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煤矿综采工作面人员入侵危险区域智能识别方法 被引量：1
1
作者 毛清华 翟姣 +2 位作者 胡鑫 苏毅楠 薛旭升 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期1347-1361,共15页
为解决煤矿综采工作面人员尺度多变、危险区域动态变化等因素导致人员入侵危险区域时,视频AI识别准确率不高的问题,提出一种RSCA-YOLOv8s与危险区域自动划分的煤矿综采工作面人员入侵危险区域智能识别方法。针对综采工作面人员识别准确... 为解决煤矿综采工作面人员尺度多变、危险区域动态变化等因素导致人员入侵危险区域时,视频AI识别准确率不高的问题,提出一种RSCA-YOLOv8s与危险区域自动划分的煤矿综采工作面人员入侵危险区域智能识别方法。针对综采工作面人员识别准确率低问题,在YOLOv8s模型基础上引入RFAConv-SE(Squeeze-and-Excitation with Receptive-Field Attention Convolution)与CCNet(Criss-Cross Attention Network)注意力模块提高复杂背景图像中模型对全局及上下文信息的捕获能力,C2f模块融合Res2Net网络提高模型的多尺度和小目标人员特征提取能力,通过改进的SPCASFF(Adaptive Structure Feature Fusion with Sub-Pixel Convolution layer)模块提升模型对多尺度人员特征的自适应融合能力。针对综采工作面摄像头跟随液压支架动态变化导致危险区域在视场范围内动态变化的问题,提出一种基于护帮板、挡煤板标志性目标关键特征点提取的危险区域自动划分方法。针对危险区域不规则变化与基于重叠度的判断方法参数设置困难的问题,提出一种基于射线法判断人员与危险区域像素坐标位置关系的人员入侵危险区域精准识别方法。通过消融试验、RSCA-YOLOv8s与YOLOv5s、YOLOv8-SPDConv等方法对比试验,以及综采工作面7组多场景危险区域自动划分与5组人员入侵危险区域识别试验测试,结果表明:RSCA-YOLOv8s的人员识别方法准确率更高,达到了97.2%,相较基线模型mAP@0.5提高了1.1%,mAP@0.5:0.95提高了2.5%,对小目标人员具有更准确的识别能力和更高的识别精度;该方法危险区域自动划分的平均准确率为97.285%,人员入侵危险区域的判别准确率为98%以上。 展开更多
关键词 综采工作面 人员入侵 危险区域 多尺度目标 YOLOv8s 区域自动划分
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基于改进YOLOv8n的矿用提升钢丝绳表面损伤图像识别
2
作者 毛清华 杨帆 +4 位作者 王超 仝旭耀 童军伟 张旭辉 薛旭升 《工矿自动化》 北大核心 2025年第4期100-106,152,共8页
针对矿用提升钢丝绳表面油污覆盖引发背景干扰、绳股间隙较大导致特征混淆及小目标损伤识别难度大等问题,提出了一种基于改进YOLOv8n的矿用提升钢丝绳表面损伤图像识别方法。在YOLOv8n主干网络中引入多尺度注意力模块(MSAM),通过增强损... 针对矿用提升钢丝绳表面油污覆盖引发背景干扰、绳股间隙较大导致特征混淆及小目标损伤识别难度大等问题,提出了一种基于改进YOLOv8n的矿用提升钢丝绳表面损伤图像识别方法。在YOLOv8n主干网络中引入多尺度注意力模块(MSAM),通过增强损伤特征与油污背景的空间特征区分能力,提升模型抗干扰能力;将YOLOv8n原有的3个检测头替换为4个轻量化小目标检测头,强化对小目标损伤的识别能力;采用深度可分离卷积(DSConv)替代标准卷积,减少了计算量,提高了识别速度。实验结果表明:改进YOLOv8n模型的平均精度均值(mAP)、识别精度和推理速度分别达92.6%,89.7%和43.5帧/s,相比YOLOv8n模型分别提高了3.1%,4.9%,34.7%;与Faster-RCNN,YOLOv5s,YOLOv8n,YOLOv10m,TWRD-Net,YOLOv5-TPH等主流模型相比,改进YOLOv8n模型对小目标损伤识别精度最高,同时保证了较高的实时性;在煤矿现场油污覆盖、绳股间隙较大的复杂场景中,改进YOLOv8n模型未出现漏检情况,且误检情况较少,平均识别准确率达90%。 展开更多
关键词 矿用提升钢丝绳 损伤图像识别 YOLOv8n 多尺度注意力模块 小目标检测 深度可分离卷积
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激光雷达和IMU融合的煤矿掘进巷道三维重建方法
3
作者 毛清华 柴建权 +2 位作者 陈彦璋 薛旭升 王川伟 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第2期351-362,共12页
