基于ORB-SLAM3视觉与惯导融合的煤矿机器人定位算法研究

1

作者 陈伟 巫帅达 +2 位作者 田子建 张帆 刘毅 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第S1期297-307,共11页

针对煤矿井下空间狭窄、光线昏暗且严重不均匀使矿井图像存在照度低、纹理稀疏、颜色失真等缺陷,严重影响了视觉SLAM特征点提取匹配结果,导致定位性能急剧下降,提出1种基于改进ORB-SLAM3算法的煤矿移动机器人单目视觉定位算法。首先对OR... 针对煤矿井下空间狭窄、光线昏暗且严重不均匀使矿井图像存在照度低、纹理稀疏、颜色失真等缺陷,严重影响了视觉SLAM特征点提取匹配结果,导致定位性能急剧下降,提出1种基于改进ORB-SLAM3算法的煤矿移动机器人单目视觉定位算法。首先对ORB-SLAM3定位算法进行改进,在前端特征点提取(ORB)算法的基础上引入了直方图均衡化、非极大值抑制法、自适应阈值法以及基于四叉树策略的特征点均匀化性质;然后在特征点匹配工作中,引入了基于图像金字塔的LK光流法,减少优化的迭代次数,在特征点匹配完成后加入RANSAC算法去除误匹配的特征点,提高特征点的匹配准确率。在后端通过三角测量的方法,得到像素的深度信息,将2D-2D位姿求解问题转化成3D-2D(pnp)位姿求解问题。根据视觉惯导紧耦合的原理,通过融合视觉残差和IMU残差构建整个定位系统的残差函数,并使用基于非线性优化的滑动窗口BA算法不断迭代优化残差函数,获取精确的移动机器人位姿估计。将改进后的算法在4个数据集下与ORB-SLAM3算法以及VINSMono算法进行了充分的对比实验。研究表明:(1)相比于ORB-SLAM3算法以及VINS-Mono算法,提出定位系统的运动轨迹和真值轨迹最接近;(2)提出定位系统的APE各项指标均优于ORB-SLAM3算法以及VINS-Mono算法;(3)提出定位系统均方根误差为0.049 m(4次实验平均值),相较于ORBSLAM3均方根误差降低了31.1%(四次实验平均值)。 展开更多

关键词 单目视觉 惯性导航 移动机器人 视觉SLAM(即时定位与地图构建)定位 LK光流法

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基于改进人工势场算法的煤矿井下机器人路径规划 被引量：3

2

作者 薛光辉 王梓杰 +2 位作者 王一凡 李亚男 刘文海 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2024年第5期6-13,共8页

路径规划是煤矿机器人在煤矿井下狭小巷道空间中应用亟待解决的关键技术之一。针对传统人工势场(APF)算法在狭小巷道环境中规划出的路径可能离巷道边界过近,以及在障碍物附近易出现目标不可达和路径振荡等问题,提出了一种基于改进APF算... 路径规划是煤矿机器人在煤矿井下狭小巷道空间中应用亟待解决的关键技术之一。针对传统人工势场(APF)算法在狭小巷道环境中规划出的路径可能离巷道边界过近,以及在障碍物附近易出现目标不可达和路径振荡等问题,提出了一种基于改进APF算法的煤矿机器人路径规划方法。参考《煤矿安全规程》有关规定建立了巷道两帮边界势场,将机器人行驶路径尽量规划在巷道中间,以提高机器人行驶安全性;在障碍物斥力势场中引入调节因子,以解决目标不可达问题;引入转角限制系数以平滑规划出的路径,减少振荡,提高规划效率,保证规划路径的安全性。仿真结果表明:当目标点离障碍物很近时,改进APF算法可成功规划出能够抵达目标点的路径;改进APF算法规划周期数较传统算法平均减少了14.48%,转向角度变化累计值平均减少了87.41%,曲率绝对值之和平均减少了78.09%,表明改进APF算法规划的路径更加平滑,路径长度更短,规划效率和安全性更高。 展开更多

关键词 煤矿机器人 路径规划 人工势场法 目标不可达 路径振荡 斥力势场修正 转角限制系数

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基于改进概率路线图算法的煤矿机器人路径规划方法 被引量：19

3

作者 薛光辉 刘爽 +1 位作者 王梓杰 李亚男 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2023年第6期175-181,共7页

