基于数字孪生技术的煤矿掘进机自动截割方法研究

为了解决目前掘进工作面设备自动化控制存在的缺乏可视化人机交互控制、缺乏掘进工作面数字孪生动态建模、缺乏巷道模型与掘进机定位导航系统融合的问题,提出一种基于三维数字孪生技术的煤矿掘进机自动截割方法;该方法利用三维数字孪生技术的巷道模型生成截割模板,实现掘进机对预设截割断面的自动化截割,可达到人工远距离、可视化控制掘进机安全自动作业的目的。介绍了数字化巷道和掘进机模型的构建方法以及数据驱动逻辑,并对掘进机自动截割控制方法进行了详细阐述。结果表明,该方法避免了粉尘等对掘进机自动化截割的影响,降低了人员现场作业风险和劳动强度,解决了掘进机远程截割精确度低、巷道断面成型质量差等问题。     

悬臂式掘进机行走轨迹及偏差感知方法

悬臂式掘进机机身位姿参数的实时精准感知是煤矿巷道定向掘进,乃至综掘工作面智能化、无人化建设的关键环节,在综掘工作面复杂工况下目前还不能真正实现掘进机机身位姿实时、自主、精准感知。提出了一种悬臂式掘进机行走轨迹及偏差感知方法,旨在实时确定掘进机机身的方位偏差,为掘进机定向掘进提供纠偏基准参数。在以往研究的基础上,搭建了基于激光偏距感知、捷联惯导、二维里程计的掘进机行走轨迹及偏差感知系统,分析了掘进机机身方位偏差与巷道定向掘进的关系,制定了基于此系统的掘进机自主定向掘进策略;基于捷联式惯性导航系统在综掘工作面的适用改进推导了其初始粗对准和姿态更新算法,确立了掘进机航向角与偏角的联系;研制的二维里程计可同时测量掘进机横向和纵向里程增量,推导了基于二维里程和偏角的航位推算算法,得到了掘进机实时位置坐标。研发了掘进机位姿参数可视化交互式远程显示系统,搭建了包括掘进机井下、井上可视化远程控制平台、全站仪在内的掘进机行走轨迹及偏差感知精度验证实验系统。工业性实验结果表明所提方法实现了掘进机机身偏角、偏距(横坐标)、纵坐标的精准感知,验证了所提方法的可行性及优越性,满足巷道掘进对于掘进机机身定位定向要...     

悬臂式掘进机智能化控制系统研究

悬臂式掘进机智能化控制系统融合无线通信、数字视频处理、光纤通信和工业网络等先进技术,通过三维定位截割、截割轨迹在线监测、自动控制、补偿、截割姿态检测、截割轨迹监测以及远程可视化和超视距控制等技术,实时观测掘进工作面迎头各系统的运行情况,为安全生产提供直观的图像信息和数据信息,提出掘进成套装备智能化控制系统的设计思路和总体技术框架。在中煤科工山西华泰阳坡泉煤矿进行试验和应用,效果良好,研究成果可为掘进工作面成套装备智能化技术发展提供借鉴和参考。     

悬臂掘进机自动截割控制关键技术

阐述了悬臂掘进机巷道自动截割控制的4个关键技术,即掘进巷道断面自动成形控制、截割头恒功率自动牵引调速控制、掘进机位姿检测控制以及掘进机定向掘进控制。其中前2个关键技术已在EBZ160、EBZ200和EBH300机型上得到实施,试验效果很好。认为,该关键技术的研究为实现掘进工作面智能化、自动化、信息化和无人化奠定了基础。     

