论文中文题名: | 基于柔性轨道状态视觉识别的巡检机器人控制方法研究 |
姓名: | |
学号: | 19205016021 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 080202 |
学科名称: | 工学 - 机械工程 - 机械电子工程 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工学硕士 |
学位年度: | 2022 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 智能检测与控制 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2022-06-28 |
论文答辩日期: | 2022-06-02 |
论文外文题名: | Research on the control method of inspection robot based on visual recognition of flexible track state |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Fully mechanized coal mining face ; Inspection robot control system ; Image enhancement ; Segmented flexible track edge detection ; Motion control ; Software and hardware design |
论文中文摘要: |
“碳达峰、碳中和”背景下,煤炭作为传统化石能源消耗的主体,我国能源安全的压舱石,煤矿智能化建设是大势所趋。目前煤矿综采工作面采用人工巡检,或者借助视频完成巡检,均无法满足综采工作面智能巡检需求。本文以课题组前期设计的煤矿综采工作面柔性轨道式巡检机器人为基础,提出一种基于柔性轨道状态识别的综采工作面巡检机器人控制系统设计方案,借助机器视觉、机器人控制、图像处理以及传感器信息处理等技术,实现综采工作面正常巡检以及柔性轨道式巡检机器人自主运行,为综采工作面机器人化巡检奠定基础。 针对分段柔性轨道随液压支架推移影响工作面巡检机器人的通过性等问题,提出一种基于视觉的分段柔性轨道状态判别方法。针对工作面采集图像存在光照不均匀、光照过低等问题,提出一种基于光照不均匀校正的图像自适应增强算法对采集图像进行增强处理并对该方法进行主客观评价。将增强后的图像经过畸变校正、滤波、透视变换等方法提取轨道图像的ROI;研究Sobel边缘检测算法以及概率霍夫变换实现柔性连接机构边缘检测,利用K-means算法实现边缘左右侧分类,结合RANSAC算法拟合柔性连接机构边缘,获得柔性连接机构的弯折角度,实现分段柔性轨道的状况判别,并完成柔性连接机构状况分类,为实现巡检机器人自主运行奠定基础。 针对工作面巡检机器人通过不同工况柔性连接机构时的运行速率调节和速度稳定性问题,提出一种模糊PID算法与加减速算法相结合的运动控制方案。通过对工作面巡检机器人进行动力学分析与仿真,掌握巡检机器人在柔性轨道上的运动变化规律,并提出了模糊PID算法与加减速算法结合的巡检运动控制策略,分析对比了不同加减速算法的优缺点,决定选用S型加减速算法。通过对比实验验证了控制算法可行性。 巡检机器人系统设计要满足巡检性能和视觉处理要求,论文研发一种基于树莓派和STM32的巡检机器人控制系统,对机器人控制系统进行硬件选型和软件详细设计,实现了上位机监控系统和下位机控制系统的相关功能,达到了柔性轨道式机器人工作面巡检要求。 最后搭建工作面柔性轨道式巡检机器人实验平台,对控制系统功能及性能进行验证,系统实现了环境监测、设备监测、数据交互与显示、远程控制、图像增强和自适应控制等功能。结果表明控制系统达到了设计要求,研究对综采工作面智能巡检建设具有一定的借鉴作用。 |
论文外文摘要: |
Under the background of "carbon peaking and carbon neutrality", as the main body of traditional fossil energy consumption and the ballast of China's energy security, the intelligent development and utilization of coal is the general trend. Existing inspection methods such as manual inspection and inspection with the help of video are unable to meet the demand for intelligent review of the fully mechanized coal mining face. This paper proposed a control system design scheme for inspection robots based on flexible track state recognition, based on the group's previous design of flexible track inspection robot for fully mechanized coal mining faces. With the help of machine vision, robot control, image processing, and sensor information processing, the system realized routine inspection of the work face and the autonomous operation of the flexible track inspection robot, laying the foundation for the robotization of the inspection in fully mechanized coal mining face. A visual method was proposed to distinguish the state of the segmented flexible track, which affected the passage of the inspection robot at the working face when the segmented flexible track was pushed with the hydraulic support. Because of the characteristics of the acquired images, such as uneven illumination and low illumination, this paper proposed an image adaptive enhancement method based on the correction of uneven illumination to enhance the images and evaluated the way subjectively and objectively. Then, the enhanced image was used to extract the ROI of the track image by distortion correction, filtering, perspective transformation, and other methods. The Sobel edge detection algorithm and Probabilistic Hough Transform were studied to realize the edge detection of the flexible connection mechanism. The K-means algorithm was used to classify the left and right sides of the edge. The RANSAC algorithm was used to fit the edge of the flexible connection mechanism, and the bending angle of the flexible connection mechanism was obtained. The condition recognition of the segmented flexible track was realized, and the condition classification of the flexible connection mechanism was completed, which laid the foundation for the autonomous operation of the inspection robot. A motion control scheme combining fuzzy PID algorithm with acceleration and deceleration algorithm was proposed to solve the problem of speed regulation and speed stability of the inspection robot through flexible tracks under different working conditions. The motion variation law of the inspection robot on the flexible track was mastered through the dynamic analysis and simulation of the fully mechanized mining face inspection robot. And the inspection motion control strategy combining the fuzzy PID algorithm and the acceleration and deceleration algorithm was proposed. The advantages and disadvantages of different acceleration and deceleration algorithms were analyzed and compared, and the S-type acceleration and deceleration algorithm was selected. Comparative experiments verified the feasibility of the control algorithm. The design of the inspection robot system should meet the requirements of inspection performance and visual processing. In this paper, a control system of inspection robot based on Raspberry pi and STM32 was developed. The hardware selection and software design of the robot control system were carried out. The related functions of the upper computer monitoring system and the lower computer control system were realized, and the inspection requirements of the flexible track robot in fully mechanized coal mining face were achieved. Finally, an experimental platform of the flexible track inspection robot for working face was built to verify the function and performance of the control system. The system realizes the functions of environmental detection, equipment monitoring, data interaction and display, remote control, image enhancement, and adaptive control. The results show that the control system meets the design requirements, and the research has a certain reference for the construction of intelligent inspection in fully mechanized coal mining face. |
参考文献: |
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中图分类号: | TP242 |
开放日期: | 2022-06-28 |