主辦單位:煤炭科學研究總院出版傳媒集團、中國煤炭學會學術期刊工作委員會

“煤礦機器人智能化技術”專題

來源:工礦自動化

煤礦生產系統龐大而復雜,作業環境惡劣,災害重、風險大、下井人員多、危險崗位多,在煤礦生產的部分環節中引入機器人技術對減少井下作業人數、降低安全風險、提高生產效率、減輕礦工勞動強度具有重要意義。2019年1月,國家煤礦安全監察局制定并發布了《煤礦機器人重點研發目錄》,目錄列出了針對采煤、掘進、運輸、安控、救援等5類共38種煤礦井下機器人,對每種機器人的功能提出了具體要求,并要求大力研發應用煤礦機器人。煤礦機器人的研發,是實現煤炭高質量發展的必由之路。煤礦機器人應用,是煤炭開采技術革命的重要標志,是推動煤炭工業高質量發展的強大動力。為探索機器人替代人工,加快機械化換人、自動化減人向智能化無人化邁進,交流探討先進經驗和技術,促進產學研用深度融合,推進煤礦機器人研發應用的高質量發展,本刊組織策劃了"煤礦機器人智能化技術"專題,本專題報道的煤礦機器人技術涉及救援、掘進、巡檢、選矸、防爆等煤礦生產的各個方面。特別感謝西安科技大學馬宏偉教授和鄭學召教授對本專題組稿工作的支持!衷心感謝各位專家學者在百忙中為本專題撰稿。

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  • 作者(Author): 馬宏偉, 姚陽, 趙昊, 梁林, 馬琨, 田海波

    摘要:基于礦山鉆孔救援探測需求,針對現有探測機器人信息探測范圍窄、探測距離較短、功能單一、無越障能力等問題,設計了一種礦山鉆孔救援探測機器人。該機器人能夠通過225mm救援鉆孔到達煤礦井下,利用攜帶的傳感器和攝像頭獲取災變區域的環境信息和被困人員信息,并將信息實時傳到地面;以NImyRIO作為控制核心,采用LabVIEW圖形化編程構建控制系統,利用有線通信方式實現機器人在災變區域內的數據遠程控制。試驗結果表明:該機器人運動性能良好,具有體積小、質量輕、越障能力強等特點,可順利通過救援孔,能夠對井下環境信息進行實時檢測和傳輸,為地面救援指揮中心決策提供了第一手資料。
  • 作者(Author): 鄭學召, 趙炬, 張鐸, 郭軍

    摘要:介紹了煤礦救援機器人動力系統、防爆設計、多參數監測及通信系統等的國內外研究現狀及應用情況,指出煤礦救災機器人存在續航能力有限、行走控制距離短、防爆材料質量大、信息處理與傳輸可靠性差等問題。展望了煤礦救災機器人的發展趨勢:研發適用于煤礦領域的新能源電池是煤礦救援機器人動力電源的發展趨勢之一;研發具有自主行走、定位與路徑規劃的智能化機器人是未來煤礦救援機器人發展的趨勢;防爆材料輕量化、多源信息智能融合、無線加有線的通信方式也將是煤礦救援機器人智能多元化發展的方向。
  • 作者(Author): 鄭學召, 閆興, 郭軍, 張鐸

    摘要:介紹了煤礦救災機器人防爆技術的概況,闡述了煤礦救災機器人防爆技術的國內外研究現狀及應用情況,指出煤礦救災機器人防爆技術已取得一定進展,尤其在防爆電動機、防爆外殼及動力電源等方面,但防爆材料應用技術、能源動力技術、本安控制技術、故障診斷與容錯控制技術等仍存在問題,需要在加工材料輕便化、動力電源高效化、防爆技術本安化、控制系統智能化等方面不斷完善,從而確保煤礦救災機器人各個構件的防爆技術更加成熟。
  • 作者(Author): 楊林, 馬宏偉, 王巖, 王川偉, 張珍珍

    摘要:針對煤礦井下無GPS環境下巡檢機器人自主定位問題,研究了基于激光雷達的同步定位與地圖構建方法。首先建立激光雷達觀測模型和里程計預測模型,將機器人定位和地圖構建的實際問題轉換為概率數學模型的邏輯推理問題。同時采用自適應蒙特卡羅定位算法進行機器人實時位姿估計,提出了根據粒子權重(地圖的匹配度)進行重采樣的方法,以去除權重小的粒子,實現了用較少、較好粒子精確表達機器人位姿的后驗概率分布,滿足機器人利用傳感器在柵格地圖上實時定位的需求。通過對Fast-SLAM算法進行優化,減少了粒子數量,緩解了粒子耗散,提高了地圖構建的精確性。實驗結果表明,基于激光雷達的同步定位與地圖構建方法有效解決了巡檢機器人實時位姿估計和環境地圖構建的問題,結合自適應蒙特卡羅定位算法和優化Fast-SLAM算法提高了機器人定位的自適應性和地圖構建的精確性。
  • 作者(Author): 王巖, 馬宏偉, 王星, 楊林