悬臂式掘进机视觉导航与定向掘进控制技术

煤矿巷道掘进装备位姿测量是国内外目前研究的热点,不同的巷道快速掘进系统均面临定向导航难题。为解决煤矿井下悬臂式掘进机自动定向掘进控制难题,提出一种基于视觉导航的悬臂式掘进机自动定向掘进控制方法,利用单目视觉测量技术,以巷道中激光指向仪的激光点和激光束为特征构建基于门形结构的掘进机机身位姿视觉测量模型,通过空间矩阵变换解算巷道中机身位姿。根据悬臂式掘进机运动特点确定掘进机纠偏控制策略,基于悬臂式掘进机运动学建立掘进机定向掘进运动控制模型,采用backstepping方法,选取合适的Lyapunov函数设计掘进机轨迹跟踪控制器,有效解决掘进机轨迹跟踪控制问题。实验结果表明:悬臂式掘进机机身位姿视觉测量方法可有效实现井下工作环境中悬臂式掘进机机身的位姿测量,得到掘进机机身位置测量误差在±40 mm以内,姿态角角度测量误差在±0.3°以内;轨迹跟踪控制器可实现悬臂式掘进机的自动定向掘进功能,其运动控制精度在±20 mm以内,满足巷道施工的精度要求。该方法中工业相机固定安装于掘进装备机身,且利用激光指向仪点-线特征构建门型三线模型作为位姿测量基准,与相关研究对比,具有不易脱靶、标靶移动少等优点。     

掘进机远程控制技术及监测系统研究与应用

综合应用自动化、智能化和信息化等高新技术研制开发了适合煤矿综掘工作面地质与环境条件的掘进机远程控制技术及监测系统,实现了掘进机工作过程的定向、定位和定形的自动化远程控制.实现了掘进机位姿参数在线自动检测、自动定向掘进、断面自动截割成形和截割臂摆速自适应控制,首次在我国井下煤巷掘进工况中实现悬臂式掘进机机身位姿误差的绝对法测量,避免了相对法测量过程中误差积累的问题,保证了高精度定向掘进;在井下实现了远程监控、无线遥控和视频监控,实现了在多尘、振动条件下掘进机工况多角度可视化一键式遥控;在井下环网或地面任何网络接入点,实现了掘进机运行状态参数包括位姿参数等信息的实时监测与显示,并具有远程故障诊断和报警等功能.     

悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量系统研究

针对煤矿井下悬臂式掘进机机身及截割头位姿测量难题,提出一种基于激光束和红外光斑特征的悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量系统。在掘进工作面的巷道顶部安装3个激光指向仪,通过固定安装在掘进机机身上的防爆相机对激光束图像进行采集,利用改进的随机Hough变换对激光束进行直线检测,通过建立的基于两点三线的掘进机位姿解算模型得到掘进机机身在巷道坐标下的位姿。同时,通过防爆相机对截割部所安装的红外标靶图像进行采集,利用高斯曲面拟合算法对光斑进行中心定位,通过建立的基于对偶四元数的掘进机截割头位姿解算模型得到截割头在机身坐标系下的位姿,结合得到的机身坐标系与巷道坐标系间的转换关系,得到巷道坐标系下的截割头中心点位姿。最终,在实验室搭建了掘进机机身及截割头位姿视觉测量平台,并在该平台上模拟掘进机的实际工况位姿,结果表明,该方法测得的掘进机截割头中心点在巷道坐标系下的姿态测量误差在0.5°范围以内,位置测量误差在40 mm以内,可以满足掘进机机身及截割头位姿自动、准确、实时测量的要求。     

煤矿巷道智能化掘进感知关键技术

针对目前煤矿巷道掘进工作面智能化应用水平较低导致掘进效率低下、采掘接替紧张的问题,分析了制约巷道掘进工作面实现智能化的关键技术-快速掘进煤炭地质保障技术、智能超前自主感知技术、智能掘进大数据云计算及控制软件技术。论述了煤矿快速掘进理论及技术基础,以煤矿高分辨率三维地震勘探技术、矿井地质透明化技术为支撑,巷道围岩应力及其控制理论为基础,快速掘进设备为保障,形成实现煤矿智能高效掘进的探测、掘进、支护协同作业的基础支撑理论。重点阐述了煤矿巷道掘进工作面的智能超前自主感知技术,包括高分辨地质雷达探测技术、基于TSOA定位原理混合算法的掘进机位姿感知技术、基于同步定位与建图(SLAM)原理的掘进工作面环境感知技术、掘进设备运行状态感知技术。形成实现智能化掘进工作面的"掘进机位姿感知、工作面环境感知、设备状态感知"的空间一体化感知体系。在分析煤矿综掘工作面实现智能化快掘自主感知和调控技术的基础上,提出按照"以智能化超前感知为基础,以多源数据计算为中心,以安全智能快速掘进为目标"的原则进行设计和构建煤矿智能快速掘进技术体系。开发基于F5G通讯的多源数据和多源图像传输、存储技术,确保了数据传输的高效、...     

