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煤矿探测机器人环境重建与虚拟操控技术研究

董润霖  
【摘要】:煤炭井下多种灾害事故时有发生,传统的灾后救援存在很大隐患。煤矿救援和环境探测机器人代替救援人员,实施灾后环境探测、评估和救援,是近年来国内外研究的热点。目前依靠自主导航或视频远程决策的探测机器人控制研究,受制于井下复杂环境,探测效率低下。基于VR技术建立融合人的感知和多种数字信息交互的多维空间,为危险、复杂作业环境下的机械作业远程操控决策提供了技术支撑。本文借助虚拟仿真、精确定位、环境重建和远程操控等技术,建立机器人虚拟样机和煤矿井下场景,完成基于多种传感器数据融合的机器人数据驱动下的动态编程,实现了煤矿探测机器人环境重建和远程虚拟操控,可有效提升井下矿难救援的效率。根据煤矿井下探测机器人系统控制存在的不足,运用Unity3D虚拟现实软件平台构建了煤矿探测机器人三维可视化远程智能操控系统,开发数据通讯接口实现多种传感器数据采集和处理,完成了基于传感器数据驱动的探测机器人动态编程,实现了“虚实同步、数据驱动、远程干预、人机协作”的虚拟控制策略。针对探测机器人精确定位问题,在初始地图数据库的基础上,采用惯性导航装置对机器人进行位姿定位,并通过在井下添加信标的方式对机器人前向位移进行校准,同时在机身两侧安装超声传感器,经扩展卡尔曼滤波算法将数据融合后得到机器人在巷道中的精确位置,通过虚拟现实数据接口实现了虚拟机器人与探测机器人的实时位姿同步。对于井下环境灾后非结构化的问题,提出了虚拟现实技术的环境重建技术,通过激光雷达扫描环境信息,结合机器人的位姿信息进行数据配准后采用立体栅格克隆技术在Unity3D中高效地实现局部地图重建,保证操作人员可基于实时重建的虚拟场景对探测机器人进行远程操控。搭建了实验平台,对系统整体功能及性能进行验证。实验表明,数据通讯正常,系统运行稳定流畅,能够实现探测机器人与虚拟机器人样机同步运动,可以对井下环境进行实时重建,实现对煤矿探测机器人的远程虚拟操控。该项技术的研究,可以弥补当前的煤矿探测机器人控制技术方面的不足,为矿难救援提供了有力支援。


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