煤矿井下水仓智能清淤机器人关键技术研究与应用.pdf

分类号 TD636 学校代码 10426 密级 不保密 学号 4018040005 专专 业业 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 PROFESSIONAL MASTER DEGREE THESIS 煤矿井下水仓智能清淤机器人煤矿井下水仓智能清淤机器人 关键技术研究与应用关键技术研究与应用 作作 者者 侯力扬侯力扬 指导教师指导教师 孟祥忠孟祥忠教授教授 学科专业学科专业 电气工程电气工程 专业代码专业代码 085207 研究方向研究方向 智能控制理论及应用智能控制理论及应用 2021 年 04 月 18 日 万方数据 万方数据 I 煤矿井下水仓智能清淤机器人关键技术研究与应用 摘 要 井下水仓储存着煤矿开采过程中产生的大量煤泥和废水，是防止矿井水灾的重要 设施， 也是每一个矿井必须配备的生产系统。 然而井下水仓清淤工作环境条件恶劣， 煤 泥中含水量大，搅动后往往变成半流态或流态，周期性清仓需要大量人工且无法保证 工人的生命安全。随着智能化矿山的建设与矿井水患安全意识的提高，自主化清仓成 为趋势。 根据水仓实际生产需求， 设计了一种可以持续自主清仓的智能清淤机器人， 为 井下水仓煤泥清理的各类自主式机器人的开发提供参考，推动井下水仓清理工作的智 能化、无人化进程。 煤矿井下水仓智能清淤机器人关键技术在于对清淤过程中煤泥清理密度的模糊 PID 控制和同时定位与建图Simultaneous Localization and Mapping, SLAM技术，具体 研究内容包括以下几个方面 首先，对水仓煤泥理化特性进行分析和对泵送系统的参数进行计算，为建立清淤 过程基于阶梯模糊 PID 的煤泥密度控制模型提供了数据条件，并通过仿真验证此模型 的有效性。 其次，分析卡尔曼滤波算法和标准粒子滤波算法的算法原理，建立 SLAM 问题的 数学模型与井下水仓清淤机器人模型，并对 SLAM 中地图构建问题进行分析并加以选 取，从而将井下水仓清淤机器人的 SLAM 问题分解为清淤工作定位问题与建图问题。 再者，引入 FastSLAM 算法并对其原理进行分析，采用二叉树优化降低原算法的 时间开销和计算复杂度，并采用粒子群优化算法对 FastSLAM 算法的粒子全局收敛性 差和枯竭进行改进，使得每个粒子综合考虑个体粒子和群体粒子的共同影响，不断优 化更新粒子的位置和权重值，在不需要增加粒子数量的情况下，逼近系统的真实后验 概率分布，进而使清淤机器人更接近真实系统状态分布，并对改进后的算法进行无障 碍区域与井下水仓栅格模型下的仿真实验，分析不同数量的路标点和不同参数的里程 计对算法性能差异的影响，并验证改进算法的有效性。 最后， 介绍了清淤机器人的机械系统、 液压系统和智能控制系统的设计， 对搭建好 的清淤机器人在井下水仓进行一个清淤周期的应用调试，并对调试过程的作业进度数 据进行分析，进一步验证了清淤工作过程中基于阶梯模糊 PID 的煤泥密度控制与基于 粒子群优化算法的 FastSLAM 算法的有效性。 关键词井下水仓 清淤机器人 阶梯模糊 PID FastSLAM 粒子群优化 万方数据 II RESEARCH AND APPLICATION OF KEY TECHNOLOGIES OF INTELLIGENT DREDGING ROBOT FOR UNDERGROUND SUMP IN COAL MINE ABSTRACT Underground sump stores large amounts of coal slurry and wastewater produced during coal mining and is an important facility for preventing mine flooding and a production system that every mine must be equipped with. However, underground sump dredging is carried out under harsh environmental conditions, the water content in the coal slurry is large, and it often becomes semi-fluid or fluid after churning, so periodic dredging requires a lot of manual labor and cannot guarantee the life safety of workers. With the construction of intelligent mines and the increased awareness of mine flood safety, autonomous clearance has become the trend. According to the actual production demand of underground sump, an intelligent dredging robot that can continuously and autonomously clean the sump is designed to provide a reference for the development of various types of autonomous robots for underground sump slime cleaning and to promote the intelligent and unmanned process of underground sump cleaning. Key technologies of intelligent dredging robot for coal mine underground sump are fuzzy PID control and Simultaneous Localization and Mapping SLAM technology for slime cleaning density in the dredging process, and the specific research includes the following aspects Firstly, the physicochemical characteristics of coal slurry in water bunker and the parameters of pumping system are analyzed and the data conditions are provided for establishing the step fuzzy PID control model of coal slurry density step in dredging process, and the effectiveness of this model is verified by simulation. Secondly, the algorithm principles of Kalman filter algorithm and standard particle filter algorithm are analyzed, the mathematical model of SLAM problem and underground sump dredging robot model are established, and the map construction of SLAM problem is analyzed and selected, so that the SLAM problem of underground sump dredging robot is decomposed into dredging work positioning problem and map building problem. Furthermore, the FastSLAM algorithm is introduced and its principle is analyzed. The binary tree optimization is used to reduce the time overhead and computational complexity of the original algorithm, and the particle swarm optimization algorithm is used to improve the poor global convergence and depletion of the particles of the FastSLAM algorithm so that 万方数据 III each particle integrates the joint influence of individual particles and group particles, and the position and weight values of the particles are continuously optimized and updated. Without increasing the number of particles, the real posterior probability distribution of the system is approximated, which in turn makes the dredging robot closer to the real system state distribution, and simulation experiments are conducted for the improved algorithm under the barrier-free area and underground sump raster model to analyze the effects of different numbers of wayfinding points and odometer parameters on the differences in algorithm perance and to verify the effectiveness of the improved algorithm. Finally, the design of the mechanical system, hydraulic system and intelligent control system of the dredging robot is introduced, and the application debugging of the built dredging robot in the underground sump is carried out for one dredging cycle, and the debugging data are analyzed to further verify the effectiveness of step fuzzy PID-based slime density control and FastSLAM based on particle swarm optimization algorithm in the dredging process. KEY WORDS underground sump desilting robot step fuzzy pid fastslam particle swarm optimization 万方数据 IV 目 录 1 绪论 ..................................................................................................................1 1.1 课题研究背景及意义 ................................................................................................ 