路径规划是煤矿机器人在煤矿井下非结构化狭长受限空间中应用亟待解决的关键技术之一。针对传统概率路线图(PRM)算法在空间狭长封闭巷道环境中难以保障采样的节点均匀分布于自由空间中导致路径规划失效,以及节点可能距离障碍物较近导致... 路径规划是煤矿机器人在煤矿井下非结构化狭长受限空间中应用亟待解决的关键技术之一。针对传统概率路线图(PRM)算法在空间狭长封闭巷道环境中难以保障采样的节点均匀分布于自由空间中导致路径规划失效,以及节点可能距离障碍物较近导致规划的路径可通行性差等问题,提出了一种基于改进PRM算法的煤矿机器人路径规划方法。在构造阶段引入人工势场法,将落在障碍物中的节点沿与其距离最近自由空间中的节点连线方向推至自由空间,并在障碍物边缘建立斥力场,实现节点的均匀分布且使其距离障碍物有一定距离;在查询阶段融合D^(*)Lite算法,当遇到动态障碍物或前方无法通行时可实现路径的重规划。仿真结果表明:改进PRM算法的节点均匀分布在自由空间中,且均距离障碍物一定距离,提高了路径规划的安全性;当节点数为100个时,改进PRM算法成功率较传统PRM算法提高了25%;随着节点数增加,传统PRM算法和改进PRM算法路径规划成功次数均呈增长趋势,但改进PRM算法在效率方面优势更明显;当节点数为400个时,改进PRM算法运行效率较传统PRM算法提高了35.13%,且规划的路径更平滑,路径长度更短;当障碍物突然出现时,改进PRM算法能够实现路径的重规划。 展开更多

关键词 煤矿机器人 路径规划 概率路线图算法 人工势场法 D^(*)Lite算法

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曲柄摇杆四足机器人实验教学平台设计 被引量：6

4

作者 商德勇 樊虎 白龙 《实验室研究与探索》 CAS 北大核心 2023年第1期184-189,共6页

为适应新工科人才培养的要求,针对机械类专业课程实践教学环节教学方法陈旧等问题,基于曲柄摇杆机构设计了一款四足机器人实验教学平台,用于机械原理、机械设计等主干课程的实践创新教学环节。该四足机器人的结构设计方案源于哺乳动物... 为适应新工科人才培养的要求,针对机械类专业课程实践教学环节教学方法陈旧等问题,基于曲柄摇杆机构设计了一款四足机器人实验教学平台,用于机械原理、机械设计等主干课程的实践创新教学环节。该四足机器人的结构设计方案源于哺乳动物运动过程,分析了其运动方式及不同腿部结构对于运动过程的影响,确定机器人机构运动方案;以D-H矩阵变换为数学工具,建立了机器人运动学模型;考虑实验平台应满足较高的经济性和互换性要求,最大程度采用了标准件的数量。对机器人进行了虚拟仿真分析,完成直线与奔跑两种状态的步态规划,实现了四足机器人的整体协调运动,验证了设计的合理性。实践表明,该教学平台的成功设计,丰富了机械类核心课程实践教学内容,对于提高学生的动手实践能力和思维创新能力有着显著的效果。 展开更多

关键词 曲柄摇杆 四足机器人 虚拟仿真 实验教学平台

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煤矿巷道修复作业机器人作业机构设计与性能分析 被引量：3

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作者 薛光辉 胡卫军 +3 位作者 王誉博 候称心 侯鹏 韩司聪 《煤炭工程》 北大核心 2022年第5期182-187,共6页

针对现有煤矿巷道修复机器人作业机构不够灵活、作业效率低等诸多不足,提出了一种四自由度三节臂的煤矿巷道修复作业机器人作业机构,基于D-H参数法建立了该作业机构的运动学模型,分析了该作业机构的正逆运动学,得到了关节转角与末端位... 针对现有煤矿巷道修复机器人作业机构不够灵活、作业效率低等诸多不足,提出了一种四自由度三节臂的煤矿巷道修复作业机器人作业机构,基于D-H参数法建立了该作业机构的运动学模型,分析了该作业机构的正逆运动学,得到了关节转角与末端位移随时间的变化关系,利用虚拟样机技术和蒙特卡洛法仿真分析了所设计作业机构的作业空间和极限作业尺寸,结果表明运动过程中各关节转角变化平稳,没有突变现象,两种分析方法得到的作业空间相似,作业极限尺寸偏差在5%以内,且均优于设计值,表明该作业机构符合预期要求。研究成果对煤矿巷道修复作业机器人敏捷高效作业机构设计具有参考价值。 展开更多

关键词 煤矿巷道修复 机器人 作业机构 运动学分析 作业空间 敏捷高效

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基于数字孪生的煤矿两柱式支架载荷预测方法

6

作者 张帆 李玉雪 +1 位作者 李昱翰 邵光耀 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第1期312-325,共14页

