计算机与PLC通信技术在煤矿探测与救援机器人中的应用

机器人内部各个控制模块之间的通信、下位机PLC模块与上位机PC之间的通信是机器人智能控制中的重要环节。以某大学研制的煤矿探测与救援机器人为平台,介绍下位机中多个PLC的通信过程及下位机与上位机通信的实现,重点阐述了采用Visual C++6.0开发串行通信程序来实现PC与PLC实时通信的过程。通过PC对机器人的通信控制实验证明,这种通信方式简单有效、实时性较强。

基于改进A*和势场法的轮式煤矿救援机器人路径规划

煤矿救援机器人在非结构化井下巷道环境中执行搜救任务,传统的路径规划算法用于搜索空间较大或者复杂度较高的非结构化环境时,可能会面临效率低、非最优路径和平滑度较差等问题;此外,巷道存在复杂的交叉口等环境特征,机器人在该区域容易偏离预设路线或与路口壁面发生剐蹭。为了克服这些问题并提高机器人的导航精度,提出了针对轮式煤矿救援机器人的路径规划算法改进方案:①改进启发式全局路径规划A*算法,通过分层邻域搜索与剪枝的方法改进邻域搜索方式,优化代价函数以更好地平衡实际代价和启发式代价的影响,更准确地评估每个节点的代价,使其适应实际情况且缩减了计算量,并利用B样条方法对路径进行平滑处理;②利用随机样本一致算法(RANSAC)构建煤矿巷道壁面的几何模型,以便提取交叉路口特征点坐标纳入规划系统,利用B样条曲线基函数的局部支撑性优化路径,当后续添加路径优化点时,仅影响相应区间的曲线形状,对路径的其余部分不产生影响;③根据构建的环境几何模型和提取的特征点建立综合局部势场,引入调整系数优化势场分布,并使用粒子群算法(PSO)优化的PID算法实现运动控制,增强机器人针对巷道交叉口等复杂环境通行的适应能力。通过MATLAB和机器人操作系统(ROS)仿真验证了算法原理与应用的可行性,结果表明该方法可以实现在复杂交叉环境中路径规划、自主行驶等功能。

救援探测机器人动力系统设计

针对救援探测机器人在防爆条件下动力匹配设计的难点,首先通过对救援探测机器人的动力系统进行分析研究,确定了动力系统优化的关键部件及其参数决策范围,建立动力系统的多目标优化模型。其次,利用PlatEMO多目标优化平台,采用非支配排序的NSGA-II遗传算法对救援探测机器人动力参数优化问题进行求解。最后,参照求解结果设计救援探测机器人的动力系统,并制造样机进行测试,结果表明救援探测机器人的动力性能参数满足设计要求。

基于改进A^(*)算法的矿用机器人救援路径规划及仿真分析

【目的】煤矿井下灾后现场情况复杂,针对传统A^(*)算法的煤矿机器人救援路径规划存在路径不安全、效率低等问题,结合栅格地图及救援机器人可沿任意方向移动的特点,多方面对传统A^(*)算法进行改进。【方法】首先,引入了机器人尺寸叠加到障碍物的概念,以确保路径的安全性。其次,通过优化启发函数,降低偏离最佳路径节点的扩展数量,减少冗余节点与路径转折,降低了计算复杂度。最后,采用动态调整算法将路径转折角圆弧化,对所得路径平滑处理,提高了路径的可操作性。最终获得路径代价更小、耗时更短、转弯次数更少的优化路径。基于改进的A^(*)算法,利用MATLAB开展了不同尺寸及不同障碍物覆盖率下救援机器人路径规划的仿真模拟试验。【结果】结果表明:相较于传统A^(*)算法,在崎岖环境地图中改进的A^(*)算法使搜索节点降低了26.51%、计算时长减少了80.42%、路径长度缩短了31.85%、转向次数减少了44.44%,提高了路径的搜索效率和平滑程度。【结论】改进的A^(*)算法为复杂工况环境下煤矿机器人的救援工作提供了一定的理论基础。

