基于虚拟现实与数字孪生技术的综采工作面直线度求解

直线度问题是综采工作面智能化建设的卡脖子问题之一,解决该问题的关键在于刮板输送机或者液压支架群的位姿获取。目前针对综采工作面直线度的研究大多是对液压支架和刮板输送机的直线度分别进行讨论,存在成本高、实现困难等问题。针对该问题,基于虚拟现实（VR）与数字孪生（DT）技术对综采工作面直线度求解方法进行探索,将液压支架、浮动连接机构、刮板输送机看作一个系统来进行整体考虑,搭建了综采工作面直线度求解框架,主要分为机理解析、模型构建、融合推演、重构监测、预测控制5个步骤。指出综采支运装备相对位置关系分析的关键在于连接液压支架底座与刮板输送机的浮动连接机构,根据浮动连接机构的运动特性将其简化为机器人模型,进行正逆向运动解析;依据真实的煤层环境,在Unity3D中建立基于关节的综采支运装备运动仿真模型,构建VR场景,实现虚实映射;通过非接触式视觉传感器、虚拟传感器、虚实融合等技术,融合传感器及点云信息进行支运装备位姿推演;利用虚实交互技术,联合真实物理场景构建DT系统,实现综采工作面虚拟监测;在虚拟场景中对保证直线度所需的推移行程进行预测,并将其反馈至物理场景中进行直线度控制。     

自动化放煤控制系统研究

针对综采放顶煤工作面后端的综放工作面采用人工放煤控制方式,与综采放顶煤工作面前端的综采工作面自动化水平差距较大的问题,研究了一种自动化放煤控制系统。根据放顶煤液压支架上安装的倾角传感器和前后部刮板输送机千斤顶中的行程传感器,控制液压支架放煤机构位姿,实现放煤量精准控制;通过在液压支架尾梁上安装云台摄像仪和红外发射器,对放煤全过程进行实时视频监视,实现后部刮板输送机运煤量和直线度的检测与控制;利用图像灰度识别技术进行煤矸识别,检测采出顶煤的含矸率。该系统提高了放煤效率和质量,为实现综采放顶煤工作面无人化提供了思路。     

基于架间行走机器人的液压支架直线度测量方法

针对目前液压支架直线度测量方法存在测量维度低、误差较大、易受粉尘影响等问题,提出了一种基于架间行走机器人的液压支架直线度测量方法。该方法主要用于支撑掩护式支架,在架间行走机器人上布置传感器,用于直接测量液压支架底座的横向偏移、纵向偏移、横向斜角和纵向倾角等多维位置偏移信息,从而通过支架位置偏移量表征液压支架的直线度信息。试验结果表明,相邻两架偏移误差值在0.2cm以内,相邻两架角度误差在10′以内;当模型增加到100架支架,依据常规液压支架1.5m的中心距计算,在工作面长度为150m时,预计会产生位置偏移累计误差10cm,角度累计误差8°20′,对于长度不超过150m的短距离综采工作面,这个累计误差在可接受的范围内,可满足液压支架直线度的测量需求。相比于传统的一维测量信息,该方法通过4维位置偏移信息可为液压支架群的控制提供参考。     

综采工作面直线度控制系统研究

分析了实现综采工作面直线度控制的主要方法,介绍了工作面直线度控制的工作原理,并采用激光对位传感器等设计了工作面直线度控制系统,实现了工作面液压支架的直线度控制。井下原理性实验结果表明,该系统能够有效地控制沿工作面走向的支架之间的相对位置,直线度控制精度达到30mm,能够满足工作面直线度控制要求。     

液压支架直线度检测机器人激光定位矩阵研究

针对煤矿井下无人工作面液压支架直线度检测问题,提出了液压支架姿态及直线度检测模型,重点对液压支架直线度检测机器人的激光定位矩阵进行了研究,阐述了激光定位矩阵的软硬件设计方案。通过分析实验结果,得出结论:对于采用直径12mm的光敏电阻制作的激光定位矩阵,当光斑直径为9~30mm时,其检测误差随光斑直径的增大而减小,最大检测误差为7.6mm;综合考虑检测精度和有效检测范围,选择最佳光斑直径为12~18mm;影响激光定位矩阵检测精度的因素主要包括系统误差和随机误差,可通过减小光敏电阻直径、在光敏电阻前增加小阻值电阻等方式来降低检测误差。     