现有的矿山巷道液压支架载荷预测方法通常假设静态时空开采布置,忽略了远场围岩的动载荷,影响了冲击地压预测的准确性。为了确保安全开采,必须对潜在的冲击地压进行实时和精确的预测评估。提出一种基于数字孪生和机器学习的麻雀搜索算... 现有的矿山巷道液压支架载荷预测方法通常假设静态时空开采布置,忽略了远场围岩的动载荷,影响了冲击地压预测的准确性。为了确保安全开采,必须对潜在的冲击地压进行实时和精确的预测评估。提出一种基于数字孪生和机器学习的麻雀搜索算法–随机森林(SSA–RF)预测方法。通过分析支护系统与围岩的相互作用,建立了两柱式支架的数字孪生体模型,基于数据驱动实现物理实体与其数字孪生体之间的交互映射与同步反馈。对比分析两柱式支架升柱过程中姿态变量的计算值与真实值发现,与支架物理实体相比,数字孪生体模型的角度平均误差为0.14°,长度平均误差为6.15mm,符合精度要求。此外,麻雀搜索算法用于优化随机森林中决策树和节点特征的数量。与使用单一预测模型相比,SSA–RF预测模型的建立提高了收敛速度和优化能力。试验结果表明,与长短期记忆(LSTM)、随机森林(RF)和支持向量机(SVM)等预测算法相比,笔者提出的SSA–RF方法表现最优,其在中部支架和端头支架数据集上的预测准确率分别达到85.89%和91.09%。此外,研究发现,工作面中部支架所在区域顶板易出现断裂失稳现象,会破坏工作面中部区域垂直方向的应力支撑条件,从而导致中部支架载荷变化范围更大预测精度略低于端头支架。上述研究结果将对进一步研究煤矿冲击地压发生机理和准确预测潜在冲击地压提供一定理论借鉴。 展开更多

关键词 冲击地压矿井 数字孪生 两柱式支架 麻雀搜索算法 支架载荷预测

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煤矿井下点云特征提取和配准算法改进与激光SLAM研究

7

作者 薛光辉 张钲昊 +1 位作者 张桂艺 李瑞雪 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第5期301-312,共12页

激光SLAM在狭长局促的煤矿井下非结构化环境中面临退化问题的挑战,在特征很少或者特征复杂的情况下,位姿估计不准确,导致建图失真甚至失败。针对煤矿井下非结构退化环境中激光点云特征提取与配准困难的问题,提出了一种融合FPFH和ICP算... 激光SLAM在狭长局促的煤矿井下非结构化环境中面临退化问题的挑战,在特征很少或者特征复杂的情况下,位姿估计不准确,导致建图失真甚至失败。针对煤矿井下非结构退化环境中激光点云特征提取与配准困难的问题,提出了一种融合FPFH和ICP算法的二阶段点云特征提取及配准的方法,首先构建源点云和目标点云的kd-tree结构,利用统计滤波和体素滤波降低点云数量,提取点云表面法线并计算关键点云的快速点特征直方图特征描述子,再利用采样一致性初始配准算法进行粗配准,然后采用ICP算法进行精配准,以提升点云配准的准确性和位姿估计的精度;改进了LIO-SAM算法的特征提取和配准算法以及后端回环因子图优化算法,提升其关键局部特征识别与配准能力,利用Scan Context全局描述符闭环因子改善其闭环检测性能,以获得精确的全局一致性地图。利用M2DGR公开数据集测试了改进算法的性能,开展了2种煤矿井下典型场景的模拟SLAM试验,验证改进算法在特征提取和配准方面的有效性。测试和试验结果表明:与传统的LIO-SAM算法相比,改进算法的位姿估计和点云配准精度更高,相对位姿误差的平均误差改善了6.52%,绝对位姿误差的最大误差降低了18.84%,构建的地图无明显失真,建图误差均在1%以内,可实现非结构化退化环境的高精度全局一致性地图构建。 展开更多

关键词 煤矿井下 即时定位与建图 LIO-SAM 退化环境 点云配准

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大规模地下金属矿装备智能调度数字孪生关键技术

8

作者 郝雪弟 杨建 +3 位作者 鲁自横 葛世荣 唐硕 郭鹏飞 《金属矿山》 北大核心 2025年第6期1-10,共10页

针对矿山调度过度依赖人工完成、设备协同性差、生产效率低、智能化调度技术难以适应大规模生产调度需求等问题,全面分析了地下金属矿的开采工艺和方法,总结出地下金属矿开采方法和工艺谱系,提出了多进路、多采场、多盘区的平行作业模... 针对矿山调度过度依赖人工完成、设备协同性差、生产效率低、智能化调度技术难以适应大规模生产调度需求等问题,全面分析了地下金属矿的开采工艺和方法,总结出地下金属矿开采方法和工艺谱系,提出了多进路、多采场、多盘区的平行作业模式是实现大规模地下金属矿高效开采的生产模式。针对传统调度求解方法存在的问题,划分了生产计划编制、开采设备接续和工序设备协同3个关键调度问题,提出了动态调度和多目标求解算法是求解大规模地下金属矿智能调度问题的有效方法。通过分析数字孪生技术为大规模平行作业模式以及动态多目标调度提供了智能化服务载体,提出了包含物理装备层、虚拟孪生层、孪生数据层、传输数据层和孪生服务层的地下金属矿装备智能调度数字孪生系统架构,从而为大规模采场装备集群智能调度提供了技术支撑,是智能矿山建设的必由之路。研究成果以期为进一步研发地下金属矿装备智能调度系统提供理论与技术支撑。 展开更多

关键词 地下金属矿 智能调度 数字孪生 多目标优化

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基于YOLOv8的煤矿井下人员不安全动作检测算法 被引量：7