面向煤矿救援机器人路径规划的重回放机制DQN算法

煤矿井下环境复杂,现有煤矿救援机器人路径规划算法存在收敛性差及平滑性能弱等不足。提出一种面向煤矿救援机器人路径规划的重回放机制和动态贪婪策略结合的DQN算法。首先,通过DQN网络训练得到的输出值替换原来的Q值表,并采用重回放机制,从而避免陷入维度灾难和改善算法的收敛性;其次,采用一种动态的贪婪搜索策略,选择出当前最佳的执行动作,打破样本之间的关联性,不断探索环境信息选择最优路径。最后,利用拓展邻域的位移模式,缩短搜索距离从而提升规划路径的平滑性能。仿真结果表明:提出的算法性能对比DQN算法在煤矿救援机器人规划路径指标性能上获得较大提升,从而保障了煤矿救援机器人实际作业时的高效运行。

基于改进A^(*)算法的煤矿救援机器人路径规划

路径规划是煤矿救援机器人研究的重要内容之一。针对灾后煤矿环境非结构化的特点,以及传统A^(*)算法规划的路径长度非最短、拐弯次数多和平滑度较差等问题,提出一种基于改进A^(*)算法的煤矿救援机器人路径规划方法。对真实环境中的地图信息进行二值化处理,构建栅格地图;判断当前点与目标点的相对位置,利用改进A^(*)算法进行路径规划,得到一条从当前点到目标点的路径;利用Douglas-Peucker(D-P)算法提取路径上的关键节点,采用三次样条插值函数对关键节点进行拟合,完成对路径的平滑处理。改进A^(*)算法将传统A^(*)算法的8邻域搜索扩展为有目的性的13邻域搜索,在进行路径搜索时,先对当前点和目标点的位置关系进行判断,从而减少路径节点,减小路径长度,提升路径平滑度。Matlab仿真结果表明:与8邻域A^(*)算法、24邻域A^(*)算法、48邻域A^(*)算法相比,改进A^(*)算法在路径长度、拐弯次数、平滑度等方面有一定优化,更适用于煤矿救援机器人路径规划;与Fuzzy算法相比,改进A^(*)算法路径规划所用时间更短,规划的路径长度更短,拐弯次数更少。

煤矿机器人技术产业痛点及智能化分级标准

探讨了我国煤矿机器人行业的发展现状、痛点以及未来趋势。在“机器人+”大时代背景下,从机器人企业数量、地域分布、产业园区建设、优势赛道、国家政策等层面阐述了我国机器人产业发展情况,并阐述国内互联网和制造业大厂入局机器人带来的变革与挑战;重点分析了煤矿机器人技术及产业痛点,指出了煤矿机器人实现智能化应具备的3大能力;提出了应加强其供应链、标准体系等方面建设;详细介绍了煤矿机器人L_(0)~L_(5)的分级标准。

矿用救援探测机器人系统设计与研究

为了提升煤矿救援探测机器人在受限空间救援探测过程中通信稳定性、可靠性,以及煤矿事故现场非结构环境的通过性能,研制出一种具有自动跟随收放通信光缆功能的新型履带式救援探测机器人系统。当救援探测机器人移动时,自动收放光缆装置通过张紧传感器张力的检测,控制光缆卷筒旋转速度与机器人行走速度匹配,保证救援探测机器人收放线时行走通畅、与遥控服务器可靠通信。并对救援探测机器人悬挂履带行走机构进行越障性能分析,测试结果表明,救援探测机器人可顺利通过22 cm高的台阶,线缆卷筒通信光缆收放正常,机器人四路图像数据传输清楚连续,环境检测数据传输正常,系统整体运行稳定。

煤矿探测救援机器人研究现状及其应用

论文提出了研究煤矿探测救援机器人的必要性,在介绍国内外煤矿探测救援机器人研究现状的基础上,拟出了需要解决的关键技术,并对其应用前景进行了探讨,提出了探测救援机器人今后的发展方向,以期为之后进一步深入研究提供借鉴。

