煤礦地理區(qū)域范圍大、井下巷道蜿蜒曲折且交叉眾多、災(zāi)后巷道嚴(yán)重破壞造成地形復(fù)雜崎嶇、災(zāi)后空氣中不均勻的分布著爆炸性氣體和粉塵、視覺環(huán)境黑暗潮濕、地下環(huán)境極大限制了無線通訊,這些環(huán)境因素對機器人的行走和導(dǎo)航造成了極大的困難。經(jīng)過多年的努力,中國礦業(yè)大學(xué)在煤礦救災(zāi)機器人的防爆設(shè)計、行走機構(gòu)的研究上獲得了大量的成果,并通過重大項目的應(yīng)用示范,獲得了煤礦安全的認(rèn)證,基本解決了煤礦救災(zāi)機器人的井下遙控行走問題,然而在井下導(dǎo)航上還缺乏深入研究,因此本文以采用可視化技術(shù)提高煤礦救災(zāi)機器人的導(dǎo)航能力為目標(biāo)展開研究工作。首先,對煤礦井下的環(huán)境結(jié)構(gòu)特點展開研究工作,包括巷道的災(zāi)前災(zāi)后的結(jié)構(gòu)及地形特點、巷道內(nèi)的視覺環(huán)境特點、巷道內(nèi)的電磁環(huán)境特點三個方面。根據(jù)煤礦整體結(jié)構(gòu)特點,本文將煤礦救災(zāi)機器人的整個救援流程劃分為五個階段進行分析,總結(jié)出不同階段井下導(dǎo)航所面臨的環(huán)境限制并提出相應(yīng)的對策。根據(jù)零照度、粉塵和潮濕等井下視覺環(huán)境特點,分析其對視覺傳感的影響。根據(jù)煤礦井下巷道結(jié)構(gòu)以及存在各種設(shè)備造成的特殊電磁環(huán)境,分析巷道內(nèi)電磁干擾和無線通訊特點對機器人的影響。其次,針對煤礦救災(zāi)機器人回傳視頻受到井下視覺環(huán)境因素影響而產(chǎn)生圖像劣化的問題,提出采用圖像增強的方式提高機器人的可視能力。主要包括:采用灰度直方圖拉伸及均衡算法解決零照度問題;暗通道去霧算法解決粉塵、煙霧干擾問題;采用圖像穩(wěn)像算法解決機器人行走中的顛簸造成的圖像抖動問題;采用熱成像儀偵測生命體及發(fā)熱設(shè)備;采用深度相機偵測井下的地形結(jié)構(gòu)。再次,針對機器人行走在煤礦井下大區(qū)域空間內(nèi)的位置可視化問題,采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)整個煤礦礦井的三維可視化顯示,并在其中標(biāo)識出機器人的實時行走位置和空間行走軌跡。除了煤礦的整體三維模型,本文還采用模塊化堆砌技術(shù)實現(xiàn)了煤礦井下災(zāi)害區(qū)域巷道模型的快速搭建,結(jié)合預(yù)埋RFID標(biāo)簽和反光標(biāo)志牌識別等方法解決井下大地理區(qū)域的定位問題。利用改進的A*算法在虛擬三維空間中實現(xiàn)路徑導(dǎo)航,結(jié)合機器人的視頻遙控導(dǎo)航,實現(xiàn)了機器人的三維可視導(dǎo)航。再次,實現(xiàn)了虛實結(jié)合的可視導(dǎo)航試驗平臺,解決了試驗樣機因為由于安全和法規(guī)限制無法下井開展大量試驗工作的問題。整個平臺分為三個主要部分:可視導(dǎo)航算法的移動試驗平臺、虛擬可視導(dǎo)航試驗系統(tǒng)、光學(xué)動作位置捕捉系統(tǒng)平臺,平臺將物理機器人及傳感器、虛擬機器人及傳感器相結(jié)合并進行了聯(lián)調(diào)。最后,為了驗證可視導(dǎo)航研究中的虛擬實驗平臺以及視頻增強算法的可行性和有效性,本文進行了三項綜合實驗,分別是井下視覺環(huán)境虛擬實驗、應(yīng)用示范中的可視化導(dǎo)航實驗和巷道內(nèi)虛擬現(xiàn)實輔助可視導(dǎo)航試驗。綜上所述,本文通過對煤礦救災(zāi)機器人井下可視導(dǎo)航關(guān)鍵性技術(shù)的研究,提供給煤礦救災(zāi)機器人井下導(dǎo)航一些新的思路。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

背景煤炭資源十分豐富，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國。在我國的能源炭占我國一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中的 70％左右[1]，預(yù)計到 2050 年還將。煤炭的大量開采帶來了煤礦事故的大量產(chǎn)生，國家在煤礦安全方面做作，死亡人數(shù)也不斷的降低，如圖 1-1，從 2004 年全國死亡 6027 人，至 375 人，百萬噸死亡率也從 3.08 降到了 0.106，但與世界發(fā)達國家相比，差距，如美國和澳大利亞，美國的百萬噸死亡率長期控制在 0.1 以下，近03 左右，而澳大利亞的百萬噸死亡率僅為 0.014，這個差距與發(fā)達國家的械化程度高、只開采安全系數(shù)較高的礦藏的政策有關(guān)[2]。我國近年也對煤程度和開采政策做了相應(yīng)的調(diào)整，關(guān)停小煤窯，大量機械化、自動化設(shè)備 2017 年全國煤礦依然發(fā)生事故 219 起。由于生產(chǎn)體量巨大，在煤礦行業(yè)歐美發(fā)達國家，巨大的安全投入和機械化投入的條件下，在如此龐大的產(chǎn)事故數(shù)百起，死亡數(shù)百人也是不可避免的。因此，事故后如何提高危險環(huán)的安全性成為了一個亟待解決的難題。

博士學(xué)位論文重缺氧，救護隊員啟封密閉后，未等有害氣體排，缺氧氣體較長時間存在于巷道之中，其氣體流在距巷道口 580 米附近未佩用氧氣呼吸器，迎面 3 人窒息死亡，1 人受傷[3]。然而這只是由于缺更加的致命，瓦斯中含有大量的一氧化碳?xì)怏w，瓦斯氣體，會造成頭痛、頭暈、視物模糊、耳鳴，甚至短暫昏厥[4]。除了有毒有害氣體，井下爆隊員造成永久性傷害。由此，災(zāi)后井下救護隊員、制冷裝備才能維持生存，如圖 1-2 所示救護隊正壓式氧氣呼吸器訓(xùn)練。然而即便有了這些裝備列的危險。

災(zāi)機器人研究現(xiàn)狀救災(zāi)機器人在礦難救援中應(yīng)用的案例包括2006年美國西礦難的軍用機器人和西澳水務(wù)機器人、俄羅斯北極城市沃者機器人。礦山安全衛(wèi)生管理局 V2 機器人早并且也是唯一在美國投入使用的煤礦救災(zāi)機器人是美，它是美國礦山安全衛(wèi)生管理局（MSHA）委托礦業(yè)技術(shù)c）開發(fā)和制造的安德魯斯金剛狼機器人（ANDROS W 265,000 美元的價格收購了這臺專門設(shè)計的機器人。V0 磅。它采用防爆電機驅(qū)動，驅(qū)動方式類似于軍用坦克的攝像機、照明、大氣探測器、夜視能力、雙向語音通信和遠(yuǎn)程操作，具備探索高達 5000 英尺距離的能力，通過光信息。操作員可以查看包括視頻在內(nèi)的實時信息，可燃和

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本文編號：2819431