9

作者 陈伟 江志成 +2 位作者 田子建 张帆 刘毅 《煤炭科学技术》 CSCD 北大核心 2024年第S2期267-283,共17页

煤矿井下复杂环境中存在干扰信息、低照明度以及机械设备遮挡等问题,使得现有的目标检测算法在进行人员异常动作检测任务时,算法的速度和精度都存在一系列挑战。为解决现有的目标检测模型计算复杂、参数量大、推理时间长以及特征提取困... 煤矿井下复杂环境中存在干扰信息、低照明度以及机械设备遮挡等问题,使得现有的目标检测算法在进行人员异常动作检测任务时,算法的速度和精度都存在一系列挑战。为解决现有的目标检测模型计算复杂、参数量大、推理时间长以及特征提取困难等问题,提出了一种改进的YOLOv8l方法,称为MAC-YOLO。MAC-YOLO模型通过替换原有基线模型中的卷积为感受野注意卷积(RFAConv),允许模型可以根据输入数据复杂性和重要性动态调整感受野权重,解决标准卷积运算中的参数共享问题,使得网络可以更有效地捕捉和利用图像中的信息。同时在基线模型中引入了高效多尺度注意力(EMA)模块,能够融合不同尺度的上下文信息,且在卷积运算时不进行通道降维的情况下学习到有效的通道描述,使模型能够对高级特征图产生更好的像素级关注。该模型也能捕获跨维度交互并建立维度之间的依赖关系,使得神经元巨大的局部感受野能高效获得更清晰的多尺度特征,降低了图像中干扰因素的影响,进一步提升了模型对目标特征的聚焦能力,有助于模型高效地进行卷积操作提取煤矿井下人员的异常动作,提高模型的检测精度。此外,引入边界框回归的损失函数(L_(MPDIoU)),直接最小化预测框和真实框左上点和右下点之间的距离,解决了原有损失函数存在预测框和真实框长宽比相同(值不同)时模型无法有效优化的问题,加快了模型的收敛速度同时提升定位精度。在降低模型计算复杂性、网络结构复杂性以及增强网络灵活性方面,使用了slim-neck设计范式对基线模型的颈部进行改造,通过GSbottleneck模块增强网络处理特征的能力,利用GSConv模块堆叠提高模型的学习能力,其中的VoV-GSCSP模块提高了特征利用效率和网络性能。实验结果显示,在特定场景的煤矿工人动作数据集(MACD)上,相比基线模型YOLOv8l,MAC-YOLO的mAP@0.5和mAP@0.5:0.95分别提升了1.9%和3.6%,且FPS值为81 ms。这表明MAC-YOLO模型在保持良好检测精度的同时,也满足了实时性和轻量化模型的需求,展示了高灵活性、准确性和效率。此外,还通过消融实验证明了各个改进模块对提升模型性能的有效性。 展开更多

关键词 人员异常动作检测 YOLOv8l 模型轻量化 EMA MPDIoU损失

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我国煤矿煤机智能技术与装备发展研究 被引量：47

10

作者 葛世荣 张晞 +4 位作者 薛光辉 任怀伟 王宏伟 庞义辉 范磊 《中国工程科学》 CSCD 北大核心 2023年第5期146-156,共11页

煤机装备是煤炭开采技术变革、煤炭能源生产体系的关键支撑,受“双碳”战略目标、智能煤矿建设浪潮的驱动,我国煤机装备产业将朝着智能、绿色、安全、高效方向转型升级;煤机市场的机遇与挑战并存,煤机智能技术与装备发展成为迫切需求。... 煤机装备是煤炭开采技术变革、煤炭能源生产体系的关键支撑,受“双碳”战略目标、智能煤矿建设浪潮的驱动,我国煤机装备产业将朝着智能、绿色、安全、高效方向转型升级;煤机市场的机遇与挑战并存,煤机智能技术与装备发展成为迫切需求。本文立足我国煤炭智能化开采尚处于初级阶段的发展实际,梳理了煤机智能技术与装备的发展现状与趋势,剖析了煤机智能装备关键技术体系,涵盖煤矿智能装备支撑、智能综采综放、智能快速掘进、主/辅助运输系统智能感知与控制、煤矿机器人等技术;提出了关键基础材料和先进加工工艺、柔性制造和虚拟仿真、装备再制造、第五代移动通信+工业互联网深度融合、工业大数据与人工智能、物联网智能感知与互联、信息物理与数字孪生系统等煤机智能装备产业发展方向。研究建议,加强煤机智能技术与装备攻关,完善煤机人才支撑体系,规划引导与产业布局优化并举,建立煤机研制创新生态系统,以此推动煤机装备高质量发展。 展开更多