1 1.1.1 本课题研究背景 .............................................................................................. 1 1.1.2 本课题研究意义 .............................................................................................. 2 1.2 国内外研究及发展现状 ............................................................................................ 4 1.2.1 井下水仓煤泥清理机械的研究与发展现状 .................................................. 4 1.2.2 机器人导航定位技术的研究与发展现状 ...................................................... 6 1.2.3 机器人 SLAM 技术的研究与发展现状 ......................................................... 8 1.3 煤矿井下水仓清淤存在的问题 ................................................................................ 9 1.3.1 面临的主要问题 .............................................................................................. 9 1.3.2 本文的应对思路 .............................................................................................. 9 1.4 本文的内容安排 ........................................................................................................ 9 2 井下水仓清淤机器人煤泥密度控制研究 .................................................... 11 2.1 水仓煤泥理化特性研究分析 .................................................................................. 11 2.1.1 煤泥浓度的测定 ............................................................................................ 11 2.1.2 煤泥粘度的测定 ............................................................................................ 11 2.1.3 煤泥密度的测定 ............................................................................................ 12 2.2 泵送系统的参数计算 .............................................................................................. 13 2.2.1 泵送系统的负载分析 .................................................................................... 13 2.2.2 输送主油缸工作压力分析 ............................................................................ 15 2.2.3 主油泵参数计算 ............................................................................................ 15 2.2.4 煤泥输送料缸输送能力校验 ........................................................................ 16 2.2.5 煤泥出口压力计算 ........................................................................................ 16 2.2.6 煤泥输送距离计算 ........................................................................................ 17 2.3 清淤过程的煤泥密度控制研究 .............................................................................. 17 2.3.1 煤泥密度控制系统方案设计 ........................................................................ 17 2.3.2 基于模糊 PID 的煤泥密度控制器设计........................................................ 19 2.3.3 模糊推理与模糊规则的建立 ........................................................................ 21 2.3.4 密度控制模型切换系数设计 ........................................................................ 22 2.3.5 煤泥密度控制模型仿真分析 ........................................................................ 23 2.4 本章小结 .................................................................................................................. 24 万方数据 V 3 井下水仓清淤机器人 SLAM 建模 ............................................................... 25 3.1 SLAM 问题描述及其所需理论 ............................................................................... 25 3.1.1 状态空间方程 ................................................................................................ 25 3.1.2 朴素贝叶斯估计原理 .................................................................................... 25 3.1.3 Monte Carlo 积分 ............................................................................................ 26 3.1.4 Markov 过程 ................................................................................................... 27 3.2 基于标准卡尔曼滤波算法对机器人的位置分布预测 .......................................... 28 3.2.1 标准卡尔曼滤波算法 .................................................................................... 28 3.2.2 机器人的位置分布预测 ................................................................................ 30 3.3 标准粒子滤波算法 .................................................................................................. 32 3.4 SLAM 问题的数学模型 ........................................................................................... 33 3.5 井下水仓清淤机器人模型 ...................................................................................... 35 3.5.1 清淤机器人的坐标系统 ................................................................................ 35 3.5.2 清淤机器人的运动模型 ................................................................................ 35 3.5.3 清淤机器人的里程计模型 ............................................................................ 