    摘要:針對煤礦井下無GPS信號、低照度、結構化環境等特點,提出了一種基于迭代最近點(ICP)的井下無人機實時位姿估計方法。通過建立四旋翼無人機運動模型與機載激光雷達觀測模型,將煤礦井下四旋翼無人機位姿估計問題轉換為機載激光點云數據的掃描匹配問題。用三維激光雷達作為四旋翼無人機機載環境測量傳感器,得到無人機當前位姿下的觀測點云數據;以第1幀位置為初始位,通過ICP方法得到連續2幀點云數據之間的相對變換矩陣,迭代求解連續關鍵幀點云數據,得到煤礦井下四旋翼無人機實時位姿估計結果。采用濾波與下采樣方法對點云數據進行優化,加速變換矩陣的求解,滿足四旋翼無人機位姿估計實時性需求。實驗結果表明,基于ICP的井下無人機實時位姿估計方法能夠快速、有效地求解四旋翼無人機位姿,相比于正態分布變換方法,ICP方法更適用于煤礦井下四旋翼無人機的實時位姿估計。
  • 作者(Author): 賈勇驍, 鄭學召, 崔嘉明, 郭軍, 費金彪

    摘要:針對現有煤田火災無人機監測技術存在的續航時間短、數據采集周期較長、紅外熱圖像精確度不高、數據傳輸和處理速度慢等問題,研究了基于單一/集群飛行的無人機監測技術、紅外及可見光雙視監測技術及基于4G網絡的數據傳輸與處理技術。設計了無人機多站多機集群飛行方式,通過航線規劃和獨立控制實現對大面積煤田區域的快速監測;采用紅外雙視熱成像儀進行數據采集,無人機在等間距航點處懸停時觸發紅外雙視熱成像儀拍照采集紅外熱圖像和可見光圖像;以4G網絡作為信號傳輸渠道,依靠數據采集前端和數據處理軟件的協同作用,實現數據采集、傳輸和處理的同步。現場應用結果表明,2臺無人機采集254張紅外熱圖像和254張可見光圖像,完成數據采集和圖像前期處理耗時150min,圖像合成耗時10h,與現有技術相比,極大縮短了監測時間;采集的紅外熱圖像所顯示的溫度與實地溫度測試結果重合度在90%以上,表明利用無人機進行煤田火災監測是有效、可行的。
  • 作者(Author): 文虎, 劉洋, 鄭學召, 郭軍

    摘要:針對目前礦山機器人適應性差、通信能力弱、機動性差等問題,設計了礦山救援機器人群。該機器人群主要包括通信機器人、搜救機器人、輔助救援機器人和數據處理中心。通信機器人利用超寬帶雷達進行生命探測,找出被困人員的具體位置,同時通過內置中繼設備保證救援過程中的信息傳輸;搜救機器人按照實時路徑規劃行駛并傳回音頻、視頻、井下環境信息,在找到被困人員之后充當通信設備,構建救援人員與被困人員的通信渠道;輔助救援機器人包括負責打通救援路徑的清障機器人和為被困人員輸送救援物品的物資運送機器人;數據處理中心根據被困人員位置信息,通過GIS規劃搜救機器人的搜救路線,并根據井下實時信息進行路徑修正。機器人群中各類機器人相互協作、功能互補、信息統一化處理,可有效減少因災后環境不明而帶來的二次傷害,提高救援效率。
  • 作者(Author): 楊文娟, 張旭輝, 張超, 趙建勛, 馬宏偉

    摘要:針對目前煤礦井下掘進過程自動化程度低、掘進效率低、巷道成型質量差等問題,提出了一種懸臂式掘進機器人巷道成形智能截割控制系統。該系統結合巷道尺寸和截割工藝要求,基于三次多項式光滑函數的懸臂式掘進機器人關節空間軌跡規劃方法,通過建立的懸臂式掘進機器人坐標系統及懸臂式掘進機器人運動學正問題與逆問題求解,確定軌跡規劃光滑函數參數;規劃好截割軌跡后,以視覺定位方法獲得的懸臂式掘進機器人截割頭位姿數據作為反饋量,基于反饋線性化積分滑模控制器的截割軌跡控制算法實時計算控制量,以規劃軌跡點和視覺測量位姿點構建反饋控制系統,實現對懸臂式掘進機器人巷道成形截割過程的動態控制。實驗結果表明,該系統能夠實現懸臂式掘進機器人巷道成形截割過程的智能控制,定位精度高,穩定性好,軌跡跟蹤誤差小于25.61mm,可滿足巷道成形質量需求。

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