关键词 煤机装备 智能化 关键技术 产业升级 低碳

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煤矿副井矿车装载物智能识别方法 被引量：6

11

作者 靳舒凯 魏冠楠 +3 位作者 王春明 王统海 吴忠伦 杨克虎 《工矿自动化》 北大核心 2022年第4期14-19,30,共7页

基于卷积神经网络实现煤矿副井矿车装载物自动分类在实际应用中因触发条件简易导致误判与漏判情况,且非矿车物体经过检测区域时会引起司控道岔误动作。针对该问题,提出了基于目标检测模型的煤矿副井矿车装载物智能识别方法。在煤矿副井... 基于卷积神经网络实现煤矿副井矿车装载物自动分类在实际应用中因触发条件简易导致误判与漏判情况,且非矿车物体经过检测区域时会引起司控道岔误动作。针对该问题,提出了基于目标检测模型的煤矿副井矿车装载物智能识别方法。在煤矿副井井口安装工业相机采集矿车装载物图像并进行人工标注,构建矿车识别数据集,对Faster R-CNN,YOLOv4,SSD 3种目标检测模型的识别准确率与实时性进行评估,根据评估结果,得出YOLOv4模型更适用于矿车装载物识别任务的结论;为降低模型大小,提高识别速度,对YOLOv4模型进行改进,采用轻量级网络MobileNet替换原有主干特征提取网络CSPDarknet53,构建MobileNetv3-YOLOv4模型,测试结果表明MobileNetv3-YOLOv4模型的平均精度均值(mAP)为95.03%,识别速度为44帧/s,较YOLOv4模型分别提高了0.77%,27帧/s;为方便现场应用和部署,提高矿车装载物识别模型在嵌入式平台上的性能,提出了基于层间融合和模型量化的模型加速方法,并将加速前后的MobileNetv3-YOLOv4模型移植到Jetson TX2进行矿车装载物识别现场试验,结果表明识别速度由MobileNetv3-YOLOv4模型加速前的18.3帧/s提升至35.42帧/s,mAP为94.68%,满足现场实时、精确检测需求,且仅在矿车经过检测区域时启动检测任务,避免了因其他物体引起的司控道岔误动作现象。 展开更多

关键词 煤矿智能化 副井轨道分运 矿车装载物识别 目标检测模型 YOLOv4 模型加速

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智能表面工程 被引量：1

12

作者 葛世荣 《中国表面工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期1-17,共17页

表面工程自其诞生以来,经历了从传统表面工程向复合表面工程、纳米表面工程及表面工程自动化的发展,正在信息技术、生物技术、纳米科技等前沿领域中萌生。随着智能时代的来临,智能表面工程应运而生。智能表面工程是对摩擦表面赋予智能... 表面工程自其诞生以来,经历了从传统表面工程向复合表面工程、纳米表面工程及表面工程自动化的发展,正在信息技术、生物技术、纳米科技等前沿领域中萌生。随着智能时代的来临,智能表面工程应运而生。智能表面工程是对摩擦表面赋予智能调控性能,使之具有自感知、自适应、自愈合能力,从而实现摩擦学行为的智能控制。介绍皮肤自感知、关节自感知、消化道自适应和表皮自愈合等人体表面智能性,触屏自感知表面、损伤自感知表面、摩擦自感知表面和触压自感知表面等自感知表面创新,自适应表面变色、自适应调光涂层、自适应疏水涂层、自清洁除尘表面、自适应隐身表面、自硬化耐磨表面和自减摩超滑表面等自适应表面创新,植物自愈合、自愈合聚合物膜、自愈合导电皮肤、自愈合离子皮肤、自修复防腐涂层、自愈合蛋白质体、自愈合关节软骨和自愈合磨损划痕等自愈合表面创新。以往的表面工程是对材料表面强化以提高其物理、化学、力学性能的技术和方法,而智能表面工程则是赋予材料表面自润滑、自抗磨、自耐蚀、自修复等功能的智能表面技术和方法。未来的智能装备离不开摩擦智能,摩擦智能必须有智能表面。智能表面制造须要深入研究仿生科学与表面工程技术交叉融合,因此在摩擦学、仿生学、低碳学等领域尚有许多需要探索的关键理论和技术问题,一旦取得突破,将促进智能表面工程领域的显著进步。可以预见,摩擦智能表面工程将支撑智能装备制造技术的发展,创造出更快、更强、更稳的机械系统;仿生智能表面工程将使机器人更智能地实现对自身运动的感觉、对空间的感知和对外部刺激的反应;低碳智能表面工程将降低摩擦系统能耗、减少建筑领域碳排放,从而使摩擦学及表面工程研究与人类命运共同体紧密结合在一起。 展开更多

关键词 智能表面工程 自感知 自适应 自愈合 智能控制

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基于改进型生成对抗网络的矿井图像超分辨重建方法研究 被引量：1

13

作者 张帆 刘莹 +2 位作者 宋惠 张嘉荣 程海星 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第S1期338-345,共8页

