激光束粗略中心线像素点的法线方向,结合泰勒展开实现三激光束中心线的亚像素级特征提取和定位;构建了三点三线(3P3L)掘进机机身位姿测量模型,并建立了测量模型的最小二乘法损失函数,结合最小化重投影误差实现非迭代全局最优解估计,获得了掘进机机身位姿的最优解,并对测量模型主要参数的误差分布进行了数值仿真研究。最后,搭建基于三激光束标靶的掘进机机身定位系统平台并进行实验评估,结果表明,该方法可满足煤...     

悬臂式掘进机视觉导航与定向掘进控制技术

煤矿巷道掘进装备位姿测量是国内外目前研究的热点,不同的巷道快速掘进系统均面临定向导航难题。为解决煤矿井下悬臂式掘进机自动定向掘进控制难题,提出一种基于视觉导航的悬臂式掘进机自动定向掘进控制方法,利用单目视觉测量技术,以巷道中激光指向仪的激光点和激光束为特征构建基于门形结构的掘进机机身位姿视觉测量模型,通过空间矩阵变换解算巷道中机身位姿。根据悬臂式掘进机运动特点确定掘进机纠偏控制策略,基于悬臂式掘进机运动学建立掘进机定向掘进运动控制模型,采用backstepping方法,选取合适的Lyapunov函数设计掘进机轨迹跟踪控制器,有效解决掘进机轨迹跟踪控制问题。实验结果表明:悬臂式掘进机机身位姿视觉测量方法可有效实现井下工作环境中悬臂式掘进机机身的位姿测量,得到掘进机机身位置测量误差在±40 mm以内,姿态角角度测量误差在±0.3°以内;轨迹跟踪控制器可实现悬臂式掘进机的自动定向掘进功能,其运动控制精度在±20 mm以内,满足巷道施工的精度要求。该方法中工业相机固定安装于掘进装备机身,且利用激光指向仪点-线特征构建门型三线模型作为位姿测量基准,与相关研究对比,具有不易脱靶、标靶移动少等优点。     

悬臂式掘进机行走轨迹及偏差感知方法

悬臂式掘进机机身位姿参数的实时精准感知是煤矿巷道定向掘进,乃至综掘工作面智能化、无人化建设的关键环节,在综掘工作面复杂工况下目前还不能真正实现掘进机机身位姿实时、自主、精准感知。提出了一种悬臂式掘进机行走轨迹及偏差感知方法,旨在实时确定掘进机机身的方位偏差,为掘进机定向掘进提供纠偏基准参数。在以往研究的基础上,搭建了基于激光偏距感知、捷联惯导、二维里程计的掘进机行走轨迹及偏差感知系统,分析了掘进机机身方位偏差与巷道定向掘进的关系,制定了基于此系统的掘进机自主定向掘进策略;基于捷联式惯性导航系统在综掘工作面的适用改进推导了其初始粗对准和姿态更新算法,确立了掘进机航向角与偏角的联系;研制的二维里程计可同时测量掘进机横向和纵向里程增量,推导了基于二维里程和偏角的航位推算算法,得到了掘进机实时位置坐标。研发了掘进机位姿参数可视化交互式远程显示系统,搭建了包括掘进机井下、井上可视化远程控制平台、全站仪在内的掘进机行走轨迹及偏差感知精度验证实验系统。工业性实验结果表明所提方法实现了掘进机机身偏角、偏距(横坐标)、纵坐标的精准感知,验证了所提方法的可行性及优越性,满足巷道掘进对于掘进机机身定位定向要求。     

