煤矿救援决策指挥技术分析

煤矿生产中,瓦斯爆炸、火灾和水灾等安全事故随时可能发生,不仅会对设备造成损害,还会影响煤矿正常生产。如何在煤矿安全事故发生后进行有效救援,是关系煤矿生存与发展的重要问题。本文主要分析煤矿救援决策指挥技术以及大数据技术在煤矿安全生产中的应用。

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。

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。

4V(0+18)30S煤矿救援钢丝绳研发

通过对煤矿救援钢丝绳使用工况进行分析,自主设计并生产专利产品4V(0+18)30S-18 mm煤矿救援钢丝绳,钢丝绳公称强度1 770 MPa,实际破断拉力大于217 kN,按照客户要求的12倍安全系数达到要求。同时电缆和钢丝绳的复合设计打破了传统钢丝绳只能承载的观念,实现了钢丝绳既能承载,又能传输信号的双重功能,为煤矿救援用钢丝绳批量化生产指引了方向。

煤矿救援钻机换杆系统研制及应用

煤矿救援钻机在大直径救援孔施工中需要进行大量换杆作业。针对传统溜槽式换杆机构存在劳动强度大、安全性差、工作效率低等问题,研究适用于常规钻具的钻杆运移和快速存取方法。设计举升式钻杆运移装置和自动排杆装置,实现钻杆在钻杆箱与井口平台间的往返输送和自动排放;采用电液远程控制系统完成钻机换杆作业的远程控制,最终形成一套适用于地面救援孔钻进的煤矿救援钻机换杆系统。结构力学分析及现场工业性应用表明,换杆系统可实现钻机换杆作业由人力参与向人工控制的转变,减轻了工人劳动强度、提高了安全操作水平,提高了起下钻效率,为救援孔快速施工提供了装备保障。

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。

煤矿救援队伍业务管理系统研究

为了改善救援队伍业务管理模式,提高煤矿救援队伍的业务管理能力,利用救护队现有的计算机设备,以Windows Server 2003系统和北京龙软科技发展有限公司Longruan GIS 3.0为平台,以Visual C＋＋6.0和SQL Server 2000为开发工具,采用多层次的Client/Server结构,在面向对象思想指导下设计与实现的煤矿救援队伍业务管理系统,文章介绍了业务管理系统的前台软件开发和后台数据库开发的设计思想和步骤。现场应用证明,该系统能够为煤矿救援队业务管理提供强有力的技术支持,有利于提高煤矿救援队管理人员的业务能力。

多节履带式煤矿救援机器人机构及其动力学仿真

为在煤矿事故复杂环境下及时获得事故现场信息，提出了一种可穿越狭窄空间、翻越较高障碍并可携带多种环境探测传感器的多节串联多履带式的新型煤矿救援机器入。采用递推形式的牛顿欧拉法建立了该机器入的动力学模型，并利用Maflab Function模块进行了动力学仿真分析。分析结果表明，影响该机器人动力学特性的主要因素是其各单元之间的耦合作用、各单元的初始状态以及地面土壤参数，此结论为实现该机器人的控制提供了有效的依据。

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。

煤矿救援机器人全局路径规划

全局路径规划是煤矿救援机器人自主导航的关键技术之一,其任务是按照某一最优指标寻找一条从起始点到目标点的安全避碰路径。文中针对矿难发生后,井下部分巷道的局部环境不确定的特点,提出以矿难前的已知GIS系统为基础,结合改进蚁群算法获取环境不确定情况下的优化路径,从而获得全局最优路径的策略;依据安全性、路径最短原则设计了适应值评价函数,依此作为路径评价和信息素更新的依据;为避免停滞现象,采用确定性选择和随机选择相结合的路径选择策略。实验结果验证了算法的正确性和有效性。

基于ZigBee的煤矿救援机器人无线通信系统设计

首先针对煤矿救援机器人系统进行总体设计,并分析当前主流的无线通信技术的优缺点,确定在矿道中选用900 MHz的ZigBee组网完成救援机器人的无线通信;然后根据ZigBee技术自身特性设计了无线组网的流程,使无线通信带宽更高,维护更加方便,同时避免了因传输路径占用而无法进行数据传递的问题;最后基于CC2530芯片完成了煤矿救援机器人无线通信系统的硬件设计,并依据设计的通信协议,实现了多机器人协作完成救援任务。

煤矿救援机器人机械臂轨迹规划算法研究

针对煤矿井下复杂环境中救援机器人机械臂轨迹规划不合理、规划方法收敛速度慢等问题,提出了一种基于融合杜鹃搜索的灰狼优化(CS-GWO)算法的煤矿救援机器人机械臂轨迹规划算法。以五次多项式插值为基本轨迹规划方法,在机械臂关节空间进行轨迹规划,通过CS-GWO算法对得到的轨迹进行优化,实现机械臂时间-能量最优轨迹规划。CS-GWO算法在灰狼优化(GWO)算法的位置更新方式中融入杜鹃搜索(CS)算法的2次扰动过程,结合CS算法的莱维飞行模式和鸟巢位置随机更新的特点,使得狼群在向猎物逼近的过程中能够随机跳出局部搜索区域,扩大了搜索范围,避免算法陷入局部最优解,增强了GWO算法的全局搜索能力。Matlab仿真结果表明,CS-GWO算法能够有效提高CS算法的收敛速度和GWO算法的全局搜索能力,其稳定性更好,整体性能较优;利用机械臂轨迹规划算法可得到一条时间-能量最优轨迹,各关节角位移、角速度、角加速度曲线均光滑、连续,有效解决了煤矿井下复杂环境中救援机器人机械臂最优轨迹规划问题。