36 3.5.4 激光雷达传感器量测模型 ............................................................................ 38 3.6 SLAM 问题的地图构建 ........................................................................................... 39 3.6.1 SLAM 地图表示方法 ..................................................................................... 39 3.6.2 占据栅格地图模型 ........................................................................................ 40 3.7 本章小结 .................................................................................................................. 42 4 基于粒子群优化的 FastSLAM 算法改进 .................................................... 43 4.1 FastSLAM 算法 ........................................................................................................ 43 4.1.1 FastSLAM 算法原理 ...................................................................................... 43 4.1.2 二叉树优化 .................................................................................................... 46 4.2 标准粒子群算法 ...................................................................................................... 48 4.2.1 粒子群算法概述 ............................................................................................ 48 4.2.2 粒子群算法的实现原理 ................................................................................ 49 4.3 基于粒子群优化的 FastSLAM 算法 ...................................................................... 51 4.3.1 粒子群算法的引入思路 ................................................................................ 51 4.3.2 粒子群对 FastSLAM 算法改进 .................................................................... 51 4.3.3 改进的算法实现 ............................................................................................ 52 4.4 仿真实验与评估 ...................................................................................................... 53 万方数据 VI 4.4.1 无障碍区域地图模型仿真 ............................................................................ 53 4.4.2 基于水仓地图模型的仿真 ............................................................................ 57 4.5 本章小结 .................................................................................................................. 63 5 清淤机器人硬件系统搭建及应用调试 ........................................................ 64 5.1 井下智能清淤机器人的系统架构 .......................................................................... 65 5.1.1 清淤机器人主要技术参数 ............................................................................ 65 5.1.2 清淤机器人行走方式的确定 ........................................................................ 66 5.2 清淤机器人的机械系统设计 .................................................................................. 66 5.3 清淤机器人的液压系统设计 .................................................................................. 70 5.4 清淤机器人的智能控制系统设计 .......................................................................... 73 5.4.1 主控制器模块 ................................................................................................ 73 5.4.2 多信息采集系统 ............................................................................................ 77 5.4.3 远程监控平台 ................................................................................................ 80 5.5 井下水仓清淤应用实验及结果分析 ...................................................................... 82 5.6 本章小结 .................................................................................................................. 85 6 总结与展望 .................................................................................................... 86 6.1 总结 .......................................................................................................................... 86 6.2 展望 .......................................................................................................................... 87 参考文献 ............................................................................................................ 88 致谢 .................................................................................................................... 92 攻读学位期间发表的学术论文目录 ................................................................ 93 声明 .................................................................................................................... 94 学位论文版权使用授权书 ................................................................................ 94 万方数据 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 绪论 1.1 课题研究背景及意义 1.1.1 本课题研究背景 煤炭资源作为我国至关重要的一次能源，在能源结构中处于首要地位，是国民经 济发展的重要支柱。以 2016 年为例，我国煤炭产煤量在全世界占比 46.1，居世界首 位，世界主要产煤国煤炭产量占比情况如图 1-1 所示。虽然作为煤炭产量大国，我国同 样也是受矿井水害影响最为严重的国家。 据有关数据统计， 我国自 21 世纪以来， 有 250 多个井下水仓曾发生过涌仓事件，导致事故现场的工人和参与救援人员死亡数量累计 高达 1700 多人，经济损失则不可估量。因此，要实现煤炭的高效生产以及适应开采规 模的不断扩张，不仅要提高机械化生产能力，更应注意井下安全生产[1]。 图 1-1 2016 年世界主要产煤国煤炭产量占比情况 Fig.1-1 Share of coal production leading coal producers in the worlds in 2016 影响煤矿井下安全开采的危害有四个方面 井下水害、 矿区失火、 瓦斯爆炸和煤尘 颗粒。井下水害作为主要灾害之一，在井下安全开采的过程中可导致重大的事故。目 前，每个矿井都设有中央水仓来防止矿井水灾，大多数的井下中央水仓设施都分为主 水仓和副水仓，轮换使用并同时进行煤泥清理工作。矿井水由地下水渗透、涌水、