智能化无人开采是煤炭资源绿色、智能、安全、高效开采的技术发展趋势,高分辨率的矿井图像能够为煤矿智能开采和智能监控提供关键技术支撑。针对煤矿井下雾尘环境,目前采用常规的深度学习方法虽然能够提高矿井图像重建效果,但是受井下... 智能化无人开采是煤炭资源绿色、智能、安全、高效开采的技术发展趋势,高分辨率的矿井图像能够为煤矿智能开采和智能监控提供关键技术支撑。针对煤矿井下雾尘环境,目前采用常规的深度学习方法虽然能够提高矿井图像重建效果,但是受井下环境噪声影响,模型训练的稳定性较差,难以获得矿井图像的重建高频信息,导致图像重构质量欠佳,易出现矿井图像模糊和分辨率下降等问题。针对上述问题,提出一种基于生成对抗网络的矿井图像超分辨率重建方法。该方法基于SRGAN网络,对网络结构和损失函数进行改进优化,在生成器的浅层特征提取层和重建层分别采用2个5×5的卷积层,并在浅层特征提取层的每个卷积层后加入非线性激活函数,深层特征提取层采用残差结构,通过级联亚像素卷积层以实现矿井图像不同倍数的超分辨重建;采用Wasserstein距离对损失函数进行改进,并去掉判别器输出层的Sigmoid,使用RMSProp方法对网络进行优化,提高模型训练的收敛速度和稳定性;利用训练好的生成器模型,据此分别对矿井图像进行2倍和4倍超分辨重建,并对实验结果进行主观视觉分析和客观评价。结果表明,与传统的双三次插值、SRCNN、SRGAN相比,在相同缩放因子条件下,所提方法的峰值信噪比分别提升了2.68、1.50和1.59 dB,结构相似性分别提升了0.033 4、0.004 8和0.006 1,所提方法能够重建出清晰的矿井图像纹理和细节信息,在主观视觉上以及峰值信噪比和结构相似性上都实现了更好的重建效果,且整体性能优于其他几种方法,有效提高了矿井图像的分辨率。 展开更多

关键词 煤矿智能化 矿井图像 超分辨重建 生成对抗网络 SRGAN

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基于YOLOv8-ECW的井下人员行为实时检测算法 被引量：3

14

作者 骆津津 陈伟 +2 位作者 田子建 张帆 刘毅 《矿业科学学报》 北大核心 2025年第2期316-327,共12页

针对现有煤矿井人员行为检测模型存在精度低、计算量大等问题,提出一种基于YOLOv8-ECW的井下人员行为实时检测算法。算法在YOLOv8n的基础上对骨干网络进行改进,提出多尺度卷积模块EMSC,再与C2f卷积相结合设计出C2f_EMSC模块,有效捕获目... 针对现有煤矿井人员行为检测模型存在精度低、计算量大等问题,提出一种基于YOLOv8-ECW的井下人员行为实时检测算法。算法在YOLOv8n的基础上对骨干网络进行改进,提出多尺度卷积模块EMSC,再与C2f卷积相结合设计出C2f_EMSC模块,有效捕获目标的多尺度特征,减少模型的计算量、参数量;在网络中引入CGBlock下采样模块融合全局的上下文信息,引入WIoU损失函数提升检测框的定位精度和模型收敛速度。在矿井人员行为检测数据集上进行实验,结果表明:①相比于基线YOLOv8n模型,YOLOv8-ECW模型对各类目标平均精度均值mAP50为92.4%,上升了2.1%;mAP50-95为75.4%,上升了4.0%。②YOLOv8-ECW的检测速度为238 F/s,较YOLOv8n模型提高了5 F/s。③与YOLOv6、YOLOv7等主流网络模型相比,YOLOv8-ECW模型的检测性能最佳且具有较好的鲁棒性。 展开更多

关键词 煤矿井下 YOLOv8 行为检测 C2f_EMSC WIoU 特征融合

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基于激光雷达的煤矿井底车场地图融合构建方法研究 被引量：12

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作者 薛光辉 李瑞雪 +2 位作者 张钲昊 刘爽 魏金波 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期219-227,共9页

煤矿智能化是煤炭行业高质量发展的技术支撑,关键岗位的机器人替代是实现煤炭少人化、无人化的高效开采的发展趋势。即时定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)是煤矿机器人自主移动与导航的关键技术之一。煤矿... 煤矿智能化是煤炭行业高质量发展的技术支撑,关键岗位的机器人替代是实现煤炭少人化、无人化的高效开采的发展趋势。即时定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)是煤矿机器人自主移动与导航的关键技术之一。煤矿井下为典型非结构化环境,空间狭长局促,结构复杂多变,照明情况不均匀,对煤矿井下SLAM提出了严峻挑战。总结了煤矿井下地图构建研究现状,针对LeGO-LOAM算法的回环检测仍存在的不足,利用SegMatch算法改进LeGO-LOAM的回环检测模块,且使用ICP算法进行全局图优化,提出了一种融合LeGO-LOAM和SegMatch的改进算法,阐述了该算法的原理和实现步骤;开展了煤矿井下模拟场景试验,对比分析改进前后SLAM算法的建图效果以及精度,试验结果表明改进算法构建的地图回环效果更好,估计轨迹更平滑、精确;结合导航需求研究了二维占据栅格地图的构建方法,试验验证了该方法所构建的栅格地图精度,结果表明有效滤除动态障碍物等离群噪点后的栅格地图具有0.01 m的建图精度,且所需存储空间较点云地图降低了3个数量级。研究成果有助于煤矿井下非结构环境下SLAM和煤矿机器人实时定位和自主移动。 展开更多