一种新型的并联机器人位姿立体视觉检测系统

建立了一种并联机器人位姿立体视觉测量系统框架,主要包括图像采集与传输、摄像机标定、尺度不变量特征变换（SIFT）匹配、空间点重建和位姿测量五个部分。该系统基于SIFT,能够很好地处理图像在大视角有遮挡、平移、旋转、亮度和尺度变化时的特征点匹配,有较高的匹配精度,特别适用于对并联机器人多自由度和空间复杂运动的检测。最后使用该方法对并联机器人位姿检测做了仿真实验。     

基于目标跟踪的并联机器人视觉位姿检测

建立一种基于视觉的并联机器人位姿检测系统框架,包括图像采集、图像处理、位姿检测、参数反馈4个部分。使用单目摄像头采集图像,以二自由度冗余机器人为控制对象,利用Haar特征提取对目标进行粗跟踪。进一步获得目标上特定的几个特征点,基于平行不变性原理,得到机器人末端操作器的实际位姿参数。通过求解机器人的逆运动学方程,得到电机的控制参数。实验和仿真验证了该系统的可行性。     

融合距离图像和彩色图像的圆位姿测量方法

针对基于单目视觉的单个圆位姿测量解的二义性问题,提出一种融合距离图像和彩色图像消除二义性的方法。该方法首先用RGB相机获取的高分辨率彩色图像计算圆位姿,获得圆位姿的一组歧义解。然后将彩色图像和飞行时间TOF(time-ofFlight)相机获取的距离图像融合,形成一个高分辨率的距离图像。最后,根据距离图像恢复圆在RGB相机下的三维信息,剔除圆位姿中的虚假解,从而得到圆的真实位姿。实验结果表明,该方法能够有效地解决基于单目视觉的单个圆位姿测量的二义性问题,且能够准确获得较高精度的圆位姿。     

悬臂式掘进机位姿检测方法研究现状

从悬臂式掘进机位姿检测原理出发,介绍了分别基于扇面激光、室内GPS(iGPS)、全站仪、机器视觉、超宽带(UWB)和惯导的掘进机位姿检测方法。基于扇面激光的掘进机位姿检测方法具有计算简单、掘进机机身航向角及X轴(垂直两帮煤壁方向)坐标测量精度高的优点,但无法检测掘进机机身Y轴(掘进方向)、Z轴(垂直地面方向)坐标;基于iGPS的掘进机位姿检测方法能实现全参数位姿测量,检测精度高,但有效测量距离小;基于全站仪的掘进机位姿检测方法能实现全参数位姿测量,但标定、移站复杂;基于机器视觉的掘进机位姿检测方法具有掘进机截割头位置及掘进机机身姿态测量精度高、X轴和Z轴坐标测量精度高的优点,但无法检测掘进机机身Y轴坐标;基于UWB的掘进机位姿检测方法具有自主移站便利、Y轴坐标测量精度高的优点,但Z轴坐标误差较大;基于惯导的掘进机位姿检测方法具有姿态角测量精度较高、测量过程独立非接触的优点,但三轴坐标测量存在累计误差。为满足有效测量距离大于100m、三轴定位误差小于10cm、姿态角误差小于1°的实际应用要求,需要进一步研究机器视觉、UWB、惯导相结合的掘进机位姿组合检测方法,以实现掘进机全自主、全参数、非接触位姿检测。     

基于多传感器数据融合的液压支架高度测量方法

针对综采工作面液压支架高度测量困难和测量结果不准确等问题,以两柱掩护式液压支架为例,推导了利用倾角传感器所测液压支架姿态角度计算液压支架高度的表达式。为减小倾角传感器角度测量误差造成的液压支架高度测量累积误差,提出了一种基于多传感器数据融合的液压支架高度测量方法,即利用分批估计算法和自适应加权算法将分别通过掩护梁和前连杆处倾角传感器所测角度计算得到的液压支架高度数据进行融合。实验结果表明,该方法对于623.2mm高液压支架样机的高度测量误差不大于0.3mm,与单一倾角传感器测高相比,精度提高了1mm。