针对煤矿掘进巷道存在典型非结构化、特征退化、大尺度环境,巷道三维重建易出现位姿估计精度低、累计漂移误差大等问题,提出了一种激光雷达和惯导(Inertial Measurement Unit,IMU)融合的煤矿掘进巷道三维重建方法。该方法通过迭代卡尔... 针对煤矿掘进巷道存在典型非结构化、特征退化、大尺度环境,巷道三维重建易出现位姿估计精度低、累计漂移误差大等问题,提出了一种激光雷达和惯导(Inertial Measurement Unit,IMU)融合的煤矿掘进巷道三维重建方法。该方法通过迭代卡尔曼滤波将激光雷达观测模型的残差函数和IMU预测模型的先验状态偏差紧耦合,经状态更新得到更为精确的后验状态,提升了退化环境下的位姿估计精度。为降低巷道三维模型重建过程中的累计漂移误差,提出基于体素化广义迭代最近点(Voxelized Generalized ICP,VGICP)的回环检测算法,以基于体素的单分布到多分布的方式进行配准,完成对回环帧的选取及精确匹配,实现回环帧的全局位姿校正,有效降低煤矿巷道三维重建的累计漂移误差。相比于A-LOAM、LEGO-LOAM、LINS算法,所提算法在位姿估计精度和全局一致性方面显著提升。公开数据集试验结果表明:所提算法的RPE和APE均方根误差分别为0.271 8和0.500 8,与其他算法相比分别降低了53.14%、50.97%、48.31%,和50.41%、47.99%、47.49%。开展了2种模拟巷道场景三维重建试验,结果表明所提算法构建的室内长廊模型各区域在长度、宽度和高度方向的误差均在1.2%以内;所提算法构建的煤矿巷道三维模型与真实巷道空间分布一致,总体距离退化误差仅为2.46%,较其他3种算法重建性能分别提升了66.12%、65.30%、70.43%。在煤矿主体实验室掘进巷道进行三维重建试验,结果表明三维重建结果在长度、宽度和高度方向的平均误差百分比分别为0.47%、0.75%和0.67%,可以实现掘进巷道三维精确建模。 展开更多
关键词 煤矿巷道 三维重建 激光雷达 惯导 迭代卡尔曼滤波 回环检测
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煤矿掘进机光纤惯导自适应零速修正方法
4
作者 毛清华 周庆 +3 位作者 柴建权 陈彦璋 杨文娟 薛旭升 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第5期313-324,共12页
高精度光纤惯导与高精度位置传感器融合定位是实现煤矿巷道掘进机精确定位的有效方法,但高精度光纤惯导成本较高且误差随时间累积,如何通过低成本、低精度的光纤惯导自适应零速修正达到高精度光纤惯导性能和消除累积误差是目前亟待解决... 高精度光纤惯导与高精度位置传感器融合定位是实现煤矿巷道掘进机精确定位的有效方法,但高精度光纤惯导成本较高且误差随时间累积,如何通过低成本、低精度的光纤惯导自适应零速修正达到高精度光纤惯导性能和消除累积误差是目前亟待解决的问题。因此,提出一种零速检测与扩展卡尔曼滤波结合的煤矿掘进机光纤惯导自适应零速修正方法。针对掘进机光纤惯导传统阈值方法零速检测不准确问题,提出一种基于PCA-SCSO-SVM(Principal Component A-nalysis,PCA;Sand Cat Swarm Optimization,SCSO;Support Vector Machine,SVM)的零速检测方法,该方法利用掘进机振动信号进行零速检测,首先对振动信号进行VMD分解并根据相关系数选取IMF分量,其次提取IMF分量的时频域特征,并运用主成分分析法降维以降低诊断模型复杂度与数据分析难度,最后通过引入沙猫群优化算法优化核函数与惩罚参数提高零速检测的准确率。针对高精度光纤惯导成本较高和误差随时间累积问题,提出一种自适应零速修正方法,该方法根据掘进机零速检测结果和掘进机运动特性确定的修正间隔时间,利用扩展卡尔曼滤波在零速时刻的速度误差和角速度误差作为观测量进行自适应零速修正。为了验证本文方法的有效性,开展了零速检测和零速修正的试验验证。零速检测试验中,将本文方法、SVM方法、GA-SVM方法和PSO-SVM方法进行对比,结果表明:本文方法零速检测准确度最高,达到了96.5%。零速修正试验结果表明:研究提出的零速修正方法能有效降低光纤惯导的姿态误差和提升掘进机姿态检测精度,且修正间隔时间越短误差估计越准确、修正后的姿态精度越高,修正间隔时间为10 min时,能够使0.1(°)/h的光纤惯导达到0.057(°)/h的姿态检测精度,实现了低精度光纤惯导达到高精度定位目标。 展开更多
关键词 掘进机 光纤惯导 零速修正 振动检测 SVM 扩展卡尔曼滤波
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基于改进YOLOv8模型的井下人员入侵带式输送机危险区域智能识别
5
作者 毛清华 苏毅楠 +3 位作者 贺高峰 翟姣 王荣泉 尚新芒 《工矿自动化》 北大核心 2025年第1期11-20,103,共11页
