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张旭辉教授:数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统研究

本文创新点

 

   1. 针对掘进设备远程控制中存在的设备决策能力低,掘进效率不高,安全隐患大等问题,提出了数字孪生驱动的掘进机器人决策控制方法,搭建了数字孪生驱动的系统体系框架,提出了“数据驱动、双向映射、碰撞检测、自主决策、人机协作”技术体系。

2. 结合虚拟现实技术与深度强化学习算法,提出虚拟智能体的概念,在虚拟空间中重建镜像化物理空间的基础上,通过对传统PPO算法进行改进构建掘进机器人虚拟智能体,使其具备自主决策能力并实现对机器人的远程控制。

3. 数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统能够有效再现物理空间状态,建立了以设备自主决策为主,人工干预为辅的远程控制模式,对实现智能化掘进工作面奠定了一定基础。

作者简介
 
 
 
 
 
张旭辉

  教授

  博士生导师

 

张旭辉,男,1972年10月生,陕西宝鸡人,中共党员,教授,博士生导师。主持国家和省部级项目20余项,获省部级科技奖励11项。发表学术论文200多篇,其中 SCI、EI检索70余篇。授权发明专利50余项,获计算机软件著作权20多项,出版专著教材8部。

研究方向

煤矿采掘装备智能化技术研究与应用

 

主要成果

致力于煤矿井下采掘装备智能化技术研发,提出煤矿井下“数字煤层+精准远程操控”自动截割方法,形成的“数字煤层、虚实同步、数据驱动、动态修正、碰撞检测、远程操控、煤层预测”技术体系,为煤炭行业恶劣环境下少人甚至无人开采提供了新的思路;首创煤矿井下掘进机“视觉+”精确定位方法,攻克狭长巷道中掘进设备长距离机身定位方法,实现了掘进机定向、定位和定形截割,形成了煤矿井下巷道长距离定位、数字孪生驱动远程虚拟操控成套技术。研究成果应用于多个掘进机厂家和煤矿掘进工作面。

 

 题 目 

数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统研究

 

 作 者 

 张旭辉1,2 吕欣媛1 王  甜1 黄本鑫1 郑西利1

 

 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

 

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摘   要

 

针对掘进设备远程控制中存在的设备决策能力低,掘进效率不高,安全隐患大等问题,提出了一种数字孪生驱动的掘进机器人决策控制方法。通过分析对比当前数字孪生技术在煤矿领域的研究情况,设计了数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统体系框架,包含物理空间、虚拟空间、孪生数据、规划层、控制层、执行层6个模块,以实现虚拟样机自主规划决策,远程控制物理样机同步运动的目的。首先,结合虚拟现实技术研究了非结构化环境下的局部避障策略,建立掘进机器人运动控制模型与传感观测模型,利用激光雷达将巷道中的障碍物在虚拟环境中进行重建,采用Ray-Col方法进行机器人与障碍物之间的碰撞检测,为机器人的路径规划决策奠定基础;其次,结合深度强化学习技术研究了基于虚拟智能体的全局路径规划方法,提出了基于改进PPO算法的Muti-PPO算法,通过奖惩机制建立掘进机器人虚拟智能体,并在Unity3D平台中进行训练,训练结果表明Muti-PPO算法相比于PPO算法、SAC算法,平均奖励值分别提升了13.82%与11.31%;标准差分别下降了17.85%与16.81%;最高奖励值分别提升0.14%与0.43%,其性能在3种算法中达到最优;最后,搭建决策控制平台,将虚拟空间中产生的决策指令发送至物理样机的末端执行器,通过物理样机传感器数据驱动虚拟样机同步变化。根据系统的规划决策、双向映射与远程控制功能,设计路径规划试验与虚实同动试验对其进行验证。路径规划试验结果表明,在3种不同复杂程度的工况下,虚拟智能体路径规划结果与目标点的误差在1.2 cm以内,且能够将控制信息传输至物理空间中,远程控制机器人运动;虚实同动试验结果表明,在掘进机器人运行过程中,虚拟样机与物理样机保持同步运动,两者在巷道中的位姿均保持一致。该方法实现了“数据驱动、双向映射、碰撞检测、自主决策、人机协作”的无人化决策控制新模式,为掘进设备的智能化提供了新的思路。

 

 
引用格式
 

张旭辉,吕欣媛,王  甜,等.数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统研究[J].煤炭科学技术,2022,50(7):36-49

 

来源:煤炭科学技术