悬臂式掘进机视觉位姿检测系统外参标定方法

当前巷道掘进过程中高粉尘、低照度等因素严重影响外参标定精度。针对以平行激光线为特征的悬臂式掘进机位姿检测系统外参标定难题,提出一种基于数字全站仪的系统外参标定方法,详细分析系统外参标定误差对测量系统的影响。通过建立视觉位姿测量系统中各模块之间的坐标转换关系,对系统外参标定原理进行数学建模,利用全站仪位姿检测方法得到全站仪系统外参标定结果下机身相对于巷道的位姿,对普通外参标定结果得到的机身相对于巷道位姿进行精度评价。实验结果表明:悬臂式掘进机全站仪系统外参标定方法位置测量误差在 ± 3 mm内,姿态角角度测量误差在0.08°内;利用全站仪系统外参标定方法得到精度结果: x、y和z方向的位置平均误差分别提高了13.073 mm、21.511 mm和18.159 mm,偏航角、俯仰角和姿态角的角度平均误差分别提高了0.225°、0.246°和0.246°。     

基于惯性测量的悬臂式掘进机位姿自动定位

采用陀螺仪、加速度计、里程计、视觉系统等多传感器冗余导航方式,检测悬臂式掘进机的水平偏角、水平偏距、俯仰角、横滚角、车前距的机身位姿参数,通过对悬臂式掘进机位置、姿态、截割臂运动参数的自动监控,实现悬臂式掘进机的自动姿态调整和自动纠偏,并可按照预先设定的巷道中心线作业。     

悬臂式掘进机远程监控系统设计及应用

针对当前矿井掘进机普遍存在的可靠性低、远程监控及控制精度低等问题,基于悬臂式掘进机特点及远程监控需求,对掘进机远程监控系统的总体结构进行设计,并以PCC可编程计算机为核心进行硬件结构搭建,进而设计了系统的软件结构及人机界面。试验测试结果表明,系统能够很好地完成掘进机的在线监测及远程控制,通信时间控制在0.01 s级别,俯仰角误差值控制在0.1°以内,精度控制在99%以上,其他参数均可以满足掘进机位姿监测精度、定位定向及纠偏辅助等功能需求,实现了预期目的,具备推广应用价值。     

悬臂式掘进机断面成形的几何尺寸检测转换模型

在分析悬臂式掘进机掘进断面成形控制原理的基础上,建立了基于角位移和线位移2种传感器的掘进断面几何参数检测及转换数学模型,得出掘进机巷道断面成形尺寸与传感器检测量的数学关系、断面成形精度与传感器精度之间的数学关系,并对其检测误差进行了分析,为断面成形控制中传感器精度的选择以及截割头截割轨迹、断面形状尺寸的可视化、数字化监控提供理论基础．     

基于截割轨迹的悬臂式掘进机防干涉问题研究

针对巷道施工空间狭小、悬臂式掘进机自动化程度不高的问题,进行了基于截割轨迹的悬臂式掘进机防干涉控制监测一体化系统研究。从悬臂式掘进机机械干涉原理分析入手,分析了防干涉研究存在的不足,并在此基础上,设计出了智能液压限位控制系统。此系统根据记忆程控截割技术记录的截割轨迹控制截割臂和铲板的相对位置,通过传感器传输到操控室,实现可视化监督。此技术的研究改进为悬臂式掘进机机械干涉问题的防治提供了新的思路,以期能够推动悬臂式掘进机向更加智能的方向发展。     

数字孪生驱动的悬臂式掘进机虚拟操控技术

针对悬臂式掘进机智能控制时面临的远程操控问题,结合数字孪生和虚拟仿真等技术,提出面向煤矿井下装备智能控制的"人—信息—物理系统"(HCPS)交互机制,实现掘进工作面物理空间与掘进信息虚拟空间的深度融合与交互;结合悬臂式掘进机模型,提出数字孪生驱动的悬臂式掘进机智能操控系统,从工况数据感知、数字孪生体构建、人—机—环交互3个方面实现地面虚拟掘进与井下实际掘进的深度融合;搭建悬臂式掘进机远程虚拟操控实验平台,以验证孪生数据驱动下的虚实同步等功能,截割轨迹跟踪测试表明,系统可实现掘进机虚实同步控制,截割头位置精度偏差小于40 mm,满足煤矿开采中巷道开拓的质量控制要求.基于数字孪生驱动和虚拟现实呈现的井下设备智能操控方法,在煤矿巷道可视化掘进系统和智能掘进机器人系统中应用效果良好,为煤矿井下综采综掘工作面设备的远程智能监测与控制提供了全新的思路,对促进工作面智能化系统发展重要的借鉴意义.     

