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基于改进A*和势场法的轮式煤矿救援机器人路径规划

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煤炭科学技术 2024年第8期52卷 159-170页

作者：王宏伟李超梁威姚林虎李永安太原理工大学机械与运载工程学院山西太原030024 太原理工大学山西省煤矿智能装备工程研究中心山西太原030024

煤矿救援机器人在非结构化井下巷道环境中执行搜救任务,传统的路径规划算法用于搜索空间较大或者复杂度较高的非结构化环境时,可能会面临效率低、非最优路径和平滑度较差等问题;此外,巷道存在复杂的交叉口等环境特征,机器人在该区域容... 详细信息

煤矿救援机器人在非结构化井下巷道环境中执行搜救任务,传统的路径规划算法用于搜索空间较大或者复杂度较高的非结构化环境时,可能会面临效率低、非最优路径和平滑度较差等问题;此外,巷道存在复杂的交叉口等环境特征,机器人在该区域容易偏离预设路线或与路口壁面发生剐蹭。为了克服这些问题并提高机器人的导航精度,提出了针对轮式煤矿救援机器人的路径规划算法改进方案:①改进启发式全局路径规划A*算法,通过分层邻域搜索与剪枝的方法改进邻域搜索方式,优化代价函数以更好地平衡实际代价和启发式代价的影响,更准确地评估每个节点的代价,使其适应实际情况且缩减了计算量,并利用B样条方法对路径进行平滑处理;②利用随机样本一致算法(RANSAC)构建煤矿巷道壁面的几何模型,以便提取交叉路口特征点坐标纳入规划系统,利用B样条曲线基函数的局部支撑性优化路径,当后续添加路径优化点时,仅影响相应区间的曲线形状,对路径的其余部分不产生影响;③根据构建的环境几何模型和提取的特征点建立综合局部势场,引入调整系数优化势场分布,并使用粒子群算法(PSO)优化的PID算法实现运动控制,增强机器人针对巷道交叉口等复杂环境通行的适应能力。通过MATLAB和机器人操作系统(ROS)仿真验证了算法原理与应用的可行性,结果表明该方法可以实现在复杂交叉环境中路径规划、自主行驶等功能。

关键词：煤矿救援机器人路径规划 B样条方法势场控制 PID控制算法

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双尺度粗粒化离散元方法及煤散料试验验证

煤炭科学技术 2024年第3期52卷 225-235页

作者：李博刘备张鹏夏蕊王学文赵婷婷冯云田太原理工大学煤矿综采装备山西省重点实验室山西太原030024 太原理工大学机械与运载工程学院山西太原030024 斯旺西大学辛克维奇计算工程中心英国斯旺西SA18EN

离散元法(DEM)常用于工程尺度下颗粒系统的模拟,但计算效率仍是大规模颗粒系统运行的制约因素。现有的粗粒化处理方法适用性有限且缺乏普适的理论基础。为解决此问题,研究利用量纲分析描述精确缩尺系统中物理量的缩放定律,通过代表性体... 详细信息

离散元法(DEM)常用于工程尺度下颗粒系统的模拟,但计算效率仍是大规模颗粒系统运行的制约因素。现有的粗粒化处理方法适用性有限且缺乏普适的理论基础。为解决此问题,研究利用量纲分析描述精确缩尺系统中物理量的缩放定律,通过代表性体积单元(RVE),在粗粒化系统和原始系统之间建立了质量、动量和能量的近似守恒关系,并获得了2个不同尺度(宏观和细观)下相应物理量的缩放关系。为验证所提出的双尺度粗粒化离散元方法的正确性,将该方法应用于煤散料下落和回转试验中,真实试验中煤颗粒尺寸为4 mm,仿真中采用5组不同缩放系数的煤颗粒,其尺寸范围为4~12 mm,试验与仿真中煤散料总体积均为0.001 m^(3)。煤散料下落试验采用平均冲击力和堆积休止角作为对比指标,结果表明,随着煤颗粒尺寸增大,两者的相对误差总体呈现增大趋势(尺寸为12 mm时,冲击力误差为14.36%,休止角误差为19.05%)。煤散料回转试验采用上试样受力和煤散料堆积轮廓曲线相关系数作为对比指标,结果表明,随着颗粒尺寸增大,相对误差随之增大,相关系数总体降低(尺寸为12 mm时,受力误差为39.29%,相关系数为0.9574)。仿真所需时长比预测时长还要少,结果充分证明了双尺度粗粒化离散元法的有效性,粗粒化系统在可接受的误差范围内可显著提高计算效率。