悬臂式掘进机视觉伺服截割控制系统研究

悬臂式掘进机的自动化、智能化程度低严重制约着煤矿巷道施工技术的发展,智能掘进技术成为目前国内外研究的热点.针对煤矿悬臂式掘进机自动截割控制问题,将视觉测量传感器应用于悬臂式掘进机截割头的控制系统中,提出了悬臂式掘进机视觉伺服截割控制系统.根据悬臂式掘进机的运动学,利用视觉测量系统有效实时反馈截割头位姿,融合惯性导航系统...     

巷道智能化掘进的自主感知及调控技术研究进展

针对当前煤矿巷道综掘工作面的智能化程度较低,掘进效率低下的问题,分析了煤矿综掘工作面实现智能化快速掘进的关键技术--自主感知和调控技术。首先,探讨了智能化快掘创新方法与理论,以智能感知技术、自主控制技术、群组协同技术为核心,构建智能化快速掘进技术体系,以实现煤矿综合掘进机器人化装备的探-掘-护-锚一体化协同作业。其次,重点阐述了智能化掘进的自主感知技术,包括基于超宽带原理的位姿感知、基于双频激电法的超前探测、基于SLAM原理的环境感知、基于变迁记忆故障Petri网的故障感知等;自主调控技术,包括基于群体智能算法的智能截割、基于遗传变异粒子群算法的路径规划、基于BP神经网络PID算法的自主纠偏等。再次,详细论述了智能临时支护感知,包括围岩压力、顶底板状况、支架位姿等多维信息的感知,研究了非水平场景下掘支协同与多机组多缸联动的自适应控制方法;介绍了智能永久支护感知,包括围岩位移感知和支护装备受力变形感知,探讨了锚护网络结构优化方法,提出了基于粒子群优化算法的自适应钻进控制策略。最后,展望了煤矿巷道智能化掘进的自主感知及调控技术的发展方向。     

纵轴式掘进机截割轨迹规划及边界控制方法研究

为实现无人化掘进装备自主作业、完成既定任务,开展了截割轨迹规划及边界控制方法研究。通过分析煤岩硬度与截割臂摆速、截割电动机转速之间的数学关系模型,提出了基于多传感器参数判断的煤岩硬度环境信息描述方法;采用栅格法对环境模型进行建模,构建了栅格地图;针对截割的扫底、自动截割及自动扩帮3个过程,分别规划了截割轨迹;并提出边界控制方法,对规划后的轨迹进行精准自动控制。研究结果表明:提出的截割轨迹规划方法,可使截割头从任意起点躲避夹矸所在位置截割完整个断面,经过试验验证,设计的边界控制方法控制精度较高,可保证巷道边界成形质量,为实现整条巷道的自主定向掘进提供了重要技术基础。     

悬臂式掘进机空间位姿的运动学模型与仿真

为实现掘进断面自动截割成形控制,达到无人采掘装备自主巡航目标,研究了悬臂式掘进机空间位姿运动学模型并进行了仿真。将悬臂式掘进机的机械机构简化为一系列平移或旋转关节串联而成的运动链,建立了掘进机空间位姿坐标体系;利用齐次坐标变换和机器人运动学相关理论建立了掘进机机身位姿和截割头相对于大地坐标系的空间位姿矩阵。采用D-H法求解了正向运动学问题即截割头空间位姿精确定位;采用代数法分析研究了逆向运动学问题即截割头轨迹规划及控制的数学模型。以EBZ200机型为例,实验仿真了类S形自下而上矩形截割断面工艺路径,并进行了现场多组试验。试验结果表明：设定巷道断面4 500 mm×4 000 mm,两帮综合最大误差为65 mm,相对控制最大误差为1.4%,达到煤巷断面质量精度要求,且重复精度高、无累计偏差。     