关键词 煤矿井下 即时定位与地图构建 LeGO-LOAM SegMatch 占据栅格地图 非结构化环境

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基于RRT^(*)-DR算法的机械臂避障路径规划 被引量：11

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作者 商德勇 汪俊杰 +1 位作者 樊虎 索双富 《计算机集成制造系统》 EI CSCD 北大核心 2024年第3期1149-1160,共12页

为使机械臂在障碍物环境下快速规划较优路径,提出了一种基于动态区域采样的改进RRT^(*)-DR路径规划算法,将整个规划过程分为快速探索路径和优化初始路径两个步骤。首先利用半目标导向扩展快速探索,找到连接起始点和目标点的路径。随后... 为使机械臂在障碍物环境下快速规划较优路径,提出了一种基于动态区域采样的改进RRT^(*)-DR路径规划算法,将整个规划过程分为快速探索路径和优化初始路径两个步骤。首先利用半目标导向扩展快速探索,找到连接起始点和目标点的路径。随后利用动态区域采样方法,始终在当前最优路径的周边范围内采样,优先密化当前最优路径附近的节点树,节省计算资源,使初始路径经过迭代快速向渐进最优路径收敛。同时,提出一种近障碍节点变步长机制,有选择性地缩短靠近障碍节点的扩展步长,可有效减少碰撞检测失败次数,提高算法效率。最后,在MATLAB和ROS系统下进行路径规划算法仿真,结果表明RRT^(*)-DR算法可在更短时间内实现路径规划,同时有效缩小路径代价。进一步通过实体机器人路径规划避障实验,验证了该算法的实用性和有效性。 展开更多

关键词 机械臂 路径规划 动态采样区域 变步长

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基于数字孪生和深度强化学习的矿井超前液压支架自适应抗冲支护方法 被引量：2

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作者 张帆 邵光耀 +1 位作者 李昱翰 李玉雪 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2024年第6期23-29,45,共8页

受深部开采冲击地压等地质灾害扰动的影响,存在矿井超前支护系统自感知能力差、智能抗冲自适应能力弱、缺乏决策控制能力等问题。针对上述问题,提出了一种基于数字孪生和深度强化学习的矿井超前液压支架自适应抗冲支护方法。通过多源传... 受深部开采冲击地压等地质灾害扰动的影响,存在矿井超前支护系统自感知能力差、智能抗冲自适应能力弱、缺乏决策控制能力等问题。针对上述问题,提出了一种基于数字孪生和深度强化学习的矿井超前液压支架自适应抗冲支护方法。通过多源传感器感知巷道环境和超前液压支架支护状态,在虚拟世界中创建物理实体的数字孪生模型,其中物理模型精确展现超前液压支架的结构特征和细节,控制模型实现超前液压支架的自适应控制,机理模型实现对超前液压支架自适应支护的逻辑描述和机理解释,数据模型存储超前液压支架实体运行数据和孪生数据,仿真模型完成超前液压支架立柱仿真以实现超前液压支架与数字孪生模型虚实交互。根据基于深度Q网络(DQN)的超前液压支架自适应抗冲决策算法,对仿真环境中巷道抗冲支护进行智能决策,并依据决策结果对物理实体和数字孪生模型下达调控指令,实现超前液压支架智能控制。实验结果表明:立柱位移与压力变化一致,说明超前液压支架立柱仿真模型设计合理,从而验证了数字孪生模型的准确性;基于DQN的矿井超前液压支架自适应抗冲决策算法可通过调节液压支架控制器PID参数,自适应调控立柱压力,提升巷道安全等级,实现超前液压支架自适应抗冲支护。 展开更多

关键词 矿井智能抗冲 超前液压支架 自适应支护 数字孪生 深度强化学习 深度Q网络 DQN

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基于磁场模型的矿用钢丝绳检测信号特性试验研究 被引量：1

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作者 田劼 白强 +3 位作者 王兴军 孙钢钢 师彰文 李鹏博 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期279-291,共13页