针对煤矿带式输送机场景存在尘雾干扰严重、背景环境复杂、人员尺度多变且易遮挡等因素导致人员入侵危险区域识别准确率不高等问题,提出一种基于改进YOLOv8模型的井下人员入侵带式输送机危险区域智能识别系统。改进YOLOv8模型通过替换... 针对煤矿带式输送机场景存在尘雾干扰严重、背景环境复杂、人员尺度多变且易遮挡等因素导致人员入侵危险区域识别准确率不高等问题,提出一种基于改进YOLOv8模型的井下人员入侵带式输送机危险区域智能识别系统。改进YOLOv8模型通过替换主干网络C2f模块为C2fER模块,加强模型的细节特征提取能力,提升模型对小目标人员的识别性能;通过在颈部网络引入特征强化加权双向特征金字塔网络(FE-BiFPN)结构,提高模型的特征融合能力,从而提升模型对多尺度人员目标的识别效果;通过引入分离增强注意力模块(SEAM)增强模型在复杂背景下对局部特征的关注度,提升模型对遮挡目标人员的识别能力;通过引入WIoU损失函数增强训练效果,提升模型识别准确率。消融实验结果表明:改进YOLOv8模型的准确率较基线模型YOLOv8s提升2.3%,mAP@0.5提升3.4%,识别速度为104帧/s。人员识别实验结果表明:与YOLOv10m,YOLOv8s-CA、YOLOv8s-SPDConv和YOLO8n模型相比,改进YOLOv8模型对小目标、多尺度目标、遮挡目标的识别效果均更佳,识别准确率为90.2%,mAP@0.5为87.2%。人员入侵危险区域实验结果表明:井下人员入侵带式输送机危险区域智能识别系统判别人员入侵危险区域的平均准确率为93.25%,满足识别需求。 展开更多
关键词 煤矿带式输送机 人员入侵危险区域 YOLOv8模型 遮挡目标检测 小目标检测 多尺度融合 C2fER模块 特征强化加权双向特征金字塔网络结构
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论“掘进就是掘模型”的学术思想
6
作者 马宏伟 孙思雅 +16 位作者 王川伟 毛清华 薛旭升 刘鹏 田海波 王鹏 张烨 聂珍 马柯翔 郭逸风 张恒 王赛赛 李烺 苏浩 崔闻达 成佳帅 喻祖坤 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期661-675,共15页
为了实现煤矿巷道安全、高效、智能掘进,提出了“掘进就是掘模型”的学术思想,给出了“掘进就是掘模型”学术思想的内涵和体系架构,凝练了“掘进就是掘模型”的关键技术问题,即融合多源信息的多元巷道模型构建技术、基于巷道模型的智能... 为了实现煤矿巷道安全、高效、智能掘进,提出了“掘进就是掘模型”的学术思想,给出了“掘进就是掘模型”学术思想的内涵和体系架构,凝练了“掘进就是掘模型”的关键技术问题,即融合多源信息的多元巷道模型构建技术、基于巷道模型的智能截割技术、基于巷道模型的智能临时支护技术、基于巷道模型的智能永久支护技术、基于巷道模型的智能导航技术和基于巷道模型的机群智能并行协同控制技术。针对巷道模型构建问题,提出融合地质勘探、巷道设计、超前探测等多源数据的巷道模型构建方法,为掘进系统各子系统模型构建提供统一基准;针对基于巷道模型的智能截割问题,建立了待掘巷道模型与截割子系统模型的耦合子模型,提出了智能截割轨迹规划以及截割参数优化方法,制定了巷道智能截割策略,实现了截割子系统自适应规划截割;针对基于巷道模型的智能临时支护问题,建立了截割巷道模型与临时支护子系统耦合的临时支护子模型,提出了临时支护位姿与支护力自适应调整方法,实现了临时支护子系统安全可靠作业,提高了围岩的稳定性,为掘锚并行协同作业奠定了时空基础;针对基于巷道模型的永久支护问题,建立了临时支护巷道模型与永久支护子系统耦合的永久支护子模型,提出了受限时空下永久支护子系统内部各钻锚设备的协同控制方法,实现了永久支护子系统的高效协同控制;针对基于巷道模型的智能导航问题,建立了巷道模型与导航子系统耦合的导航子模型,提出了“惯导+全站仪”的智能掘进系统精确导航方法,提高了巷道掘进精度和成型质量;针对基于巷道模型的机群智能并行协同控制问题,建立了巷道模型与机群协同控制子系统耦合的并行协同控制子模型,制定了多机并行协同控制策略,提出了多任务多系统智能掘进系统协同控制方法,实现了智能掘进系统安全高效掘进。基于“掘进就是掘模型”的学术思想,研发了护盾式煤矿巷道掘进机器人系统,成功应用于陕煤化集团陕西小保当矿业有限公司,破解了夹矸厚、硬度大、片帮严重等复杂地质条件煤矿巷道掘进难题,有效提高了巷道掘进的安全性、高效性和智能化水平。 展开更多
关键词 煤矿智能掘进 掘进就是掘模型 智能掘进机器人 智能导航 智能支护 多任务协同控制
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论“采煤就是采数据”的学术思想
7
作者 马宏伟 薛旭升 +7 位作者 毛清华 齐爱玲 王鹏 聂珍 张旭辉 曹现刚 赵英杰 郭逸风 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第1期272-283,共12页