煤矿救援机器人液压系统设计与仿真

为了能够更好地解决煤矿救援机器人的防爆问题,尝试了将液压系统应用于煤矿救援机器人。设计由液压泵、液压马达和相关控制阀组成的闭式液压系统,使之既满足煤矿救援机器人驱动的基本需求,又能对机器人的防爆起到积极作用。运用AMESim软件对所设计的液压系统进行平地行走和越障能力仿真,结果表明,所设计的液压系统完全能够实现煤矿救援机器人驱动的要求。因此,液压驱动方法用于煤矿救援机器人是可行的。

多尺度特征融合的煤矿救援机器人目标检测模型

传统目标检测模型采用人工设计的目标特征,造成检测精度较差。基于深度学习的目标检测模型具有较高的检测精度,然而针对实时性和精度要求比较高的煤矿救援机器人应用场合,获取的图像信息较少且目标特征不明显,造成目标检测效果较差。为提高目标检测精度和速度,基于YOLO V3模型提出了一种多尺度特征融合的煤矿救援机器人目标检测模型。该模型主要包括特征提取和特征融合2个模块:特征提取模块采用空洞瓶颈和多尺度卷积获得更加丰富的图像特征信息,增强目标特征表达能力,提高了目标分类精度和检测速度;特征融合模块在特征金字塔中引入空间注意力机制,对含有丰富语义信息的高层特征图和含有丰富位置信息的低层特征图进行有效融合,弥补了高层特征图位置信息表达能力不足的缺点,提高了目标定位精度。将该模型部署在煤矿救援机器人嵌入式NVIDIA Jetson TX2平台上进行灾后环境目标检测实验,检测精度为88.73%,检测速度为28帧/s,满足煤矿救援机器人目标检测的实时性和精度需求。

履带式煤矿救援机器人越障能力分析与越障过程仿真

为制定煤矿救援机器人越障策略从而进行有效运动控制,选择台阶、斜坡和沟道等3种典型障碍,依据运动学原理研究救援机器人在3种障碍上的越障过程,得到了机器人的极限越障能力;运用Recur Dyn软件建立了救援机器人3D模型。通过越障仿真试验,得到机器人越障过程中俯仰角、俯仰角速度等参数的变化规律。研究结果可为判定机器人能否越障以及制定越障策略提供依据和参考。

煤矿救援机器人语音交互单元设计

为了实现煤矿灾害救援过程中指挥中心与伤员或者现场救灾人员的语音交互,设计了煤矿救援机器人的语音交互单元,并通过实验证明了方案的可行性、实用性。该单元主要由光纤传输装置、语音控制电路、语音存储与录放电路和音频放大电路组成。

基于改进A^(*)算法的煤矿救援机器人路径规划

煤矿救援机器人在执行救援任务时,在获得任务指令后首先需要获得环境模型,再利用内置算法在该环境模型中规划出一条从当前位置到目标位置的无碰撞路径。为减少救援机器人的移动时间,通常要求该路径为时间最优,而目前使用较多的传统A^(*)算法在栅格地图环境下规划的路径存在路径冗余点多、路径转折角度大等问题,导致该路径对于可沿任意方向灵活移动的救援机器人来说是“非最优”的。为解决这一问题,在传统A^(*)算法的基础上提出一种改进A^(*)算法。首先,该算法在传统A^(*)算法的基础上增加当前扩展节点的邻接点数量,以快速搜索获得初始路径;其次,通过设置距离阈值并重连路径点,去除初始路径的冗余点;根据步长分割路径获得间距更小的路径点集合,并再次去除冗余点;最后,为进一步对所得路径的转角进行平滑处理,采用5次B样条曲线进行拟合,最终得到路径点更少、路径代价更小、累计转折角度更小的优化路径。在5种不同尺寸、障碍物覆盖率为20%的栅格地图环境中利用MATLAB对上述改进A^(*)算法进行仿真实验,并将改进A^(*)算法的仿真结果与传统A^(*)算法的仿真结果进行对比。结果表明:相对于传统A^(*)算法,改进A^(*)算法通过扩展邻接点、去除路径冗余点及路径平滑等操作,有效改善了传统A^(*)算法的路径冗余点多和路径转折角度大等问题;此外,改进A^(*)算法还能在一定程度上减少生成初始路径时的扩展节点数量,降低系统内存占用。

煤矿救援机器人的多体动力学

根据拉格朗日方程建立了救援机器人机械腿的刚性动力学微分方程,通过对机械腿运动微分方程的推导和数值求解,对机械腿各关节的转角和末端轨迹进行了分析.采用Recurdyn建立了机器人机械腿的仿真模型,对仿真模型进行了动力学仿真,对比仿真结果和数值求解得到的轨迹,两种方法的结果基本一致,证明了采用多体动力学方法建立的机器人足臂的运动方程,可以准确地描述机器人足臂的动力学特性,为足臂的智能控制提供依据.