煤矿灾害救援双级式信息探测机器人系统研制

针对煤矿灾害救援信息探测机器人难以到达井下灾害现场的现状,研制一种新的基于井下避难硐室的煤矿灾害救援双级式信息探测机器人系统。当发生煤矿灾害时,该系统一级运载机器人从避难硐室附近出发,沿煤矿巷道顶板预设的工字钢轨道行驶,直到无法继续前进时释放二级信息探测机器人进一步对灾害信息进行探测。该系统基于RSSI的改进路径损耗模型设计,解决了受限空间的无线通信不畅和中继设备安放间隔难以确定的问题。煤矿巷道仿真实验室对该系统测试结果表明,双级式煤矿信息探测机器人在井下通信顺畅,图像数据传输清晰连续,系统运行稳定。

基于视觉SLAM的煤矿救援机器人建图研究

当煤矿事故发生之后,为了能够快速进行灾后勘探和救援任务,利用开源的ORB-SLAM2算法和深度相机,结合已有的移动机器人平台,对位于井下的移动机器人的定位以及巷道环境的建图进行研究。分别在光线充足和有辅助光源的黑暗条件下进行模拟试验,得出了移动机器人的运动轨迹,为实际井下救援过程中煤矿救援机器人的自主导航系统提供尺度准确的2D栅格地图。

矿山钻孔救援探测机器人研究进展

分析了国内外钻孔救援技术、煤矿救援探测机器人及矿山钻孔救援探测机器人的研究现状,指出将煤矿救援探测机器人和管道机器人的研究成果与矿山钻孔救援的探测需求相结合,可以研制出满足要求的矿山钻孔救援探测机器人,提高井下灾后救援的成功率。从移动机构、导航、定位和路径规划、传感探测、通信和控制方式、能源供给、防爆性能等方面分析了矿山钻孔救援探测机器人的关键技术及其发展趋势,指出应围绕机器人的通过性、可靠性、轻量化、智能化等目标,在移动机构、能源供给和防爆性能等方面进行创新设计,提高传感检测范围和精度,研究未知、非结构化环境中的导航、定位及控制的智能算法,提高机器人的环境适应性。

煤矿救援机器人的通信系统设计

为了保证煤矿救援机器人通信性能的可靠性,根据ISO/OSI层次模型设计了通信系统,该系统包括机身通信系统和上下位机通信系统。针对物理层,介绍了快速建立井下有线光纤网络和以Zigbee技术为基础的Ad Hoc无线网络的方式;针对数据链路层,根据高级数据链路控制(HDLC)协议设计了上下位机的stop-wait-ARQ串口通信协议,保证了数据传输的正确性,也进一步提高了通信系统的可靠性;使用MSComm控件设计了上位机和下位机通信软件,在应用层实现了串口通信协议。通过矿井现场试验验证了该系统的可靠性和数据传输的正确性。

煤矿探测机器人行走机构设计与步态分析

为了适应煤矿井下复杂地形,设计了一种煤矿探测机器人行走机构:躯体为圆形,6条腿均布在躯体四周;躯体及腿部采用高强度铝合金材料,整机仅800g。对该机器人直线行走步态、原地转向步态及其运动能力进行了分析。采用Solidworks和ADAMS软件建立了机器人仿真模型,对其进行仿真及样机试验,结果表明,机器人单次旋转动作的最大完成角度达24°,最多2次旋转操作即可完成任意角度转向;机器人直线行走时平均速度达0.1m/s,其位移、速度及加速度变化较规律,运动较平稳,没有出现剧烈抖动。

基于可视切线图的新型煤矿救援机器人路径规划

针对未知环境建模问题阐述了可视切线图的概念,提出了一种未知环境下基于可视切线图的新型煤矿救援机器人路径规划方法,并采用'方向偏差最小'启发式策略搜索全局目标指导下的局部最优路径。仿真分析证明本文路径规划方法是可行的,并且具有较好的环境适应能力,可以满足新型煤矿救援机器人在未知环境下的运动要求。