关键词：双尺度粗粒化精确缩尺离散元煤下落试验煤回转试验

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基于改进SFS算法的锚杆钻臂参数整定研究

煤炭工程 2024年第4期56卷 218-224页

作者：陶磊陈岳王宏伟李超姚林虎太原理工大学机械与运载工程学院山西太原030024 太原理工大学山西省煤矿智能装备工程研究中心山西太原030024

针对锚杆钻臂井下自动控制过程中存在的环境恶劣、地质复杂等特殊工况,需着重考虑PID的参数选取,为此采用随机分形搜索算法(SFS)对PID参数进行整定。由于随机分形搜索算法存在局部搜索能力不足、易陷入局部最优等问题,在面对机械臂待整... 详细信息

针对锚杆钻臂井下自动控制过程中存在的环境恶劣、地质复杂等特殊工况,需着重考虑PID的参数选取,为此采用随机分形搜索算法(SFS)对PID参数进行整定。由于随机分形搜索算法存在局部搜索能力不足、易陷入局部最优等问题,在面对机械臂待整定参数多及参数间耦合严重时,其整定效果不佳。因此,引入混沌初始化、正余弦策略、自适应K值选取策略以提高算法的局部搜索能力以及全局搜索速度;采用柯西、差分定向变异策略使算法跳出局部最优。通过标准测试函数测试表明改进后的随机分形搜索算法收敛速度及精度均有一定提高。最后通过锚杆钻臂参数整定仿真实验表明:改进后随机分形搜索算法整定的PID参数总体适应度值提高21%;各关节的量化指标表示改进后随机分形搜索算法跳出了局部最优,提高了整体寻优精度与速度。

关键词：锚杆钻臂参数整定随机分形搜索算法 PID控制

基于DR-YOLOM的带式输送机运行状态多任务检测方法

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煤炭科学技术 2024年

作者：李永安陈腾杰王宏伟张之好太原理工大学机械与运载工程学院太原理工大学山西省煤矿智能装备工程研究中心智能采矿装备技术全国重点实验室

目前对煤矿井下带式输送机运行状态的检测是带式输送机安全运行的关键，但大多数带式输送机运行状态的检测方法只能处理单一检测任务，难以实现多任务同时检测。针对现有技术难实现综合检测的现状，提出一种基于改进YOLOM的带式输送机... 详细信息