巷道智能化掘进的自主感知及调控技术研究进展

针对当前煤矿巷道综掘工作面的智能化程度较低,掘进效率低下的问题,分析了煤矿综掘工作面实现智能化快速掘进的关键技术--自主感知和调控技术。首先,探讨了智能化快掘创新方法与理论,以智能感知技术、自主控制技术、群组协同技术为核心,构建智能化快速掘进技术体系,以实现煤矿综合掘进机器人化装备的探-掘-护-锚一体化协同作业。其次,重点阐述了智能化掘进的自主感知技术,包括基于超宽带原理的位姿感知、基于双频激电法的超前探测、基于SLAM原理的环境感知、基于变迁记忆故障Petri网的故障感知等;自主调控技术,包括基于群体智能算法的智能截割、基于遗传变异粒子群算法的路径规划、基于BP神经网络PID算法的自主纠偏等。再次,详细论述了智能临时支护感知,包括围岩压力、顶底板状况、支架位姿等多维信息的感知,研究了非水平场景下掘支协同与多机组多缸联动的自适应控制方法;介绍了智能永久支护感知,包括围岩位移感知和支护装备受力变形感知,探讨了锚护网络结构优化方法,提出了基于粒子群优化算法的自适应钻进控制策略。最后,展望了煤矿巷道智能化掘进的自主感知及调控技术的发展方向。     

基于序列图像学习的巷道掘进机定位方法

煤矿综掘工作面受限于狭小空间、工艺繁杂、环境恶劣等特殊条件,导致用工多、安全性差、效率低等问题,亟需研发更加安全高效的智能化掘进技术与装备。巷道掘进机作为综掘工作面的核心设备,对其智能化进行研究具有重要的社会价值和经济意义。为实现巷道掘进机的智能化作业,首先需要解决的关键问题是为掘进机机体定位,精确、鲁棒的机体位姿检测方法是保障巷道智能掘进有效性的首要条件。因此,针对巷道掘进机机体定位问题,提出了一种基于时间序列图像学习的机体绝对六自由度位姿实时检测方法。首先,通过在掘进机机体安装一台单目相机,并在掘进机后方设置人工特征对象,设计适用于巷道狭长、非结构化环境的视觉定位方案。然后,提出用于时间序列图像融合的深度学习模型,其中,使用一种训练好的多尺度变分自编码器辅助的卷积神经网络（MSVAE-CNN）的编码器模型提取时间序列图像中每个样本的多尺度潜在空间特征,以保证图像特征提取的鲁棒性;基于双向长短期记忆（LSTM）网络构建时间序列图像特征融合模型,并同时估计所有时间步图像样本对应的机体位姿参数,当推理某个时间步图像对应的位姿参数时,其他时间步的信息都可作为先验知识,通过学习图像样本之间的...     

煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展

基于煤矿巷道掘进智能化、无人化的发展要求,综述了悬臂式掘进机综掘技术、连续采煤机掘进技术和掘锚一体化掘进技术3条掘进作业线的国内外发展现状,依据国家煤炭安全监察局发布的《煤矿机器人重点研发目录》中对煤矿掘进机器人的规划,从感知、决策、执行3个层面分析了煤矿掘进机的机器人化应具备的特征,感知层通过多类传感器对煤矿井下巷道环境信息进行采集感知,决策层分析和求解作业任务,并融合感知层传输的环境信息,制定规划出最适合的控制策略,执行层接收决策层的指令,对机器人化掘进群组的位姿和运动进行控制。系统阐述了机器人化掘进群组关键技术:掘进机器人的自主定位、煤岩识别与自动截割、远程监控与故障检测等技术;临时支护机器人的自动支护技术;钻锚机器人的平行钻锚技术;辅助装载输送机器人的同步运输技术等。对比分析国际先进机器人化掘进装备和群组,结合我国煤矿巷道掘进技术与装备的现状,提出了煤矿掘进机的机器人化技术与装备发展思路和研究方向:冲击致裂-快速掘进新技术;远程前探-精准惯导新技术;协同掘支-自适护顶新装备;钻锚一体-智能锚固新装备,实现钻探-掘进-支护-锚固-运输协同作业的机器人化掘进群组快速掘进技术,最终达到煤矿巷道掘进作业少人化、无人化的目标。     