煤矿智能化的核心是综采工作面的智能化,综采工作面智能化的关键是数字化。为了提高综采工作面的智能化水平,提出了“采煤就是采数据”的煤矿综采工作面智能化开采学术思想,凝练了数字工作面构建、精准截割、设备位姿检测与控制、设备... 煤矿智能化的核心是综采工作面的智能化,综采工作面智能化的关键是数字化。为了提高综采工作面的智能化水平,提出了“采煤就是采数据”的煤矿综采工作面智能化开采学术思想,凝练了数字工作面构建、精准截割、设备位姿检测与控制、设备群速度控制和设备群协同控制等五大关键技术,阐述了基于五大关键技术的学术思想内涵,构建了基于数字工作面智能开采的学术思想体系架构。针对综采工作面数字煤层构建问题,融合数字煤层数据、设备群数据等,利用空间插值算法、数字孪生技术等构建数字工作面,构建了包括数字煤层数据、历史截割位姿和速度数据、采煤量数据、设备群协同数据等的数据库,阐述了多源数据融合的数字工作面动态更新方法,提高数字工作面模型的精度;针对综采工作面精准截割问题,阐述了融合数字煤层驱动的截割轨迹规划数据和历史截割位姿数据的轨迹规划方法,以及基于规划轨迹数据的智能插补轨迹跟踪控制方法,利用人工智能算法对规划截割轨迹数据和轨迹跟踪控制的位姿插补数据进行迭代优化,提高截割轨迹规划和轨迹跟踪控制精度;针对综采工作面设备位姿检测与控制问题,阐述了基于多传感器融合数据的工作面装备位姿精准检测方法,以及基于神经网络算法的位姿控制方法,通过位姿感知数据和位姿控制数据的深度融合与迭代优化,实现综采工作面设备群位姿的精准检测与控制;针对综采工作面设备群速度控制问题,提出力−电耦合的截割载荷测量方法,以及基于人工智能寻优算法的速度智能控制方法,融合截割载荷数据和采煤量数据,利用人工智能寻优算法决策最优的牵引速度、截割速度、运煤速度,实现基于设备群速度匹配的高效智能截割控制;针对综采工作面设备群协同控制问题,阐述了基于人工智能算法的设备群主从协同控制方法,以采煤机位姿与速度控制数据作为主导者,刮板输送机和液压支架控制数据作为跟随者,利用人工智能神经网络算法求解最优的设备群位移与速度协同控制参数,实现设备群智能高效安全作业。“采煤就是采数据”五大关键技术已经在煤矿中得到应用,验证了学术思想的可行性。“采煤就是采数据”的学术思想为突破煤炭智能开采的关键技术难题奠定了理论基础。 展开更多
关键词 数字工作面 截割轨迹规划 位姿控制 速度控制 协同控制
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惯导与视觉信息融合的掘进机精确定位方法 被引量：6
8
作者 毛清华 周庆 +2 位作者 安炎基 薛旭升 杨文娟 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期236-248,共13页
针对煤矿巷道复杂环境下掘进机精确定位难题,提出了一种惯导与视觉融合的掘进机精确定位方法,该方法采用惯导与“视觉+激光标靶”的定位方案。该方案将设计的四特征点大尺寸激光标靶固定于巷道顶板,相机固定于掘进机机身采集激光标靶图... 针对煤矿巷道复杂环境下掘进机精确定位难题,提出了一种惯导与视觉融合的掘进机精确定位方法,该方法采用惯导与“视觉+激光标靶”的定位方案。该方案将设计的四特征点大尺寸激光标靶固定于巷道顶板,相机固定于掘进机机身采集激光标靶图像,并运用圆拟合法定位光斑中心和基于四特征点的EPnP算法解算掘进机位置。为了验证“视觉+激光标靶”方法对掘进机位置检测效果,在模拟掘进工作面环境下开展了“视觉+激光标靶”位置检测试验,结果表明:在30 m内沿巷道宽度方向、掘进方向、高度方向最大误差不超过28.549 mm、78.868 mm、44.459 mm,实现了掘进机位置精确检测。针对惯导测量掘进机位姿误差随时间累积和掘进机振动对组合定位系统产生干扰导致位姿检测不准问题,提出改进Sage-Husa自适应滤波的惯导与视觉信息融合方法,该方法通过检测新息方差值修正量测误差来提高定位准确性。在模拟掘进工作面环境下开展了惯导与“视觉+激光标靶”组合定位实验,采用改进前后Sage-Husa自适应滤波算法融合惯导与视觉信息进行对比分析,结果表明:改进后Sage-Husa自适应滤波算法融合得到的定位误差更小,俯仰角、横滚角、航向角最大误差分别为0.029°、0.051°、0.0113°,在距离激光标靶30 m内巷道宽度位置误差在0.033 m范围内,巷道掘进方向位置误差在0.062 m范围内。所提出的惯导与视觉融合定位方法能够满足巷道掘进定位精度要求。 展开更多
关键词 掘进机定位 惯导 机器视觉 EPnP Sage-Husa自适应滤波
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基于模糊神经网络PID的煤矿掘进机俯仰控制研究 被引量：3
9
作者 毛清华 陈彦璋 +3 位作者 马骋 王川伟 张飞 柴建权 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2024年第8期135-143,共9页
目前煤矿掘进机俯仰控制主要采用PID控制方法,在掘进机俯仰控制时变性与液压系统非线性情况下的控制精度不高。掘进机俯仰控制通过控制液压缸行程实现,将传统PID算法与模糊控制、神经网络等相结合,可有效提高液压缸行程控制精度。提出... 目前煤矿掘进机俯仰控制主要采用PID控制方法,在掘进机俯仰控制时变性与液压系统非线性情况下的控制精度不高。掘进机俯仰控制通过控制液压缸行程实现,将传统PID算法与模糊控制、神经网络等相结合,可有效提高液压缸行程控制精度。提出了一种基于模糊神经网络PID的煤矿掘进机俯仰控制方法。通过分析掘进机支撑部运动学关系,得到俯仰角与支撑部液压缸的数学关系;介绍了掘进机俯仰控制液压系统工作原理,建立了液压系统及其传递函数模型;将模糊控制与神经网络相结合,形成模糊神经网络,利用模糊神经网络优化PID控制参数,再结合支撑机构数学模型和液压系统传递函数模型,建立掘进机俯仰角模糊神经网络PID控制模型,实现煤矿掘进机俯仰机构自动精确控制。该方法可使掘进机俯仰机构更加快速、准确到达预设位置,解决掘进机俯仰控制中的时变性与非线性难题。仿真结果表明:模糊神经网络PID控制算法相较于模糊PID和PID控制算法,跟踪误差分别降低了69.34%和74.49%。通过液压缸位移控制模拟煤矿掘进机在突变工况和跟随工况下的俯仰控制,结果表明:模糊神经网络PID控制算法相比模糊PID和PID控制算法,俯仰控制跟踪误差最小,对位置信号的平均响应时间分别缩短了27.22%和50.33%,动态控制性能更好。 展开更多
