煤礦災(zāi)害信息探測機器人系統(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，因為在發(fā)生煤礦災(zāi)害以后，越早的實施救援，就能最大程度上挽回生命和財產(chǎn)的損失，而實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)害信息探測機器人便可代替救援人員執(zhí)行對災(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式煤礦災(zāi)害信息探測機器人，并針對災(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

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式煤礦信息探測機器人系統(tǒng)。雙級機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，一級運載機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)前進時釋放無軌二級信息探測機器人進一步對災(zāi)害現(xiàn)場信息進行探測。⑵設(shè)計了煤礦災(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RSSI路徑損傷模型進行改進，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)此模型對煤礦巷道仿真實驗室的無線節(jié)點進行安放，實驗結(jié)果表明通信信號清晰穩(wěn)定。⑶針對二級信息探測機器人，進行了靜態(tài)穩(wěn)定性分析，得出了機器人重心與幾何中心的位置關(guān)系。針對二級信息探測機器人的越障性能，構(gòu)建了機器人的簡化模型，通過分析搖臂圍繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時機器人整體質(zhì)心的變化對越障性能的影響，得出了機器人可翻越的理論高度。同時得出了機器人能夠攀爬斜坡的最大坡度。⑷針對煤礦災(zāi)害信息探測機器人的自主導(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。針對三維環(huán)境信息難以獲取的問題，采用了TOF相機對三維環(huán)境信息進行獲取，形成三維點云坐標(biāo)矩陣。通過對坐標(biāo)陣中每個點進行計算，判斷坐標(biāo)點在局部柵格地圖中的位置，創(chuàng)建新的局部柵格地圖，并對柵格單元占據(jù)概率進行實時更新，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)點的密度，對障礙物進行類型劃分，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。針對傳統(tǒng) A*算法在大范圍柵格環(huán)境下計算時間長的問題，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。針對柵格地圖對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)，增加了對路徑長度計算的預(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針對煤礦災(zāi)害信息探測機器人自動導(dǎo)航中的路徑規(guī)劃問題，提出了一種改進的標(biāo)號修正算法。

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。針對標(biāo)號修正算法的標(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。針對初始解的質(zhì)量問題，設(shè)計了兩條評判標(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。針對改進的標(biāo)號修正算法對多目標(biāo)優(yōu)化算法時間長的問題，提出了增加權(quán)重系數(shù)的標(biāo)號修正算法，通過對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，仿真實驗表明，該