马宏伟教授:煤矿掘进机器人系统智能并行协同控制方法

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创新点

(1)研发了全新的煤矿巷道掘进机器人系统,提出了基于时间与空间最优的智能掘进机器人并行协同控制方法。

(2)研究分析了掘进机器人系统与巷道的耦合关系,揭示了掘进机器人系统中各个子系统之间的相关性以及多任务之间的相互影响机理,提出了截割机器人和钻锚机器人的并行协同控制方法。

(3)构建了多钻机多任务协同钻锚作业数学模型,获得了钻机布置排距、排数及其各排钻锚任务数等基本参数;提出了基本参数优化组合和安全距离最大原则的优化方法,获得了钻锚机器人各排钻机最佳时空匹配策略。

作 者

马宏伟1,2,王 鹏1,2,王世斌3,毛清华1,2,石增武4,夏 晶1,2,杨 征5,薛旭升1,2,王川伟1,2

单 位

1. 西安科技大学 机械工程学院;2. 陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室;3. 陕西煤业化工集团有限责任公司;4. 陕西陕煤榆北煤业有限公司;5. 陕西小保当矿业有限公司

研究背景

近年来,国内外对煤巷掘进智能化的研究不断深入,已经成为煤矿智能化研究的重点、难点和热点,其主要聚焦在智能截割技术、智能导航技术、智能协同控制技术和远程智能监控技术方面。智能协同控制技术是智能掘进机器人系统的核心,智能协同控制求解任务就是通过寻找系统联盟中能够执行任务的一个或多个机器人,并且该机器人组合是完成该任务时代价最小的一个组合。目前,协同控制技术的研究主要包括2个方面:①建立多个机器人之间的空间位置关系,一般通过基坐标系标定来实现;②协同插补算法,协同插补算法中的关键技术是协同轨迹的过渡和对多个运动单元的同步速度规划。国内外学者大多面向多任务、多工序、多资源、多主体的并行与协同控制问题,主要研究了强化学习、 遗传算法、Agent算法、P学习、粒子群算法等。

煤矿智能掘进机器人系统主要包括智能截割系统、智能临时支护系统、智能钻锚系统、智能锚网运输系统、智能运输系统和智能通风除尘系统等多个智能子系统。在实现单个子系统智能控制的基础上,如何通过对煤矿智能掘进系统多个任务并行与多个子系统智能协同控制成为重要研究内容之一。

摘 要

煤矿巷道掘进长期存在的“采快掘慢”“掘快支慢”顽症,尤其是掘进工作面装备成套化、自动化、智能化程度偏低、顺序作业工艺技术落后等问题,严重影响生产接续和安全高效开采。对此,研发了护盾推移式煤矿巷道掘进机器人系统成套装备,提出了一种煤矿巷道掘进机器人系统智能并行协同控制方法。

首先,结合掘进机器人系统与巷道的耦合关系,分析了掘进机器人系统中各个子系统之间的相关性以及多任务之间的相互影响机理,得出了决定掘进效率的关键因素在于截割机器人和钻锚机器人的并行协同控制。

其次,针对钻锚机器人各钻机之间的时空关系,构建了多钻机多任务协同钻锚作业数学模型,获得了钻机布置排距、排数及其各排钻锚任务数,同时使用优化组合的方法进行求解,并对计算结果通过安全距离最大原则进行优化,获得了钻锚机器人各排钻机最佳时空匹配策略。

最后,通过钻锚机器人系统并行协同控制仿真和实验,证明了该方法的有效性;通过对掘进机器人工作时截割机器人与钻锚机器人的时序分析,得出优化后的钻锚机器人工作时间能够与截割机器人工作时间有效匹配,2者能够并行协同的完成截割和钻锚任务。

该方法已经应用在团队研发的煤矿智能掘进机器人系统上,实现了多机器人系统的智能并行协同控制。具有智能并行协同控制的掘进机器人系统已经在大断面(6.50m×4.25m)、夹矸与片帮共存的巷道运行近10个月,经受了夹矸厚度达2.1m、硬度f=5~7的严酷考验,日进尺突破50m。

部分图片

智能掘进机器人系统组成

智能掘进机器人系统与围岩相关性网络

煤矿巷道截面钻孔布置

多钻机协同模型

多钻机多任务协同策略流程

钻锚任务分配

钻机与钻孔位置关系

钻锚机器人协同优化结果

掘进机器人系统工作时序

截割机器人与钻锚机器人作业时间统计

掘进机器人系统的地面远程测控系统

智能掘进机器人系统物理样机

作者简介

马宏伟,男,1957年生,汉族,陕西省兴平市人,中共党员,工学博士,二级教授,博士生导师。现任陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室主任,曾任西安科技大学副校长、研究生院院长、研究院院长等。

研究方向

主要研究方向为智能检测与控制、煤矿机器人技术、煤矿机电装备及其智能化、煤矿机电设备智能维护与健康管理等

主要成果

先后主持国家级、省部级科研项目10余项,主持企业委托项目数十项;获省部级科学技术奖10余项,获省级优秀教学成果奖、精品课程以及优秀教材奖10余项,获国家专利100余项,在国内外学术期刊上发表学术论文200余篇,其中被SCI、EI等收录100余篇;培养博硕士研究生150余名。

来源:

马宏伟,王鹏,王世斌,等. 煤矿掘进机器人系统智能并行协同控制方法[J]. 煤炭学报,2021,46(7):2057-2067.

MA Hongwei,WANG Peng,WANG Shibin,et al. Intelligent parallel cooperative control method of coal mine excavation robot system[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(7):2057-2067.

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