电磁检测是矿用钢丝绳缺陷可靠的检测手段之一。基于电磁法的矿用钢丝绳缺陷检测,目前存在缺陷与信号特性表征规律不明确的问题,定量识别时存在无关信号特性,影响识别准确性。采用三维磁偶极子理论计算、Maxwell模拟仿真与试验相互验证... 电磁检测是矿用钢丝绳缺陷可靠的检测手段之一。基于电磁法的矿用钢丝绳缺陷检测,目前存在缺陷与信号特性表征规律不明确的问题,定量识别时存在无关信号特性,影响识别准确性。采用三维磁偶极子理论计算、Maxwell模拟仿真与试验相互验证的方法,总结漏磁信号特性与缺陷变化之间的表征关系。首先建立磁场环境下的钢丝绳三维磁偶极子理论模型,应用模型对标准缺陷处进行磁场理论计算并进行Maxwell模拟仿真;分别提取理论值与仿真值的峰/谷绝对值、波宽、峰谷差值、峰谷值宽度四项信号特性,进行缺陷与信号的表征分析;最后设计缺陷进行试验验证,得到试验数值的斯皮尔曼相关系数。试验结果表明:缺陷的宽度、深度与峰/谷绝对值、波宽、峰谷差值3个信号特征值呈正相关,与峰谷值宽度无明显相关性;缺陷长度与峰/谷绝对值呈先上升后下降的趋势,与波宽、峰谷差值、峰谷值宽度呈正相关。并且发现宽度缺陷信号幅值最强,长度缺陷信号幅值最弱,深度信号幅值居中,峰谷差值和峰谷绝对值与缺陷相关性最高。该研究具有一定的工程指导价值。 展开更多

关键词 电磁检测 无损检测 信号特性 磁偶极子 损伤缺陷 矿用钢丝绳

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智采工作面三机数字孪生驱动控制架构 被引量：11

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作者 尤秀松 葛世荣 +1 位作者 郭一楠 苗丙 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第7期3265-3275,共11页

为了进一步提高煤矿综采设备智能控制水平,实现智采工作面常态化运行,提出基于数字孪生智采工作面驱动控制的相关概念和系统架构。智采工作面数字孪生系统由物理设备、虚拟孪生体、虚实交互模型组成,通过数字化方法建立与实体设备相映... 为了进一步提高煤矿综采设备智能控制水平,实现智采工作面常态化运行,提出基于数字孪生智采工作面驱动控制的相关概念和系统架构。智采工作面数字孪生系统由物理设备、虚拟孪生体、虚实交互模型组成,通过数字化方法建立与实体设备相映射的虚拟模型,来达到综采设备在作业过程中虚实交互、智能决策、精准控制和动态演化的目的。阐述智采工作面常态化运行要求和采煤机、液压支架和刮板输送机的相关控制难点。提出了智采工作面单机数字孪生驱动控制架构,包括机理模型、控制模型、孪生数据模型和数字孪生模型同步与演化等要素;研究数字孪生虚实交互方法,利用信息物理系统来保障信息交互能力,采用知识模型来解决数据拥堵问题,为智采工作面数字孪生控制系统的虚实交互提供实时性。提出智采工作面数字孪生驱动的三机协同控制方法,包括三机关联关系、智能采煤控制、智能支护控制与智能运输控制。最后以矿山数字孪生实际应用为例,通过建立相关模型和设计相关实验方案,对数字孪生智能控制进行验证。通过展开数字孪生智能控制架构、模式等理论研究,旨在解决目前综采工作面存在的环境感知程度低、设备预测精度差和人工干预强度大等问题,实现在复杂环境条件下设备的自适应控制与人机交互,为煤矿智能化建设提供借鉴意义。 展开更多

关键词 数字孪生 智采工作面 三机协同控制 信息交互 常态化运行

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基于双量化评价指标的千米深井大采高液压支架适应性分析

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作者 牛艳奇 陈泰龙 +3 位作者 胡相捧 商德勇 李占平 薛卓 《采矿与岩层控制工程学报》 EI 北大核心 2024年第5期116-128,共13页

针对液压支架的适应性评价缺乏量化指标的问题,以淮南矿区口孜东煤矿的千米深井软岩大采高俯斜采煤工作面的地质条件为研究对象,建立了四柱和两柱支架的“支架–推移千斤顶”承载稳定性力学模型,得到了两种架型临界载荷的一般形式及推... 针对液压支架的适应性评价缺乏量化指标的问题,以淮南矿区口孜东煤矿的千米深井软岩大采高俯斜采煤工作面的地质条件为研究对象,建立了四柱和两柱支架的“支架–推移千斤顶”承载稳定性力学模型,得到了两种架型临界载荷的一般形式及推移千斤顶参与支架力学平衡的判定准则。提出了衡量液压支架与顶板和底板适应性的双量化评价指标,指导研制了适用于该煤矿的ZZ18000/33/72D型大采高四柱液压支架,采用理论分析和数值计算对比了两种架型的适应性,并进行了现场试验。结果表明:支架与顶板的适应性指标越大及支架与底板的适应性指标越小,则支架的适应性越强;指导研制的ZZ18000/33/72D型大采高四柱支架对顶板适应性、底板比压及对安全阀的控制性等方面明显优于两柱支架,临界载荷曲线更适应该场景的顶板载荷特征。该支架与顶板和底板的适应性良好,未出现影响工作面安全和正常回采的大面积片帮及冒顶,底座也未发生陷入底板的现象。研究结果可为液压支架的适应性设计和评价提供量化参考。 展开更多

关键词 双量化评价指标 液压支架 适应性 临界载荷曲线

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