目前对煤矿井下带式输送机运行状态的检测是带式输送机安全运行的关键，但大多数带式输送机运行状态的检测方法只能处理单一检测任务，难以实现多任务同时检测。针对现有技术难实现综合检测的现状，提出一种基于改进YOLOM的带式输送机运行状态多任务检测方法，使用一个网络同时完成大尺寸煤块识别、皮带边缘检测和煤流状态检测，与每个任务使用单独的模型相比，将三个不同的颈部和头部集成到具有共享主干的模型中可以节省大量计算资源和推理时间。首先，在低照度和多尘雾的运输巷道内采集的图像语义信息弱，使得模型对目标语义信息的提取能力差，因此本研究利用扩张式残差模块（DWR）替换主干网络P6层和P8层C2f模块中的Bottleneck结构，在减少参数量的同时提高模型提取多尺度上下文语义信息的能力。其次，因模型需要进行目标识别和分割不同类型的任务，所以本研究使用具有跳层连接结构的高效层聚合网络（RepGFPN）优化特征融合部分，在控制模型参数数量和推理速度的同时极大提高模型对不同检测任务的检测精度；最后，由于模型需要检测标签形状各异的三种任务，因此本研究引入Inner-CIoU损失函数，弥补CIoU损失函数在不同的检测任务中泛化能力较弱的不足。为了验证DR-YOLOM算法的适用性和鲁棒性，选用U-net和DeepLabV3+网络模型与DR-YOLOM多任务检测模型分割任务的分割效果进行对比分析，Faster RCNN和Yolov8用于对比目标检测的效果，进行模型改进前后的损失函数与精度曲线对比。结果表明，相较于主流的单一检测算法，DR-YOLOM多任务检测算法有更好的综合检测能力，并且该算法可以在少量参数量的同时，保证高的目标识别精度、分割精度以及合适的推理速度，其中大尺寸煤块识别的mAP50为90%，皮带边缘分割和煤流分割的mIoU分别为78.7%，96.6%，模型参数数量为4.43M，推理速度可以达到40帧/秒，对比基础模型mAP50、mIoU分别提高了1.3%、0.7%、2.1%。为了验证DR-YOLOM算法的实用性，使用巡检机器人在实验室进行视频数据采集，并用DR-YOLOM多任务检测算法对其采集的视频数据进行检测。实验结果表明，DR-YOLOM多任务检测算法能够满足带式输送机运行状态的多任务检测要求。

关键词：带式输送机多任务检测大尺寸煤块识别皮带边缘检测煤流状态检测

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基于多传感融合的巷道三维空间映射

煤炭学报 2024年第9期49卷 4019-4026页

作者：刘峰王宏伟刘宇中国煤炭工业协会北京100013 中国煤炭学会北京100013 太原理工大学山西省煤矿智能装备工程研究中心山西太原030024 太原理工大学机械工程学院山西太原030024 智能采矿装备技术全国重点实验室山西太原030032

针对我国煤矿掘进工作面智能感知能力不足的问题,提出了一种基于多传感融合的煤矿巷道三维空间映射方法。该方法利用激光雷达等3D传感器预览煤矿巷道环境信息,并构建实时自主映射模型,为大型煤机装备提供空间感知信息。基于姿态感知理... 详细信息

针对我国煤矿掘进工作面智能感知能力不足的问题,提出了一种基于多传感融合的煤矿巷道三维空间映射方法。该方法利用激光雷达等3D传感器预览煤矿巷道环境信息,并构建实时自主映射模型,为大型煤机装备提供空间感知信息。基于姿态感知理论的多传感融合技术,对扩展卡尔曼滤波器算法进行优化,通过局部误差状态滤波估计和全局状态迭代估计,提出了一种基于距离残差的空间映射方法,实现了在几何退化的巷道环境下全局地图的快速更新和映射的高精度。其主要贡献在于将多传感器数据进行融合,构建出高精度的地下三维地图,并提高了巷道环境的智能感知能力和自主操作水平。首先,采用先进的激光雷达(LiDAR)传感器获取巷道内部的点云数据,提取点云特征,并建立帧间特征映射模型,从而构建出厘米级别的地下三维地图。同时,通过迭代误差状态的卡尔曼滤波器实现激光雷达与惯性导航的数据融合,提高了系统的鲁棒性,确保了地下三维地图的准确性和稳定性。此外,还考虑了井下粉尘和水雾等因素对巷道三维空间映射精度的影响,优化卡尔曼滤波增益调节激光雷达里程计权重,增强了低质量浓度粉尘条件下三维空间映射的环境适应性。实验结果表明,相较于LeGO-LOAM和LINS,笔者提出的三维空间映射方法在轨迹估计准确度、映射地图的点云数量以及点云密度等方面均表现更优。笔者所提出的方法可用于高精度、快速更新三维地图的自主掘进装备,提高煤矿掘进工作面的智能化水平,为巷道环境的智能化感知和自主作业提供了数据支持。