基于iGPS的煤巷狭长空间中掘进机绝对定位精度研究

为解决目前掘进机定位方法中存在的非坐标化测量、自动化程度低、易被障碍物遮挡等问题,提出一种基于室内定位系统的掘进机定位方法。该方法将激光接收器安装在掘进机机身固定位置处,通过测量激光接收器在发射站坐标系下的三维坐标,实现对掘进机的绝对定位。基于随机误差建模理论推导双发射站坐标测量的误差传导公式;针对目前室内定位系统绝对测量精度检测方法在狭长空间应用中的局限性,结合测量精度理论分析结果,提出一种适用于狭长空间的绝对测量精度检测方法。实验数据表明,双发射站测量系统在1.2m间距下,发射站与掘进机相距17m时Y轴定位精度优于10cm,X、Z轴定位精度优于2cm。     

悬臂式掘进机自主定位导航技术研究与试验

针对煤矿综掘工作面悬臂式掘进机定位系统存在的定位误差大、定位方式单一问题,在介绍悬臂式掘进机定位需求的基础上,分析基于双目视觉、捷联惯导融合的掘进机自主定位方案.在实验室搭建试验平台,完成基于双目视觉的位姿试验、基于捷联惯导的导航试验、基于双目视觉/捷联惯导融合的定位试验.结果表明:采用融合定位方案后,能够有效抑制掘进...     

基于CAN总线的掘进机实时监控系统研究

以EBZ系列悬臂式掘进机为研究对象,主控制器选用LPC1768芯片,设计了基于CAN总线的悬臂式掘进机分布式实时监控系统,它包括现场参数采集模块、CAN总线通讯系统等。通过对掘进机工作情况的实时监控,可以掌握其工作状态,提高掘进机工作的可靠性。     

悬臂式掘进机在芒硝矿中应用出现的问题及治理方案

悬臂式掘进机是巷道开拓的专用设备,广泛应用于煤矿领域,近年来,基于悬臂式掘进机的特点,其应用范围逐渐向隧道、地铁及矿山领域扩展.就悬臂式掘进机在芒硝矿的使用状况进行分析,并对悬臂式掘进机在芒硝矿中出现的问题及治理方案进行详细阐述.     

基于VBKF-CPA-TSA算法的UWB定位技术

设施内移动农业设备的精准定位是农业智能化、无人化发展的关键。针对设施内GPS拒止环境下农业设备的定位问题,提出利用超宽带(UWB)系统构建设施内移动农业设备的导航定位系统。为了提高移动农业设备的定位精度,提出利用变分卡尔曼滤波(VBKF)对UWB系统的4个测量距离进行平滑处理,提高测量距离的估计精度,采用全质心定位算法(CPA)求解目标节点的位置坐标;为了进一步提高定位精度,利用改进的泰勒级数优化算法(TSA)对VBKF-CPA方法的定位结果进行优化处理。以移动机器人为实验平台,利用UWB系统在室内开展了动静态模拟实验,验证所提方法的有效性。实验结果表明,VBKF-CPA-TSA算法能提升目标节点的定位精度,获得较稳定的定位结果,x轴、y轴、z轴的平均误差由0.085、0.071、0.064 m减小为0.034、0.032、0.028 m,平均估计精度分别提高了60%、54.9%、56.3%;VBKF-CPA-TSA算法的动态定位轨迹更逼近真实轨迹,表明所提定位算法能提高设施内UWB系统的定位精度,该方法为设施内GPS拒止环境中移动农业设备的定位提供新方法。     

