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(jué)環(huán)境黑暗潮濕、地下環(huán)境極大限制了無(wú)線通訊,這些環(huán)境因素對(duì)機(jī)器人的行走和導(dǎo)航造成了極大的困難。經(jīng)過(guò)多年的努力,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在煤礦救災(zāi)機(jī)器人的防爆設(shè)計(jì)、行走機(jī)構(gòu)的研究上獲得了大量的成果,并通過(guò)重大項(xiàng)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(jī)器人的井下遙控行走問(wèn)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(jī)器人的導(dǎo)航能力為目標(biāo)展開研究工作。首先,對(duì)煤礦井下的環(huán)境結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(diǎn)、巷道內(nèi)的視覺(jué)環(huán)境特點(diǎn)、巷道內(nèi)的電磁環(huán)境特點(diǎn)三個(gè)方面。根據(jù)煤礦整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文將煤礦救災(zāi)機(jī)器人的整個(gè)救援流程劃分為五個(gè)階段進(jìn)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(duì)策。根據(jù)零照度、粉塵和潮濕等井下視覺(jué)環(huán)境特點(diǎn),分析其對(duì)視覺(jué)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(wú)線通訊特點(diǎn)對(duì)機(jī)器人的影響。其次,針對(duì)煤礦救災(zāi)機(jī)器人回傳視頻受到井下視覺(jué)環(huán)境因素影響而產(chǎn)生圖像劣化的問(wèn)題,提出采用圖像增強(qiáng)的方式提高機(jī)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(wèn)題;暗通道去霧算法解決粉塵、煙霧干擾問(wèn)題;采用圖像穩(wěn)像算法解決機(jī)器人行走中的顛簸造成的圖像抖動(dòng)問(wèn)題;采用熱成像儀偵測(cè)生命體及發(fā)熱設(shè)備;采用深度相機(jī)偵測(cè)井下的地形結(jié)構(gòu)。再次,針對(duì)機(jī)器人行走在煤礦井下大區(qū)域空間內(nèi)的位置可視化問(wèn)題,采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)煤礦礦井的三維可視化顯示,并在其中標(biāo)識(shí)出機(jī)器人的實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)別等方法解決井下大地理區(qū)域的定位問(wèn)題。利用改進(jìn)的A*算法在虛擬三維空間中實(shí)現(xiàn)路徑導(dǎo)航,結(jié)合機(jī)器人的視頻遙控導(dǎo)航,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的三維可視導(dǎo)航。再次,實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合的可視導(dǎo)航試驗(yàn)平臺(tái),解決了試驗(yàn)樣機(jī)因?yàn)橛捎诎踩头ㄒ?guī)限制無(wú)法下井開展大量試驗(yàn)工作的問(wèn)題。整個(gè)平臺(tái)分為三個(gè)主要部分:可視導(dǎo)航算法的移動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)、虛擬可視導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)、光學(xué)動(dòng)作位置捕捉系統(tǒng)平臺(tái),平臺(tái)將物理機(jī)器人及傳感器、虛擬機(jī)器人及傳感器相結(jié)合并進(jìn)行了聯(lián)調(diào)。最后,為了驗(yàn)證可視導(dǎo)航研究中的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及視頻增強(qiáng)算法的可行性和有效性,本文進(jìn)行了三項(xiàng)綜合實(shí)驗(yàn),分別是井下視覺(jué)環(huán)境虛擬實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用示范中的可視化導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)和巷道內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)輔助可視導(dǎo)航試驗(yàn)。綜上所述,本文通過(guò)對(duì)煤礦救災(zāi)機(jī)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(jī)器人井下導(dǎo)航一些新的思路。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)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(guó)和消費(fèi)國(guó)。在我國(guó)的能源炭占我國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的 70％左右[1]，預(yù)計(jì)到 2050 年還將。煤炭的大量開采帶來(lái)了煤礦事故的大量產(chǎn)生，國(guó)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(guó)死亡 6027 人，至 375 人，百萬(wàn)噸死亡率也從 3.08 降到了 0.106，但與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，差距，如美國(guó)和澳大利亞，美國(guó)的百萬(wàn)噸死亡率長(zhǎng)期控制在 0.1 以下，近03 左右，而澳大利亞的百萬(wàn)噸死亡率僅為 0.014，這個(gè)差距與發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)近年也對(duì)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(jī)械化、自動(dòng)化設(shè)備 2017 年全國(guó)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(dá)國(guó)家，巨大的安全投入和機(jī)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(xiǎn)環(huán)的安全性成為了一個(gè)亟待解決的難題。

博士學(xué)位論文重缺氧，救護(hù)隊(duì)員啟封密閉后，未等有害氣體排，缺氧氣體較長(zhǎng)時(shí)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(huì)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(duì)員造成永久性傷害。由此，災(zāi)后井下救護(hù)隊(duì)員、制冷裝備才能維持生存，如圖 1-2 所示救護(hù)隊(duì)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(xiǎn)。

災(zāi)機(jī)器人研究現(xiàn)狀救災(zāi)機(jī)器人在礦難救援中應(yīng)用的案例包括2006年美國(guó)西礦難的軍用機(jī)器人和西澳水務(wù)機(jī)器人、俄羅斯北極城市沃者機(jī)器人。礦山安全衛(wèi)生管理局 V2 機(jī)器人早并且也是唯一在美國(guó)投入使用的煤礦救災(zāi)機(jī)器人是美，它是美國(guó)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(jī)器人（ANDROS W 265,000 美元的價(jià)格收購(gòu)了這臺(tái)專門設(shè)計(jì)的機(jī)器人。V0 磅。它采用防爆電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式類似于軍用坦克的攝像機(jī)、照明、大氣探測(cè)器、夜視能力、雙向語(yǔ)音通信和遠(yuǎn)程操作，具備探索高達(dá) 5000 英尺距離的能力，通過(guò)光信息。操作員可以查看包括視頻在內(nèi)的實(shí)時(shí)信息，可燃和

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