掘锚一体机长距离高精度定位系统

针对现有煤矿掘锚一体机施工过程中劳动强度大，自动化程度低，单一方式定位精度低等问题，利用传感测量、机器视觉、惯导等技术研制了一种掘锚一体机长距离定位系统。该系统由掘锚一体机主体、惯导定位子系统、视觉定位子系统、全站仪定位子系统以及参数监测子系统组成。掘锚机主机采用MB670-1型掘锚一体机；惯导定位子系统由内置光纤惯导、防爆计算机组成；视觉定位子系统包括了红外防爆标靶、激光指向仪、前置防爆工业相机和防爆计算机；全站仪定位子系统包括了360°棱镜、三激光指向仪、后视棱镜；参数监测子系统包括了参数显示、参数设置和参数解算模块。系统在中煤集团大海则煤矿现场试验表明：掘锚一体机长距离高精度定位系统，操作灵活，定位精度高，可实现掘锚一体机的定位与参数监测。     

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。     

基于单目视觉的煤矿井下智能掘进系统研究

针对目前煤矿井下掘进系统智能化建设推进的众多阻碍，为了井下悬臂式掘进机在复杂环境下的动态定位测量，提出一种基于单目视觉的采用点-线激光标靶和防爆相机相结合的悬臂式掘进机及截割头的非接触式精准测量智能系统，该系统通过激光束及红外标靶成像进行掘进机机身及截割头的定位测量，具有定位速度快、实时同步数据、结构简单等特点，优化了掘进机在井下复杂环境中动态定位的准确性。同时，针对掘进机械定位过程中可能导致的测量误差进行了分析，并提出了相应的改进措施。     

煤矿巷道智能化掘进感知关键技术

针对目前煤矿巷道掘进工作面智能化应用水平较低导致掘进效率低下、采掘接替紧张的问题,分析了制约巷道掘进工作面实现智能化的关键技术-快速掘进煤炭地质保障技术、智能超前自主感知技术、智能掘进大数据云计算及控制软件技术。论述了煤矿快速掘进理论及技术基础,以煤矿高分辨率三维地震勘探技术、矿井地质透明化技术为支撑,巷道围岩应力及其控制理论为基础,快速掘进设备为保障,形成实现煤矿智能高效掘进的探测、掘进、支护协同作业的基础支撑理论。重点阐述了煤矿巷道掘进工作面的智能超前自主感知技术,包括高分辨地质雷达探测技术、基于TSOA定位原理混合算法的掘进机位姿感知技术、基于同步定位与建图(SLAM)原理的掘进工作面环境感知技术、掘进设备运行状态感知技术。形成实现智能化掘进工作面的"掘进机位姿感知、工作面环境感知、设备状态感知"的空间一体化感知体系。在分析煤矿综掘工作面实现智能化快掘自主感知和调控技术的基础上,提出按照"以智能化超前感知为基础,以多源数据计算为中心,以安全智能快速掘进为目标"的原则进行设计和构建煤矿智能快速掘进技术体系。开发基于F5G通讯的多源数据和多源图像传输、存储技术,确保了数据传输的高效、可靠和稳定。依托大数据分析和云计算平台,开发具有CPU、存储和网络资源聚合计算基础架构VMware vSphere的软件-智能化掘进-SmartX,系统架构划分为数据源层、智能化超前感知数据采集层、多源数据和图像的传输存储层、大数据云平台数据分析层、决策应用层,包括超前地质探测精准感知、掘进设备位姿感知和掘进工作面环境感知等8个主要功能模块。形成智能化掘进工作面HadoopSpark一体化大数据云计算分析处理平台,智能化掘进-SmartX系统。分析煤矿巷道智能化掘进面临的挑战和未来发展,提出继续研制高质量感知设备与多源数据、图像深度融合技术,提高智能掘进设备上使用的感知设备种类、精度和智能性等,提升多源数据、图像在深度融合方面的精度和准确度。加大研发基于F5G通讯技术的掘进工艺智能化技术,智能化掘进设备在工作过程中,确保各项参数判定和指令动作在提前设定的状态下快速可靠准确完成。提出进一步提升巷道智能化掘进辅助生产环节的智能化水平,以减少现场作业人员数量,减轻作业人员劳动强度,实现掘进工作面智能化水平整体提升。     