基于脉冲响应消岐重构的 UWB 测距优化方法

UWB 测距技术因功耗低、安全性高等优势在工业领域应用日益广泛。 工业非视距场景下 UWB 脉冲信号由于穿透衰 减和多通道反射等因素,存在首径信号衰减和多径延迟的问题,将会降低系统的定位精度。 针对该问题,通过对 UWB 信号传 递及响应建模,提出一种基于 UWB 信道脉冲响应的消岐重构算法,将信道脉冲簇信号进行泊松过程解析,对代表直线传播距 离的首径信号进行特征增强,实现了复杂多径干扰下的首径信号提取与分离,提高了信号到达时间辨识精度,减少了 UWB 测 距误差。 进一步地,依据 IEEE802015. 4a 标准对 UWB 信道响应进行仿真,并实现了不同遮挡环境下的实验研究,仿真和实验结 果表明,本文提出的消岐重构算法能够显著提高多干扰环境下的定位精度,在存在多反射源和多遮挡物的工业非视距场景下, 可使定位误差相较于传统阈值法降低约 79. 1% 。     

二维里程辅助的掘进机自主导航方法研究

针对掘进工作面恶劣的环境以及掘进机时常发生滑移运动造成掘进机导航参数不能精准获取的难题,提出了基于二维 里程辅助的掘进机自主导航方法。 研制了二维里程测量装置,搭建了二维里程辅助的掘进机自主导航系统;建立了二维里程测 量装置和捷联惯导误差方程,推导了二维里程辅助的组合导航算法。 为了应对量测噪声统计特性时变导致系统估计误差变大 的问题,提出了基于模糊理论的数据融合算法,实时在线调整噪声协方差矩阵。 仿真实验结果表明模糊融合算法相对于传统融 合算法将航向角误差降低了 34. 78% ;3 个方向的定位误差分别降低了 44. 33% 、41. 82% 和 42. 26% 。 进行了掘进机导航定位实 验,实现了 0. 052 m 的定位精度,满足无人掘进工作面对掘进机自主导航的要求。     

FOA-PID控制器在悬臂式掘进机截割头升降控制系统中的应用

为提高悬臂式掘进机截割头升降控制精度,在建立系统数学模型基础上,分别采用FA算法和FOA算法对PID参数进行优化,对FA-PID控制器和FOA-PID控制器控制性能进行仿真分析,并为了验证两种控制器实际控制性能进行了实验研究。得出结论:对于幅值为1 mm 的阶跃信号以及不同频率的正弦信号,FOA-PID控制器响应性能均优于FA-PID控制器;FOA-PID控制器更能满足悬臂式掘进机对于截割头升降控制精度的要求。     

复杂坏境下基于SINS/UWB的容错组合定位技术研究

针对超宽带无线定位系统在复杂坏境中出现的定位数据丢失以及粗大误差等导致SINS/UWB组合系统定位精度下降的问题,提出了一种基于超宽带定位系统容错判断的组合定位方法。首先根据捷联惯导测量值进行基于中值滤波的运动载体静止状态检测,进而利用最小二乘法实现静止状态下捷联惯导量测偏差矫正;然后在建立SINS/UWB组合定位模型的基础上,引入决策树容错判断机制,对超宽带定位系统在复杂环境中由于信号干扰以及非视距导致的测量数据丢失以及粗大定位误差进行实时评估,进而应用卡尔曼滤波算法,实现容错组合定位系统的构建。在搭建的SINS/UWB组合定位实验平台中进行模型验证,结果表明容错组合定位系统能够有效检测出UWB定位系统出现的定位数据丢失以及粗大定位误差,并且在UWB粗大误差状态持续6 s的情况下,容错组合定位系统仍然能够保持较高的定位精度。     