关键词：三维空间映射巷道智能感知扩展卡尔曼滤波点云地图

基于改进YOLOv8n+DeepSORT的带式输送机异物检测及计数方法

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工矿自动化 2024年第8期50卷 91-98页

作者：陈腾杰李永安张之好林斌太原理工大学机械与运载工程学院山西太原030024 太原理工大学山西省煤矿智能装备工程研究中心山西太原030024 太原理工大学智能采矿装备技术全国重点实验室山西太原030024 华晋焦煤有限责任公司沙曲一号煤矿山西吕梁033000

现有带式输送机异物检测方法存在提取目标语义信息能力弱、检测精度差等问题,且仅对异物进行识别检测,不能准确计算异物数量。针对该问题,设计了一种基于改进YOLOv8n+DeepSORT的带式输送机异物检测及计数方法。对YOLOv8n模型进行改进,... 详细信息

现有带式输送机异物检测方法存在提取目标语义信息能力弱、检测精度差等问题,且仅对异物进行识别检测,不能准确计算异物数量。针对该问题,设计了一种基于改进YOLOv8n+DeepSORT的带式输送机异物检测及计数方法。对YOLOv8n模型进行改进,再使用改进YOLOv8n(MSF−YOLOv8n)模型对带式输送机异物进行识别;将MSF−YOLOv8n模型的异物检测结果作为DeepSORT算法的输入,实现带式输送机异物跟踪和计数。YOLOv8n改进方法:使用C2f_MLCA模块替换主干网络中的C2f模块,提高网络在颜色信息单一环境下的信息提取能力;使用分离和增强注意力模块(SEAM)改进Head部分,以提高异物被遮挡情况下的检测精度;采用Focaler−IoU优化损失函数,解决检测目标形状差异大的问题。MSF−YOLOv8n模型性能验证实验结果表明,MSF−YOLOv8n模型的mAP50达93.2%,相较于基础模型提高了2.1%;参数量仅为2.82×10^(6),比基础模型少了0.19×10^(6),更适合部署到巡检机器人等边缘设备中;检测精度比YOLOv5s,YOLOv7,YOLOv8s算法分别高2.2%,1.3%,0.3%;其帧率虽然比YOLOv8s和YOLOv8n低,但仍可满足视频实时性检测要求。异物检测及计数实验结果表明,DeepSORT算法的准确率达80%,可准确跟踪被遮挡的锚杆及形状差异较大的目标。

关键词：带式输送机目标检测与跟踪异物检测及计数 MSF−YOLOv8n DeepSORT

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数字孪生在控制课程虚拟仿真实验教学中的应用

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实验技术与管理 2024年第3期41卷 175-183页

作者：梁广昱庞新宇李硕杰史博兆刘登毓太原理工大学机械与运载工程学院山西太原030024 煤矿综采装备山西省重点实验室山西太原030024

针对控制类课程知识抽象、缺乏可视化展示等问题,该文基于数字孪生的理论基础,以LabVIEW程序为平台,结合SolidWorks和STM32单片机设计开发了应用于机械控制工程教学的虚拟实验室。利用LabVIEW作为主要程序平台完成计算模型与数据处理平... 详细信息

针对控制类课程知识抽象、缺乏可视化展示等问题,该文基于数字孪生的理论基础,以LabVIEW程序为平台,结合SolidWorks和STM32单片机设计开发了应用于机械控制工程教学的虚拟实验室。利用LabVIEW作为主要程序平台完成计算模型与数据处理平台的搭建,运用SolidWorks完成数字模型的搭建,通过STM32单片机与串口协议进行数字模型与物理模型的数据通信,实现了教学、仿真以及数字孪生的有机结合,为创新型人才的培养和虚拟仿真实验室的建设提供了参考。