关键词 掘进机俯仰控制 俯仰角 模糊神经网络PID 液压系统 液压缸位移控制 支撑机构
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煤矿履带式定向钻机路径规划算法 被引量：2
10
作者 毛清华 姚丽杰 薛旭升 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2024年第2期18-27,共10页
煤矿履带式定向钻机路径规划过程中存在机身体积约束和实际场景下的行驶效率需求,而常用的A^(*)算法搜索速度慢、冗余节点多,且规划路径贴近障碍物、平滑性较差。提出一种以改进A^(*)算法规划全局路径、融合动态窗口法(DWA)规划局部路... 煤矿履带式定向钻机路径规划过程中存在机身体积约束和实际场景下的行驶效率需求,而常用的A^(*)算法搜索速度慢、冗余节点多,且规划路径贴近障碍物、平滑性较差。提出一种以改进A^(*)算法规划全局路径、融合动态窗口法(DWA)规划局部路径的煤矿履带式定向钻机路径规划算法。考虑定向钻机尺寸影响,在传统A^(*)算法中引入安全扩展策略,即在定向钻机和巷道壁、障碍物之间加入安全距离约束,以提高规划路径的安全性;对传统A^(*)算法的启发函数进行自适应权重优化,同时将父节点的影响加入到启发函数中,以提高全局路径搜索效率;利用障碍物检测原理对经上述改进后的A^(*)算法规划路径剔除冗余节点,并使用分段三次Hermite插值进行二次平滑处理,得到全局最优路径。将改进A^(*)算法与DWA融合,进行煤矿井下定向钻机路径规划。利用Matlab对不同工况环境下定向钻机路径规划算法进行仿真对比分析,结果表明:与Dijkstra算法和传统A^(*)算法相比,改进A^(*)算法在保证安全距离的前提下,加快了搜索速度,搜索时间分别平均减少88.5%和63.2%,且在一定程度上缩短了规划路径的长度,路径更加平滑;改进A^(*)算法与DWA融合算法可有效躲避改进A^(*)算法规划路径上的未知障碍物,路径长度较PRM算法和RRT^(*)算法规划的路径分别平均减小5.5%和2.9%。 展开更多
关键词 煤矿巷道 履带式定向钻机 自主行走 路径规划 A^(*)算法 融合动态窗口法 避障
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改进YOLOv5s的采煤机滚筒与支架护帮板干涉状态智能识别 被引量：1
11
作者 毛清华 胡鑫 +2 位作者 王孟寒 张旭辉 薛旭升 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期253-263,共11页
针对综采工作面液压支架护帮板处于未收回异常状态导致采煤机滚筒与护帮板干涉问题,提出一种改进YOLOv5s的采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态智能识别方法。运用课题组前期提出的基于边界约束和非线性上下文正则化的去雾去尘方法对视... 针对综采工作面液压支架护帮板处于未收回异常状态导致采煤机滚筒与护帮板干涉问题,提出一种改进YOLOv5s的采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态智能识别方法。运用课题组前期提出的基于边界约束和非线性上下文正则化的去雾去尘方法对视频图像进行清晰化处理,提高综采工作面监控视频图像质量;对YOLOv5s模型进行改进,通过将YOLOv5s主干网络中的普通卷积Conv替换为分类效果更佳的Ghost卷积,减少了模型的参数数量,提高了模型识别速度,同时引入坐标注意力机制,提高了模型对护帮板和滚筒特征提取能力,从而提高模型识别精确率。运用软非极大值抑制算法(Soft-NMS)的锚框筛选方法,减少因护帮板重叠而发生漏检问题。针对采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态判定问题,提出液压支架护帮板与采煤机滚筒锚框重合度的判定方法。运用本文改进YOLOv5s模型与YOLOv5s、YOLOv3-tiny模型进行对比分析,结果表明:本文方法与原模型相比的识别精确率提高了约8.1%,GFLOPs降低1.86倍;mAP@.5达到97.2%、平均识别速度为检测时间为5.9 ms。运用本文方法对煤矿实际综采工作面采煤机滚筒与液压支架护帮板视频图像进行干涉状态识别试验验证,结果表明:对采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态识别准确率为96%。 展开更多
关键词 采煤机滚筒 液压支架护帮板 YOLOv5s 干涉状态 视频图像 智能识别
