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惯导与视觉信息融合的掘进机精确定位方法

煤炭科学技术 2024年第5期52卷 236-248页

作者：毛清华周庆安炎基薛旭升杨文娟西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室陕西西安710054

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... 详细信息

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。

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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煤矿履带式定向钻机路径规划算法

工矿自动化 2024年第2期50卷 18-27页

作者：毛清华姚丽杰薛旭升西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室陕西西安710054

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... 详细信息

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%。

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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煤矿掘进机光纤惯导自适应零速修正方法研究

煤炭科学技术 2024年

作者：毛清华周庆柴建权陈彦璋杨文娟薛旭升陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室西安科技大学机械工程学院

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... 详细信息

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实验验证。零速检测实验中，将本文方法、SVM方法、 GA-SVM方法和PSO-SVM方法进行对比，实验结果表明：本文方法零速检测准确度最高，达到了96.5%。零速修正实验结果表明：本文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分钟时，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。

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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智能采煤机器人关键技术

煤炭学报 2024年第2期49卷 1174-1182页

作者：马宏伟赵英杰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西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室陕西西安710054 西安重工装备制造集团有限公司陕西西安710054 西安煤矿机械有限公司陕西西安710200

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... 详细信息

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。

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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智能采煤机器人关键技术研究

煤炭学报 2024年

作者：马宏伟赵英杰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西安煤矿机械有限公司陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室西安科技大学机械工程学院西安重工装备制造集团有限公司

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... 详细信息

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。

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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电催化还原CO制异丙醇研究进展

现代化工 2023年

作者：薛旭升王进曹彬苏晨飞西安石油大学化学化工学院

阐述了当前应用最广泛的碳捕集与封存(CCS)技术，对比分析了几种CO2捕集技术的优缺点，介绍了燃烧后捕集技术中的固体吸附剂活性炭(ACs)。综述了电催化还原CO2生成异丙醇催化剂的选择以及电化学实验中的反应路径，电催化还原技术因可以... 详细信息

阐述了当前应用最广泛的碳捕集与封存(CCS)技术，对比分析了几种CO2捕集技术的优缺点，介绍了燃烧后捕集技术中的固体吸附剂活性炭(ACs)。综述了电催化还原CO2生成异丙醇催化剂的选择以及电化学实验中的反应路径，电催化还原技术因可以闭合CO2捕获和利用之间的循环，被视为是一种环境可持续的选择。最后，总结并展望了CCS技术和电催化还原CO2技术的发展前景以及亟待解决的问题。

关键词：碳捕集 CO 活性炭电催化异丙醇

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基于线性模型划分的煤流体积测量

工矿自动化 2023年第7期49卷 35-40,106页

作者：陈湘源薛旭升国能榆林能源有限责任公司陕西榆林719000 西安科技大学机械工程学院陕西西安710054

针对基于线激光条纹的带式输送机煤量测量精度和计算效率较低、胶带运行过程中存在拖尾现象及跑偏、飘带造成的数据不对齐问题,提出了一种基于线性模型划分的煤流体积测量方法。首先,利用高速线激光相机进行煤流数据采集;然后,通过基于... 详细信息

针对基于线激光条纹的带式输送机煤量测量精度和计算效率较低、胶带运行过程中存在拖尾现象及跑偏、飘带造成的数据不对齐问题,提出了一种基于线性模型划分的煤流体积测量方法。首先,利用高速线激光相机进行煤流数据采集;然后,通过基于线性模型划分的点云配准算法将胶带底部点云数据与煤流表面数据融合,形成完整的三维煤流数据;最后,通过煤流体积测量模型实现对煤流体积的测量。试验结果表明,基于线性模型划分的煤流体积测量方法在高粉尘环境、煤流表面洒水环境、昏暗环境及正常光照环境下测量粗糙表面铁块、光滑表面铁块及实物(煤和矸石)所得结果精度均在95%以上;且光滑表面铁块较粗糙表面铁块在4种模拟环境下的测量精度高,说明物体表面平整度越好测量精度越高,环境对测量精度影响不大。实际测试结果表明,基于线性模型划分的煤流体积测量方法的测量精度均在97%以上,对应平均耗时均在80 ms以内;与基于KD树的测量方法相比,整体精度提高了6%以上,处理时效性提高了1倍。

关键词：带式输送机煤量测量线性模型划分煤流体积测量点云配准点云三角网格化线激光条纹

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家庭养育方式与儿童睡眠状况关系分析

中国儿童保健杂志 2022年第11期30卷 1237-1240,1271页

作者：薛旭升贾甜杨琳西安交通大学第二附属医院儿科陕西西安710004 北京中医药大学孙思邈医院脑病科陕西铜川727031 陕西省第四人民医院儿科

目的分析家庭养育方式与儿童睡眠状况的关系,寻求对儿童睡眠有利的养育方式,为改善儿童睡眠质量提供相应的参考。方法收集2021年9—12月于北京中医药大学孙思邈医院儿科体检的214名6~12岁儿童为研究对象,运用儿童版父母教养方式问卷(EMB... 详细信息

目的分析家庭养育方式与儿童睡眠状况的关系,寻求对儿童睡眠有利的养育方式,为改善儿童睡眠质量提供相应的参考。方法收集2021年9—12月于北京中医药大学孙思邈医院儿科体检的214名6~12岁儿童为研究对象,运用儿童版父母教养方式问卷(EMBU-C)及儿童睡眠习惯问卷(CSHQ)评价家长养育方式及儿童睡眠状况,并分析其相关性。结果CSHQ总分在不同年龄(t=6.45,P<0.001)、共睡情况(F=11.82,P<0.001)、电子屏幕使用时间(F=5.13,P=0.007)等因素上差异有统计学意义;父母EMBU-C与CSHQ的多个维度之间存在显著相关(P<0.05);多元线性回归分析显示:从与抚养人同床睡到不同房间睡,CSHQ总分逐渐降低(β=-1.81),母亲情感温暖得分与CSHQ总分呈负相关(β=-0.50),电子屏幕使用时间与CSHQ总分呈正相关(β=1.89),差异均有统计学意义(P<0.05),三者共同解释18%的变异(ΔR~2=0.18)。结论儿童的睡眠状况与年龄及家庭养育方式有关,家庭养育方式中的共睡和屏幕使用时间过长会降低儿童的睡眠质量,母亲情感温暖则对儿童睡眠的改善有一定意义。

关键词：睡眠养育方式儿童

改进YOLOv5s的采煤机滚筒与支架护帮板干涉状态智能识别

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煤炭科学技术 2023年

作者：毛清华胡鑫王孟寒张旭辉薛旭升西安科技大学机械工程学院陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室

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，本文提出一种改进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... 详细信息

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，本文提出一种改进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，本文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5.9ms。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%。

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