基于多源信息融合的掘进机器人定位研究

针对掘进装备机器人化和精确定位需求,考虑纯视觉定位方案在巷道环境中效果不佳问题和多传感器测量优势,研究了深度视觉、惯性和里程计信息融合的掘进机器人定位方法。首先利用深度视觉即时定位与地图构建技术、惯性传感器测量技术和里程计测量技术,分别获取机身位姿信息。然后应用扩展卡尔曼滤波原理,建立位姿信息融合的预测和更新模型。最后构建基于机器人操作系统的多源信息融合定位模块,实现信息的发布和订阅,并通过搭建仿真环境进行实验验证。误差评估结果表明,相对于单一视觉定位方案,多源信息融合后的绝对位姿误差及相关误差指标均得到了降低。该融合定位方法能够较好地满足掘进机器人的精确定位需求。     

煤矿智能化快速掘锚成套装备的开发与应用研究

以大海则煤矿201工作面为对象，设计开发复杂地质条件下煤矿智能化快速掘锚成套装备，通过整合掘进、锚杆支护、运输、除尘等多道工序，解决掘进、锚护和运输等多项工艺同步作业问题，实现煤矿井下掘进工作面综合机械化快速掘进，煤巷掘进平均月进尺从500～600 m提高到1500 m以上。     

煤矿智能快掘关键技术与工程实践

掘进智能化为智慧矿山建设提供不可或缺的科技支撑,智能快掘技术是煤炭安全高效生产的客观需求,是解决采掘失衡问题的根本途径。我国煤矿井下巷道掘进作业呈现作业环境恶劣、地质条件复杂、施工工序多、安全性差等问题,智能掘进主要面临掘进单机装备完备性、可靠性和能力不足、围岩时效控制技术薄弱、掘进工序高效协同和掘进装备群的智能化协作技术欠缺三大难题。针对智能掘进保障性技术不足的问题,提出了掘进设备可靠性、巷道围岩状态在线感知、巷道围岩时效控制、低比能耗高效截割、掘进粉尘综合防治5类智能掘进保障技术;基于掘支运一体化技术,提出了以"边缘感知、平台决策、设备执行、远程运维"4个维度的智能掘进系统基本架构,分析和讨论了掘锚(探)一体化、自动截割、智能支护、掘进导航、远程集控5种智能掘进关键技术;为扩大智能掘进核心技术支撑的覆盖面,针对不同掘进设备配套和不同煤层赋存条件,提出了掘支运一体化、全断面掘进机、双锚掘进机及5G+连续采煤机4种智能掘进模式,并在国能、中煤、山能、陕煤等集团得到推广应用;最后,提出巷道掘进智能化的发展方向和建议,建议研究井下空间定位导航新技术、支护效果动态监测与支护工艺精确调整、掘锚一体机器人、掘进工作面高精度智能感知与数字孪生、掘进系统平台化。     

掘进机器人视觉定位及巷道地图重构技术研究

在实现煤矿掘进工作面智能化和无人化方面,巷道环境的构建以及掘进机器人的准确定位至关重要。考虑到井下空间狭小、设备众多以及光线不足等限制因素,实现对巷道环境和设备的可视化变得复杂。解决这一难题的关键在于精准地勘测井下环境,实现设备的精确定位。以煤矿掘进机器人为研究对象,对巷道的三维重建和掘进机器人的定位问题进行了深入分析。通过比较不同的掘进机器人定位和建图方案,确定了适用于煤矿巷道的整体方案。该方案综合运用了单目视觉、激光雷达等多种传感器,为解决掘进机器人定位和巷道环境构建等难题提供了应对策略。     