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基于反吸引速度更新机制的改进蜉蝣算法
12
作者 毛清华 王迎港 牛晓辉 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期1770-1783,共14页
针对蜉蝣算法(MA)前期收敛速度较慢、后期寻优精度不高等问题,提出一种基于反吸引速度更新机制的改进蜉蝣算法(MMOA)。采用改进型Tent混沌序列初始化蜉蝣种群,使蜉蝣分布更加均匀,提升了种群的多样性;结合MA的特点,引入反吸引速度更新... 针对蜉蝣算法(MA)前期收敛速度较慢、后期寻优精度不高等问题,提出一种基于反吸引速度更新机制的改进蜉蝣算法(MMOA)。采用改进型Tent混沌序列初始化蜉蝣种群,使蜉蝣分布更加均匀,提升了种群的多样性;结合MA的特点,引入反吸引速度更新机制指导蜉蝣速度更新,平衡算法的全局搜索和局部寻优能力,进而提升算法的收敛性能;对全局最优蜉蝣进行逐维的重心反向学习变异,降低各维度间的干扰,帮助算法跳出局部最优并加速收敛。基于12个标准测试函数和部分CEC2017测试函数进行对比仿真实验,结果表明:MMOA较灰狼优化(GWO)算法、MA等算法在收敛速度、寻优精度和稳定性等方面都具有明显优势。 展开更多
关键词 蜉蝣算法 改进Tent混沌 反吸引速度 逐维变异 重心反向学习
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智能采煤机器人关键技术 被引量：9
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作者 马宏伟 赵英杰 +13 位作者 薛旭升 吴海雁 毛清华 杨会武 张旭辉 车万里 曹现刚 赵友军 王川伟 赵亦辉 王鹏 孙思雅 马柯翔 李烺 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期1174-1182,共9页
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... 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迹规划模型,实现了截割轨迹的精准规划;提出了截割轨迹精准跟踪控制思路,给出了智能插补算法的截割轨迹跟踪控制方法,实现了智能采煤机器人截割轨迹高精度规划与精准跟踪控制;针对“位-姿-速”协同控制问题,提出了“位-姿-速”协同控制参数智能优化思路,给出了基于多系统互约束的改进粒子群“位-姿-速”协同控制参数优化方法,实现了智能采煤机器人智能高效作业。深入研究五大关键技术破解思路,有利于加快推动研发高性能、高效率、高可靠的智能采煤机器人。 展开更多
关键词 智能采煤机器人 智能感知 速度控制 截割轨迹规划与跟踪控制 协同控制
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双悬臂截割机器人相对动力学建模与力位混合控制研究
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作者 刘鹏 周昊晨 +7 位作者 马宏伟 曹现刚 张旭辉 段学超 毛清华 田海波 薛旭升 王川伟 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2024年第10期80-89,共10页
双悬臂截割机器人可解决传统单臂掘进机在截割大尺寸断面时效率低下的难题,但其与煤岩的动态交互影响控制性能。现有研究以双臂接触同一对象形成运动闭链为前提,无法满足双悬臂截割机器人双臂运动及末端截割头输出力的控制要求。针对该... 双悬臂截割机器人可解决传统单臂掘进机在截割大尺寸断面时效率低下的难题,但其与煤岩的动态交互影响控制性能。现有研究以双臂接触同一对象形成运动闭链为前提,无法满足双悬臂截割机器人双臂运动及末端截割头输出力的控制要求。针对该问题,设计了一种基于机器人相对动力学模型的力位混合控制系统。建立双悬臂截割机器人运动学和动力学模型,基于机器人的相对雅可比矩阵及虚位移与虚功原理推导出机器人的相对动力学模型,通过单一变量同时描述机器人双臂的运动状态,将机器人双臂独立的动力学模型整合为一个整体。基于机器人的相对动力学模型,设计了机器人双臂力位混合控制系统,通过李雅普诺夫函数验证了系统的稳定性和可行性。仿真结果表明:双悬臂截割工艺较单悬臂截割拥有更大的工作空间,具有一次性实现大断面截割的能力;双悬臂截割机器人力位混合控制系统能够完成对期望相对位置和期望相对力的同步跟踪,对截割头期望位置跟踪的绝对误差在0.3132 m以内,均方根误差为0.1447 m。 展开更多
关键词 巷道掘进 双悬臂截割机器人 力位混合控制 相对动力学 相对雅可比矩阵
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低照度尘雾下煤、异物及输送带早期损伤多尺度目标智能检测方法
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作者 樊红卫 刘金鹏 +5 位作者 曹现刚 张超 张旭辉 李曼 马宏伟 毛清华 《煤炭学报》 CSCD 北大核心 2024年第S2期1259-1270,共12页