煤矿巷道掘进技术与装备的现状及趋势分析

"采掘失衡"是影响煤炭开采效率的主要原因,通过回顾煤岩截割理论与截割机构的发展历程,归纳了镐型截齿截割机理与截割滚筒研究现状与进展。介绍了地质条件、掘进装备、掘进工艺之间的相互关系,阐述了适应不同地质条件的掘进装备与掘进工艺发展现状,通过对当前悬臂式掘进机、掘锚一体机等煤矿巷道主力掘进装备及其配套工艺的研究,分析了掘进技术装备与工艺在提高巷道掘进效率中产生的作用效果。通过对比国内外掘进装备技术标准,指出标准的缺失落后已成为制约我国煤炭掘进技术与装备发展的重要因素,可通过国际对标,解决掘进技术装备可靠性问题。在总结掘进技术与装备现状的基础上,结合现阶段国家政策、行业发展、市场需求、新技术应用等方面的现状,从巷道掘进基础理论研究、装备智能化与成套化、掘进机器人、现代感知技术等层面,预测了掘进技术与装备未来发展方向与趋势。     

煤矿巷道智能掘进关键共性技术

依据我国煤矿智能化发展战略,深入分析了国内外智能掘进研究现状,结合我国煤炭赋存条件复杂,巷道掘进问题突出,智能掘进挑战严峻等实际,提出了直接影响和制约我国煤矿巷道智能掘进加快发展的智能截割、智能导航、智能协同控制和远程智能测控四大关键共性技术并给出了解决思路和方法。针对掘进系统智能截割问题,提出了基于视觉伺服的掘进系统智能定形截割控制方法和基于遗传算法优化的BP(GA-BP)神经网络的自适应截割控制方法,旨在提高巷道截割成形质量和效率;针对掘进系统智能导航问题,提出了基于惯导与视觉信息融合的履带式掘进系统智能导航控制方法和基于惯导、数字全站仪与油缸行程信息融合的液压推移式掘进系统智能导航控制方法,旨在提高掘进定位定向精度,实现智能导航;针对掘进系统中掘进、支护、钻锚、运输等多系统协同控制和多任务并行控制问题,提出了基于强化学习的并行作业控制方法和基于Agent的并行控制方法,以及leader-follower法和基于行为法的智能协同控制方法,旨在实现多机器人系统或智能设备的智能协同控制和并行作业,提高掘进效率;针对掘进系统智能测控问题,创建了本地控制层、近程集控层和远程监控层的智能测控系统架构,提出了数字孪生驱动的虚拟远程智能控制方法,旨在保证掘进系统安全、可靠、高效运行,实现身临其境的虚拟远程智能测控。     

煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展

基于煤矿巷道掘进智能化、无人化的发展要求,综述了悬臂式掘进机综掘技术、连续采煤机掘进技术和掘锚一体化掘进技术3条掘进作业线的国内外发展现状,依据国家煤炭安全监察局发布的《煤矿机器人重点研发目录》中对煤矿掘进机器人的规划,从感知、决策、执行3个层面分析了煤矿掘进机的机器人化应具备的特征,感知层通过多类传感器对煤矿井下巷道环境信息进行采集感知,决策层分析和求解作业任务,并融合感知层传输的环境信息,制定规划出最适合的控制策略,执行层接收决策层的指令,对机器人化掘进群组的位姿和运动进行控制。系统阐述了机器人化掘进群组关键技术:掘进机器人的自主定位、煤岩识别与自动截割、远程监控与故障检测等技术;临时支护机器人的自动支护技术;钻锚机器人的平行钻锚技术;辅助装载输送机器人的同步运输技术等。对比分析国际先进机器人化掘进装备和群组,结合我国煤矿巷道掘进技术与装备的现状,提出了煤矿掘进机的机器人化技术与装备发展思路和研究方向:冲击致裂-快速掘进新技术;远程前探-精准惯导新技术;协同掘支-自适护顶新装备;钻锚一体-智能锚固新装备,实现钻探-掘进-支护-锚固-运输协同作业的机器人化掘进群组快速掘进技术,最终达...     

