煤礦災(zāi)害信息探測機(jī)器人系統(tǒng)研制及其地圖構(gòu)建與路徑規(guī)劃研究.pdf

1、煤礦災(zāi)害現(xiàn)場的信息探測問題一直以來都是國內(nèi)外專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)，因?yàn)樵诎l(fā)生煤礦災(zāi)害以后，越早的實(shí)施救援，就能最大程度上挽回生命和財(cái)產(chǎn)的損失，而實(shí)施救援的前提條件是要首先探明災(zāi)害現(xiàn)場的環(huán)境信息為救援決策服務(wù)。為此，煤礦災(zāi)害信息探測機(jī)器人便可代替救援人員執(zhí)行對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場環(huán)境信息探測的任務(wù)。本文研制了一種雙級(jí)式煤礦災(zāi)害信息探測機(jī)器人，并針對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場的三維環(huán)境地圖構(gòu)建和路徑規(guī)劃問題進(jìn)行研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴基于現(xiàn)有煤礦信息探測機(jī)

2、器人的研究現(xiàn)狀，研制了一種基于煤礦井下避難硐室的雙級(jí)式煤礦信息探測機(jī)器人系統(tǒng)。雙級(jí)機(jī)器人依托煤礦井下的避難硐室和工字鋼軌道，當(dāng)發(fā)生煤礦災(zāi)害時(shí)，一級(jí)運(yùn)載機(jī)器人從避難硐室附近出發(fā)，沿煤礦巷道頂板預(yù)設(shè)的工字鋼軌道行駛，無法繼續(xù)前進(jìn)時(shí)釋放無軌二級(jí)信息探測機(jī)器人進(jìn)一步對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場信息進(jìn)行探測。⑵設(shè)計(jì)了煤礦災(zāi)害現(xiàn)場與地面的通信系統(tǒng)。以無線WIFI技術(shù)和TCP/IP協(xié)議為通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)主體；對(duì)RSSI路徑損傷模型進(jìn)行改進(jìn)，得出適合煤礦巷道使用的帶有多徑

3、效應(yīng)的路徑損傷模型，并依據(jù)此模型對(duì)煤礦巷道仿真實(shí)驗(yàn)室的無線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安放，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通信信號(hào)清晰穩(wěn)定。⑶針對(duì)二級(jí)信息探測機(jī)器人，進(jìn)行了靜態(tài)穩(wěn)定性分析，得出了機(jī)器人重心與幾何中心的位置關(guān)系。針對(duì)二級(jí)信息探測機(jī)器人的越障性能，構(gòu)建了機(jī)器人的簡化模型，通過分析搖臂圍繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)器人整體質(zhì)心的變化對(duì)越障性能的影響，得出了機(jī)器人可翻越的理論高度。同時(shí)得出了機(jī)器人能夠攀爬斜坡的最大坡度。⑷針對(duì)煤礦災(zāi)害信息探測機(jī)器人的自主導(dǎo)航問題，本文提出了一種使

4、用模塊化的局部柵格地圖表示復(fù)雜三維環(huán)境的地圖構(gòu)建算法。針對(duì)三維環(huán)境信息難以獲取的問題，采用了TOF相機(jī)對(duì)三維環(huán)境信息進(jìn)行獲取，形成三維點(diǎn)云坐標(biāo)矩陣。通過對(duì)坐標(biāo)陣中每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，判斷坐標(biāo)點(diǎn)在局部柵格地圖中的位置，創(chuàng)建新的局部柵格地圖，并對(duì)柵格單元占據(jù)概率進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，創(chuàng)建完整的全局環(huán)境柵格地圖。根據(jù)柵格單元中坐標(biāo)點(diǎn)的密度，對(duì)障礙物進(jìn)行類型劃分，確定通行區(qū)域與不可通行區(qū)域，簡化了路徑規(guī)劃的算法。⑸針對(duì)傳統(tǒng)的柵格環(huán)境下路徑規(guī)劃算法的不足提出

5、了一種加入了柵格障礙占據(jù)概率的雙層 A*路徑規(guī)劃算法。針對(duì)傳統(tǒng) A*算法在大范圍柵格環(huán)境下計(jì)算時(shí)間長的問題，提出了將柵格地圖分為高層?xùn)鸥竦貓D和低層?xùn)鸥竦貓D，高層?xùn)鸥竦貓D決定路徑搜索的方向，低層?xùn)鸥竦貓D用于局部路徑規(guī)劃。針對(duì)柵格地圖對(duì)障礙物表示上的不足，在算法中加入了柵格占據(jù)概率函數(shù)，增加了對(duì)路徑長度計(jì)算的預(yù)判準(zhǔn)確性，通過低層與高層算法相結(jié)合得到最優(yōu)路徑。⑹針對(duì)煤礦災(zāi)害信息探測機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航中的路徑規(guī)劃問題，提出了一種改進(jìn)的標(biāo)號(hào)修正算法。

6、該算法可解決復(fù)雜環(huán)境中的多目標(biāo)路徑規(guī)劃問題。針對(duì)標(biāo)號(hào)修正算法的標(biāo)簽排序問題，提出了一種累加成本和最小的標(biāo)簽排序準(zhǔn)則，并證明了該準(zhǔn)則得出的解為 Pareto最優(yōu)路徑。針對(duì)初始解的質(zhì)量問題，設(shè)計(jì)了兩條評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，能夠在算法的早期剔除掉不能構(gòu)成 Pareto最優(yōu)路徑的無效解。針對(duì)改進(jìn)的標(biāo)號(hào)修正算法對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化算法時(shí)間長的問題，提出了增加權(quán)重系數(shù)的標(biāo)號(hào)修正算法，通過對(duì)不同影響因素增加權(quán)重系數(shù)，使多目標(biāo)優(yōu)化問題變?yōu)閱我荒繕?biāo)優(yōu)化問題，仿真實(shí)驗(yàn)表明，該