煤炭开采过程中矸石等异物不可避免将混入煤块中,且铁器等容易对输送带造成损伤,煤矿运输系统的智能化需要对矸石等异物和输送带损伤等进行一体化视觉检测。针对井下低照度、光照不均及尘雾等因素导致监测图像不清晰以及带面早期损伤小... 煤炭开采过程中矸石等异物不可避免将混入煤块中,且铁器等容易对输送带造成损伤,煤矿运输系统的智能化需要对矸石等异物和输送带损伤等进行一体化视觉检测。针对井下低照度、光照不均及尘雾等因素导致监测图像不清晰以及带面早期损伤小目标检测难题,提出一种低照度尘雾环境下煤炭、异物及带面早期损伤的多尺度目标智能检测方法。首先通过限制对比度自适应直方图均衡化对低照度尘雾图像进行预处理以增强图像对比度;接着通过增加浅层检测层凸显带面早期损伤小目标位置和形状等细节信息,提升带面早期损伤检测性能,且在不影响检测精度前提下去掉部分检测层及相应特征提取模块以缩小模型;然后针对主干网络特征提取能力不足问题,使用PartialConv与Res2Net构建新的P_Res2Block多尺度特征表征模块,并将其替换主干网络中C3模块的Bottleneck,得到一种新的P_RC3轻量级多尺度特征提取模块,以增加模型的感受野,提升对小目标的关注度;最后在主干网络和特征融合网络中引入轻量级高效通道注意力机制来提升通道利用率和带面早期损伤检测精度。实验结果表明,在自主构造的低照度尘雾图像数据集上,相比原始YOLOv5s,所提方法的带面早期损伤检测精度AP0.5提高了10.00%,最终精度达到91.30%,模型参数量、计算量和模型大小分别降低了34.85%、6.33%、29.86%,证明改进方法可在降低模型复杂度情况下很好地解决低照度尘雾环境下小目标检测难题。 展开更多
关键词 煤矿图像识别 煤炭与异物检测 输送带表面早期损伤 注意力机制 多尺度特征提取
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两级自适应调频模式分解-同步提取变换的故障诊断方法 被引量：1
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作者 葛丽英 李志农 +2 位作者 胡志峰 毛清华 张旭辉 《噪声与振动控制》 CSCD 北大核心 2024年第2期88-94,155,共8页
同步提取变换(Synchroextracting Transform,SET)处理强干扰信号分量时缺乏自适应性而易发生频率模糊,导致难以精确提取快速波动的瞬时频率。针对此问题,结合自适应调频模式分解(Adaptive Chirp Mode Decomposition,ACMD)的自适应先验... 同步提取变换(Synchroextracting Transform,SET)处理强干扰信号分量时缺乏自适应性而易发生频率模糊,导致难以精确提取快速波动的瞬时频率。针对此问题,结合自适应调频模式分解(Adaptive Chirp Mode Decomposition,ACMD)的自适应先验信息和贪婪算法的优势,将ACMD引入到SET中,构造一种两级ACMD-SET故障诊断方法。在提出的方法中,将基于基尼指数(Gini Index,GI)最大化准则的分量选择重组算法和第一级ACMD结合,提取出强干扰下的多模态故障脉冲信号的模式。然后,利用SET对第二级ACMD分离出的时变频率故障特征进行高精度的时频表示。将此方法应用到仿真调频-调幅信号中,得到高分辨率的故障特征,方法的有效性得到验证。最后,将所提方法应用于航空发动机高速滚动轴承的振动信号分析中,结果表明,所提方法能有效地提取高速滚动轴承振动信号的时变故障特征频率,其结果明显优于SET方法。 展开更多
关键词 故障诊断 同步提取变换 自适应调频模态分解 滚动轴承
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基于同步提取广义S变换的机械故障诊断方法研究
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作者 葛丽英 李志农 +2 位作者 胡志峰 毛清华 张旭辉 《兵器装备工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期254-262,共9页
现有的同步提取变换(synchroextracting transform, SET)窗函数固定缺乏灵活性,在进行故障诊断时很难有效获取到高时频精度和高抗干扰性能的瞬时频率,针对此问题,结合广义S变换可以自适应调节窗函数宽度的优点,提出一种基于同步提取广义... 现有的同步提取变换(synchroextracting transform, SET)窗函数固定缺乏灵活性,在进行故障诊断时很难有效获取到高时频精度和高抗干扰性能的瞬时频率,针对此问题,结合广义S变换可以自适应调节窗函数宽度的优点,提出一种基于同步提取广义S变换(synchroextracting generalized Stransform, SEGST)的机械故障诊断方法。SEGST方法的特点在于将Rényi熵作为度量时频聚集性的标准,通过在高斯窗函数中引入2个尺度调节因子来选择参数的最佳值,对得到的广义S变换二维时频谱构造出同步提取算子来提取时频脊线处的时频系数,该算子能保留与信号的时变特征最相关的TF信息,剔除多余的模糊时频能量,从而得到高时频分辨率的时频能量特征。仿真结果表明,所提方法不论在时频分辨率方面,还是在噪声鲁棒性方面,都优于传统时频分析方法,并且保持了良好的重构性。最后,将所提方法应用于航空发动机高速滚动轴承故障诊断中,结果表明,该方法能够准确识别故障信号中的特征频率。 展开更多
