基于改进最佳缝合线的矿井图像拼接方法

煤矿井下掘进工作面高粉尘、低照度的恶劣环境导致图像信噪比较低,且有效特征点数量严重减少,处理后的图像存在较大色差和噪声,在使用最佳缝合线算法进行图像拼接时出现细节错位、缝合线处过渡不自然或拼接痕迹明显的现象。针对上述问题,提出了一种基于改进最佳缝合线的矿井图像拼接方法。首先,对原始图像进行HSV空间变换,采用改进的Retinex算法对亮度分量进行增强,利用双边滤波函数代替中心环绕函数,以解决亮度差异大处产生的光晕问题,通过增强算法有效提高特征点提取数量。然后,采用SIFT算法提取特征点,并以余弦距离作为匹配度指标;引入像素余弦相似度作为约束项,并采用形态学操作对颜色差异强度进行改进,利用动态规划法对最佳缝合线进行搜索,以避免图像拼接处的错位现象。最后,结合渐入渐出融合算法,使图像过渡平滑,实现煤矿井下掘进工作面的图像融合。模拟井下实际工况环境进行实验验证,结果表明:基于改进最佳缝合线的矿井图像拼接方法与传统最佳缝合线算法相比,避免了颜色差异和噪声引起的错位拼接现象,拼接缝处的图像过渡更加自然,避免了“鬼影”和明显拼接缝的产生,且图像平均梯度提高2.38%,拼接时间提高32.5%,使得融合区域更加平滑自然,提高了拼接质量。

数字孪生驱动的掘锚设备跟踪定位与碰撞检测方法研究

掘锚自动化作业是煤矿巷道智能掘进的关键,针对当前掘锚设备交替作业过程中相对位姿测量和碰撞检测难题,提出一种数字孪生驱动的煤矿井下掘锚设备跟踪定位与碰撞检测方法。首先,为克服井下掘进工作面低照度、高粉尘、复杂背景干扰的影响,以多点红外LED标靶作为信息源,通过工业相机采集红外LED特征点图像,利用Hough轮廓检测与质心法提取光斑中心并通过二进制编码识别标靶ID,采用改进稀疏光流算法对光斑进行跟踪,同时建立基于PNP的掘锚设备位姿解算模型,采用对偶四元数获得设备间相对位姿。其次,利用数字孪生技术,基于Unity3D平台建立对应实际尺寸的掘锚设备及工作面数字孪生模型,利用Socket通信方式实现虚拟空间与物理实体之间的实时数据传输与交互,在虚拟空间中实现掘锚设备实时位姿的三维可视化,结合任意多边形OBB(orientedboundingbox)碰撞检测算法,实现掘锚设备虚拟碰撞检测。最后,搭建实验平台进行掘锚设备位姿测量试验,同时对虚实运动轨迹和碰撞检测效果进行验证。实验结果表明:掘锚设备跟踪定位实验的位置误差不超过20mm,角度误差不超过0.30°;虚实位置坐标对比中X轴方向最大误差不超过1.14mm;Y轴方向最大误差不超过1.10mm,能够保证系统虚实一致性和同步性,满足掘进工作面作业过程中掘锚设备实时跟踪定位及碰撞检测的要求。

数字孪生驱动的悬臂式掘进机虚拟示教记忆截割方法

针对当前掘进设备智能化程度低,掘进过程中超挖、欠挖和异常碰撞等情况难以具体描述,传统自动截割和记忆截割技术难以适应复杂地质条件等问题,提出了一种数字孪生驱动的悬臂式掘进机虚拟示教记忆截割控制方法。通过分析数字孪生技术在当前煤炭智能化开采领域的研究情况,设计了数字孪生驱动的悬臂式掘进机记忆截割控制系统总体方案,对复杂工况下悬臂式掘进机记忆截割关键技术进行研究。首先,充分利用数字孪生和虚拟现实技术的特性,研究复杂工况环境下的虚拟示教策略,基于Unity3D平台建立对应实体等尺寸的工作面及设备虚拟孪生模型、截割部运动学模型和虚拟碰撞检测模型,在虚拟端通过智能交互界面控制虚拟模型运动,结合工人经验设计示教轨迹并优化,使其作为轨迹跟踪的目标期望轨迹,弥补传统井下人工示教由于恶劣工况环境导致的过度依赖工人经验等问题;其次,为提高断面成形质量,研究记忆自动截割阶段示教轨迹跟踪再现控制方法,利用拉格朗日法建立截割部动力学模型,采用迭代学习与滑模控制相结合的方法提高末端执行器对示教轨迹的跟踪控制精度;最后,搭建悬臂式掘进机记忆截割仿真控制平台,通过虚拟空间与物理空间以及各模块之间的实时数据传输与交互,在虚拟空间中完成记忆截割虚拟示教与轨迹跟踪控制过程的三维可视化仿真,进而生成记忆自动截割轨迹跟踪控制指令并发送至悬臂式掘进机物理实体的末端执行器,驱动其按照示教轨迹进行断面成形截割,同时物理传感器采集悬臂式掘进机机身及截割臂位姿数据,反向驱动虚拟模型同步动作,实现对机器人虚拟模型和物理实体的闭环控制。在此基础上对系统的虚实同步性、虚拟样机与物理样机运动一致性和轨迹跟踪再现控制精度进行验证,实验结果表明,系统数据传输延迟较低,能够保证虚实一致性和同步性,且轨迹跟踪控制精度满足实际使用要求,该方法为掘进设备记忆截割与智能化控制提供了新的思路。