煤矿井下搜救探测机器人结构设计

根据煤矿井下的环境特点,结合现有机器人结构组成,设计用于煤矿井下搜救探测机器人。该机器人由履带、摆臂复合式结构构成,分3段,具有良好的越障能力、地面适应能力和机械性能。其传感器支撑臂具有2个自由度,可以实现传感器的空间姿态调整。对其结构组成、运动原理、传动特点等进行了介绍和总结。为后续的动力学仿真、控制系统搭建和传感器选择等提供了工作平台。

矿山钻孔救援探测机器人设计

基于矿山钻孔救援探测需求,针对现有探测机器人信息探测范围窄、探测距离较短、功能单一、无越障能力等问题,设计了一种矿山钻孔救援探测机器人。该机器人能够通过Φ225mm救援钻孔到达煤矿井下,利用携带的传感器和摄像头获取灾变区域的环境信息和被困人员信息,并将信息实时传到地面;以NImyRIO作为控制核心,采用LabVIEW图形化编程构建控制系统,利用有线通信方式实现机器人在灾变区域内的数据远程控制。试验结果表明:该机器人运动性能良好,具有体积小、质量轻、越障能力强等特点,可顺利通过救援孔,能够对井下环境信息进行实时检测和传输,为地面救援指挥中心决策提供了第一手资料。

煤矿救援机器人虚拟样机仿真分析

运用虚拟样机技术,在CATIA环境下建立煤矿救援机器人三维实体模型并对其结构和运动姿态进行仿真分析。以机器人自撑起运动为例,建立其动力学模型,在ADAMS下进行运动学和动力学仿真。分析机器人在完成自撑起运动时,摆臂的速度、加速度与驱动力矩的变化规律,为煤矿救援机器人的进一步仿真分析提供依据,同时也为煤矿救援机器人控制系统设计提供可行的理论数据。

基于人工鱼群算法的煤矿救援机器人路径规划

根据煤矿救援环境特点,采用人工鱼群算法对救援路径进行规划,在二维平面内建立环境模型,并采用威胁区域距离检测的方式处理优化约束条件。对不同数目参考点选取进行对比研究,增加参考点数目,路径长度增加,算法复杂程度提高,迭代时间延长,算法性能下降;参考点过少会导致路径规划成功率降低。仿真结果表明,设置合理的参考点数目,人工鱼群算法能在较短的迭代时间内成功规划得到最优路径。

基于双目视觉技术的煤矿救援机器人研究进展

针对发生煤矿事故后的环境探测和紧急救援任务,研发和使用煤矿救援机器人是提高救援效率和降低救援危险系数的关键途径,而双目视觉技术是煤矿救援机器人获取事故现场信息和实现自主避障及路径规划的前提。首先,基于双目视觉技术的实现流程,介绍了视觉测距的数学原理,归纳了目前摄像机标定领域的代表性方法,包括传统标定方法、主动视觉标定方法和自标定方法。阐述了立体视觉匹配中全局匹配算法、局部匹配算法和亚全局匹配算法的最新研究成果,并比较了3类匹配算法的优缺点。然后,在对近年来煤矿救援机器人研究文献进行分析的基础上,研究了双目视觉技术在煤矿救援机器人中的应用和发展情况。指出双目视觉技术在煤矿救援机器人领域的研究范围主要涵盖立体视觉匹配算法、模式分类与识别、视觉测量与3维重建、组合测量与定位、视觉伺服控制和基于虚拟现实技术的视觉算法仿真等方面。最后,根据煤矿非结构化环境的高动态和强干扰特点,指出煤矿救援机器人现场应用的关键是解决运动模糊和镜头污染、超广角镜头的非线性大幅畸变、弱/零照度条件等技术难题;根据煤矿救援机器人双目视觉的大视场、高精度、自适应感知等要求,提出了包括多自由度测量、多传感器信息融合、基于主动视觉的自适应感知等未来发展建议。