煤矿全断面矩形掘进机巷道掘进底煤控制方法及分析

煤矿全断面矩形掘进机掘进通过多个刀盘组合一次全断面截割形成巷道,一般截割部都占满了巷道断面,掘进机司机无法直接查看工作面地质情况,也无法通过截割粉尘推算地质情况,只能通过滞后探底煤的方式控制掘进机沿底掘进。通过理论及试验来探索研究如何有效精确推算掘进机底煤情况,指导全断面矩形掘进机控制底煤掘进。     

智能采煤机器人关键技术

采煤机是综采工作面的核心装备,研发智能采煤机器人是实现综采工作面智能化的关键。综合分析当前采煤机机器人化研究进程中的传感检测、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制等技术的研究现状,提出研发智能采煤机器人必须破解的“智能感知、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制、位-姿-速协同控制”五大关键技术,并给出解决方案。针对智能感知问题,提出了构建智能感知系统思路,给出了智能采煤机器人智能感知系统的架构,实现对运行状态、位姿、环境等全面感知,为智能采煤机器人安全、可靠运行提供保障;针对位姿控制问题,提出了智能PID位姿控制思路,给出了改进遗传算法的PID位姿控制方法,实现了智能采煤机器人位姿精准控制;针对速度控制问题,提出了融合“力-电”异构数据的截割载荷测量思路,给出了基于神经网络算法的截割载荷测量方法,实现了截割载荷的精准测量;提出牵引与截割速度自适应控制思路,给出了人工智能算法牵引与截割速度决策方法和滑模自抗扰控制的牵引与截割速度控制方法,实现了智能采煤机器人速度精准自适应控制;针对截割轨迹规划与跟踪控制问题,提出了截割轨迹精准规划思路,给出了融合地质数据和历史截割数据的截割轨...     

采煤机自主导航截割原理及关键技术

深部煤层构造较为复杂,实现采煤机无人驾驶开采更加困难。在总结采煤机结构和截割调控技术演变历程基础上,提出采煤机截割调控技术在经历了人工目测截割、机载探测截割、示教记忆截割3个发展阶段后,已经进入到自主导航截割的第4阶段,并提出了适用于深部煤层采煤机自动驾驶的导航截割理论与技术框架,包括导航地图、位姿感知、路径规划、姿态控制4项技术内涵和精细化煤层截割定位地图、精准化煤层截割导航地图、动态化煤层截割导控地图、采煤机融合定位方法、定位精度提升、智采机组全位姿参数矩阵建立、物理-虚拟模型驱动与交互、无人驾驶防冲撞路径规划、截割作业智能调高调直9项关键技术。系统阐述了采煤机自主导航截割相关核心技术基本原理:首先,构建煤层智能化开采导航地图,从精细化煤层截割定位、精准化煤层截割导航和动态化煤层截割导控3个关键步骤实现地图构建及更新;其次,通过融合定位和定位精度提升方法,完成了采煤机位姿精确感知;再次,创建智采机组全位姿参数矩阵,并结合物理-虚拟模型驱动与交互技术构建出导航截割数字孪生系统;最后,基于实时综采装备位姿状态和煤层导航地图信息,实现了无人驾驶防干涉防冲撞路径规划、截割滚筒自适应调高控制...     

矿井掘进机自动截割成形控制技术研究

随着科学技术的发展,自动化控制在煤矿开采中得以广泛应用。以纵轴掘进机为研究对象,建立了截割臂运动的动力学模型,通过PLC编程设计实现了井下巷道掘进工作中的断面自动成形功能。研究为掘进机定向纠偏、位姿检测等研究提供了参考,为井下无人掘进提供了科学依据。     

掘进机煤岩识别技术研究与应用

随着王庄矿大采高综合自动化工作面的实施,矿井采掘衔接矛盾更加突出,这就要求我们必须寻找掘进先进技术。通过巷道煤岩识别技术,来控制掘进机按规定巷道断面截割,并且可以有效区分煤、岩,可以杜绝掘进机割破底板或(顶板),保证掘进机按规定线路截割,从而真正实现掘进自动化截割、机械化打设锚杆,减轻工人的劳动强度,提高掘进效率。