关键词：数字孪生控制工程 LabVIEW 虚拟实验室单片机

脉冲电场辅助碳素钢极薄带拉伸变形的本构模型和微观组织演变

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机械工程学报 2024年第6期60卷 245-260页

作者：任忠凯李赫许雅楠程前冯浩王涛太原理工大学机械与运载工程学院太原030024 太原理工大学先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心太原030024 中国重型机械研究院股份公司西安710018

08AL碳素钢极薄带材在微机电及微系统领域有着广泛的应用前景,但随着厚度的减小其塑性变形能力成为掣肘其应用的痛点。将脉冲电场集成到08AL碳素钢极薄带拉伸试验中,探究拉伸变形中电致塑性效应对极薄带变形能力和微观组织演变的影响规... 详细信息

08AL碳素钢极薄带材在微机电及微系统领域有着广泛的应用前景,但随着厚度的减小其塑性变形能力成为掣肘其应用的痛点。将脉冲电场集成到08AL碳素钢极薄带拉伸试验中,探究拉伸变形中电致塑性效应对极薄带变形能力和微观组织演变的影响规律。基于试验结果,建立一种改进的Johnson-Cook本构模型,用来定量分析电致塑性效应中焦耳热效应和非热效应对材料流动应力的影响规律。基于材料硬化子程序VUMAT开发电场辅助拉伸有限元模型,分析不同成形参数下的应力和应变特性,并确定试样微观结构表征的位置。试验结果表明,在施加1.50 A/mm^(2)的电流时,试样抗拉强度较室温拉伸降低16.5%,伸长率提高32.1%。此外,微观表征结果表明,在平均电流密度为1.50 A/mm^(2)的条件下,极薄带在塑性变形阶段不断细化晶粒并促进晶内和晶界处位错滑移,使其变形抗力降低,塑性性能提高。因此,脉冲电场辅助08AL碳素钢极薄带变形,有望显著提高其成形极限,拓宽其应用领域。

关键词： 08AL碳素钢脉冲电流 Johnson-Cook本构模型微观表征抗拉强度

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采煤机滚筒载荷特性研究与预测

矿业研究与开发 2024年第9期44卷 176-185页

作者：王宏伟郭军军梁威耿毅德陶磊李进太原理工大学山西省煤矿智能装备工程研究中心山西太原030024 山西焦煤集团有限责任公司博士后工作站山西太原030024 太原理工大学机械与运载工程学院山西太原030024

为研究采煤机滚筒载荷特性,并实现载荷预测,以山西高河矿E2312工作面为工程对象,利用离散元-多体动力学(DEM-MBD)双向耦合技术,构建截割耦合模型。数值模拟与工程试验的平均扭矩误差较小,证明通过双向耦合技术研究滚筒载荷的可靠性;利... 详细信息

为研究采煤机滚筒载荷特性,并实现载荷预测,以山西高河矿E2312工作面为工程对象,利用离散元-多体动力学(DEM-MBD)双向耦合技术,构建截割耦合模型。数值模拟与工程试验的平均扭矩误差较小,证明通过双向耦合技术研究滚筒载荷的可靠性;利用希尔伯特-黄变换(HHT),分析各载荷的时频特性,研究不同运动参数下总载荷时频特性;基于长短期记忆(LSTM),以数值模拟的载荷为输入样本,实现载荷预测。结果表明:采用DEM-MBD-HHT-LSTM模型,可实现载荷特性研究和预测。通过时频特性分析发现,滚筒不同运动状态下各载荷具有辨识性和关联性;采用LSTM算法预测载荷的准确度由高到低依次为总载荷、截割载荷、牵引载荷、侧向载荷。研究结果可为采煤机自适应调速策略提供参考。

关键词：采煤机滚筒载荷载荷预测 DEM-MBD-HHT-LSTM模型时频特性