基于因子图的 INS / UWB 室内行人紧组合定位技术

针对室内复杂应用场景下待定位行人接收到的超宽带(UWB)测距信息数量不确定问题,提出一种基于因子图的INS/UWB室内行人紧组合定位算法,实现对动态随遇接入与退出的UWB量测信息有效融合。首先,基于室内行人运动模型以及UWB量测模型构建INS/UWB紧组合因子图模型,由于对行人位置与速度同时进行建模估计,导致该因子图模型含有环结构。在此基础上,针对有环因子图模型基于和积算法(SPA)通过两次迭代推导因子图中各节点间消息传递算法,计算行人位置与速度的后验概率密度。进一步,针对特殊量测矢量条件下因子图算法定位误差跳变问题,提出一种基于坐标变换的因子图改进方法,从而有效提高行人位置与速度估计精度。仿真结果表明,本文提出的INS/UWB紧组合定位算法可以有效融合动态随遇接入与退出的UWB测距信息。在满足计算量与内存消耗需求的前提下,与变结构多模型扩展卡尔曼滤波(EKF)相比,本文提出算法的定位精度与速度估计精度可以分别提高14.94%与56.42%。     

基于UWB室内定位的迎宾机器人系统研究

针对室内复杂环境下移动机器人很难实现精确定位的问题,设计了一种基于UWB室内定位的迎宾机器人系统。通过架设4个UWB定位基站,以及安装于机器人上方位置的定位标签,对迎宾机器人进行实时定位。介绍了迎宾机器人的总体结构,对其机械系统和控制系统进行了详细说明;提出了一种融合PID和LQR的移动机器人混合路径跟踪算法。最后对迎宾机器人进行实验,验证整体方案的可行性和有效性。实验结果表明,自主研制的机器人系统软硬件运行稳定可靠,设计的UWB室内定位系统具有小于5 cm的室内定位精度,重复精度小于1 cm;所提出的混合路径跟踪算法具有较快的响应速度,跟踪精度小于5 cm。     

基于改进 ESKF 的植保无人机时延位姿补偿算法

为解决全球导航卫星系统和惯性测量单元融合时间不同步问题,提高植保无人机位姿估计精度,本文根据植保无人机 大惯性、强振动的特性提出一种基于改进误差状态卡尔曼的时延位姿补偿算法。 首先对名义状态变量线性预测,引入渐消因子 提高强振动环境下的系统稳定性;接着采用互补滤波对角速度补偿,对姿态误差状态变量修正;最后结合测量的延迟时间,使用 互补滤波外推数据,提高大惯性特性下的速度位置精度。 实验结果表明,相较于误差状态卡尔曼算法,横滚角和俯仰角均方根 误差减少 0. 266 9°和 0. 241 4°,偏航角均方根误差减少 0. 076 4°;正常航迹植保作业下,东北天方向速度均方根误差减少 0. 210 5、0. 184 9、0. 238 8 m/ s;东北天方向位置均方根误差分别减少 0. 21、0. 19、0. 23 m,有效提高位姿估计精度。     

基于 UWB 系统的采煤工作面端头采煤机 自主定位方法研究

采煤机自主定位装置的长期定位精度是煤矿智能开采的关键。 针对当前采煤机定位精度难以满足自动开采的需求,提 出了采煤工作面端头自动校准惯性导航定位系统的方法,构建了基于 UWB 系统的井下局部定位系统,对采煤机位置进行修正 纠偏,能实现采煤机长期循环自主定位的策略。 考虑 UWB 系统在非视距(NLOS)环境下的定位精度较低,提出了基于不等式 约束的平方根无迹卡尔曼滤波(CSRUKF)定位算法;为了进一步消减 NLOS 误差的干扰,提出了基于考虑运动速度的抗差泰勒 级数(VRTS)算法对定位结果进行优化,提升最终的定位精度。 以 UWB 定位系统和移动平台为基础,开展了模拟端头定位的 实验。 实验结果表明,CSRUKF-VRTS 方法能够减小定位误差,提高 NLOS 环境下的定位精度,x 轴、y 轴和 z 轴的平均误差分别 由 0. 332、0. 404 和 0. 306 m 降低到 0. 266、0. 212 和 0. 159 m,对应的平均精度分别提升了 17. 4% 、47. 5% 和 48. 1% 。 所提的采煤 工作面端头循环定位策略为采煤机实现长期自主定位提供新的思路,为非视距环境下的定位提供参考。