基于机器视觉的悬臂式掘进机机身位姿检测系统

针对矿井巷道自动掘进的需求,为矿用悬臂式掘进机构建了一套机身位姿实时检测系统。该系统以十字激光器与激光标靶为信息来源,通过对标靶上十字光线成像特征的分析,建立了掘进机机身位姿空间解算模型。该模型利用机身与十字激光面的空间关系,使用空间矩阵变换方法,得到机身相对于巷道的三轴倾角以及在巷道断面上的偏离位移,实现了掘进机机身位姿的自动实时检测。最终,在实验室条件下,搭建了机身位姿自动检测试验平台,模拟掘进机在巷道内的姿态,试验结果表明:测量范围在2~100 m时,系统的角度测量误差在0.5°范围内,位移的检测误差小于20 mm,能够满足巷道施工过程中掘进机机身位姿自动、精确、实时测量的要求。     

张家峁煤矿智能快速掘进工艺优化及应用研究

为了解决千万吨超大型矿井采掘失衡难题,张家峁煤矿采用了智能化掘进技术替代传统掘进技术。通过提高15212工作面掘进系统装备自动化和智能化程度,实现掘进工作面轻量化和快速化,重点分析了工作面掘进设备的优化历程,建立了智能快速掘进系统,该系统由“掘锚一体机+锚杆转载机+桥式转载机+变频调速带式输送机”组成,实现了连掘连运和掘锚平行,大大缩短了支护占用工时。结合智能传感、定位定向、监测监控技术和多信息远程重现技术等,实现可人工干预的远程操作掘锚一体机,将掘进工作面环境、设备和人员有机和谐地统一起来,实现“安全、高效”高质量智能掘进。在15212掘进工作面的现场应用结果表明：该设备投入后创造出单班最高进尺65m,单日最高进尺120m,月累计进尺2700m的成绩,取得中国快掘行业单班、单日及单月最高进尺,有力保证了井下采掘接续和可持续发展。     

掘进机远程控制技术及监测系统研究与应用

综合应用自动化、智能化和信息化等高新技术研制开发了适合煤矿综掘工作面地质与环境条件的掘进机远程控制技术及监测系统,实现了掘进机工作过程的定向、定位和定形的自动化远程控制.实现了掘进机位姿参数在线自动检测、自动定向掘进、断面自动截割成形和截割臂摆速自适应控制,首次在我国井下煤巷掘进工况中实现悬臂式掘进机机身位姿误差的绝对法测量,避免了相对法测量过程中误差积累的问题,保证了高精度定向掘进;在井下实现了远程监控、无线遥控和视频监控,实现了在多尘、振动条件下掘进机工况多角度可视化一键式遥控;在井下环网或地面任何网络接入点,实现了掘进机运行状态参数包括位姿参数等信息的实时监测与显示,并具有远程故障诊断和报警等功能.     

巷道综掘技术与设备研究

介绍煤巷、煤-岩巷及岩巷的掘进技术和装备,分析各种掘进技术和掘进作业线的适用条件、优缺点。指出掘进工作面"掘进—支护—锚固—运输"集成于一体,也就是"掘—支—锚—运"平行作业是实现巷道高效、快速掘进的关键;是缓解采掘失衡矛盾,实现矿井安全、高效生产的有效技术途径。同时指出高效自动化、智能化是未来煤矿巷道掘进技术与装备的发展趋势。     

MB670掘锚机智能化改造技术

针对万利一矿掘锚工作面掘进速度低、设备智能化程度低的问题，利用智能传感技术、定位定向技术、监测技术、远程控制技术等对MB670掘锚机进行改造，并建设智能集控中心，解决掘锚机整机工况参数监测、机身自主定位导航、工作面视频远程监控、人员安全预警、远程可视化控制、掘锚平行作业等技术问题。形成掘支运平行作业+远程集控的智能快速掘进模式，达到掘进工作面少人化的目的。