关键词 同步提取变换 广义S变换 时频分析 机械故障诊断 航空发动机
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多传感器信息的悬臂式掘进机空间位姿监测系统研究 被引量：25
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作者 毛清华 张旭辉 +1 位作者 马宏伟 薛旭升 《煤炭科学技术》 CAS 北大核心 2018年第12期41-47,共7页
根据煤矿综掘工作面悬臂式掘进机远程自动化开采需要实现掘进机空间位姿实时精确监测的需求,提出了一种多传感器信息的煤矿悬臂式掘进机空间位姿监测系统方案,建立了掘进机空间位姿数学模型。该系统运用油缸行程传感器检测截割臂姿态角... 根据煤矿综掘工作面悬臂式掘进机远程自动化开采需要实现掘进机空间位姿实时精确监测的需求,提出了一种多传感器信息的煤矿悬臂式掘进机空间位姿监测系统方案,建立了掘进机空间位姿数学模型。该系统运用油缸行程传感器检测截割臂姿态角,运用超声、激光和惯导与地磁融合的组合惯导检测掘进机机身空间位姿。构建了煤矿悬臂式掘进机远程监控试验平台,并对掘进机位姿传感检测系统进行了试验测试。试验结果表明:基于油缸行程传感器的截割臂升降角度模型误差为0.23°,超声传感器的机身偏航位移检测误差为0.024 m,激光传感器的车前距检测误差为0.006 m,惯导与地磁融合的组合惯导信号不仅不被防爆外壳屏蔽,而且克服了惯导航向角随时间产生累积误差的难题,航向角检测误差在0.2°范围内。 展开更多
关键词 悬臂式掘进机 多传感器 位姿监测 组合惯导 地磁
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矿用带式输送机智能监测系统研究 被引量：38
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作者 毛清华 毛金根 +2 位作者 马宏伟 张旭辉 李铮 《工矿自动化》 北大核心 2020年第6期48-52,58,共6页
针对矿用带式输送机运行过程中存在的托辊、滚筒等关键部件与输送带摩擦发热,钢丝绳芯输送带内部损伤与撕裂,运行功耗大等问题,设计了一种矿用带式输送机智能监测系统。该系统包括基于弱磁检测法的钢丝绳芯输送带损伤监测系统、基于红... 针对矿用带式输送机运行过程中存在的托辊、滚筒等关键部件与输送带摩擦发热,钢丝绳芯输送带内部损伤与撕裂,运行功耗大等问题,设计了一种矿用带式输送机智能监测系统。该系统包括基于弱磁检测法的钢丝绳芯输送带损伤监测系统、基于红外热成像温度检测法的带式输送机关键部件故障诊断与预警系统和基于视觉检测法的煤流监测、异物监测、胶带撕裂监测及人员安全监测系统,详细介绍了各系统的实现原理。对钢丝绳芯输送带内部损伤识别及带式输送机关键部件故障诊断预警进行了实验验证,结果表明该系统对钢丝绳芯输送带损伤识别的准确率约为98%,且可准确识别带式输送机关键部件故障并发出预警。 展开更多
关键词 矿用带式输送机 智能监测 输送带损伤监测 输送带撕裂监测 煤流监测 人员安全监测 故障诊断与预警
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变速工况下采煤机行星齿轮传动系统故障诊断 被引量：11
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作者 毛清华 张勇强 +3 位作者 赵晓勇 张旭辉 樊红卫 张飞 《工矿自动化》 北大核心 2021年第7期8-13,共6页
采煤机截割煤层时,牵引部行星齿轮传动系统处于变速工况,且行星齿轮传动系统结构复杂,导致振动信号存在多种调制现象,影响行星齿轮传动系统故障特征提取。针对上述问题,将阶次分析技术与包络谱相结合,提出了一种基于包络阶次谱分析的采... 采煤机截割煤层时,牵引部行星齿轮传动系统处于变速工况,且行星齿轮传动系统结构复杂,导致振动信号存在多种调制现象,影响行星齿轮传动系统故障特征提取。针对上述问题,将阶次分析技术与包络谱相结合,提出了一种基于包络阶次谱分析的采煤机行星齿轮传动系统故障诊断方法。首先对行星齿轮传动系统的非平稳时域振动信号进行Hilbert包络分析,然后将非平稳时域包络信号进行计算阶次跟踪处理,转换为等角度的角域信号,最后对等角度角域信号进行快速傅里叶变换,得到信号的包络阶次谱。对该方法进行了仿真分析及基于动力传动故障诊断综合试验台的变速工况下行星齿轮传动系统故障诊断试验,结果表明:对于变速工况下的振动调制信号,阶次分析难以提取特征阶次,而包络阶次谱分析方法可有效提取其特征阶次,并实现了行星齿轮传动系统故障准确诊断。 展开更多
关键词 采煤机 牵引部 行星齿轮传动系统 故障诊断 阶次分析 计算阶次跟踪 包络阶次谱分析
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