本發(fā)明涉及地質(zhì)探測與實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，尤其是涉及一種煤礦機(jī)器人地質(zhì)場景感知建模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、我國煤炭資源豐富，但煤礦地質(zhì)條件差，開采設(shè)備智能化水平低，導(dǎo)致開采效率降低。煤礦機(jī)器人綜采面環(huán)境復(fù)雜惡劣，傳統(tǒng)的采前探測與建模效率低，精度差，無法實(shí)時動態(tài)修正地質(zhì)模型，煤礦機(jī)器人缺乏自主感知與實(shí)時能力，施工過程中的小斷層，破碎帶等不良地質(zhì)構(gòu)造增大了掘進(jìn)技術(shù)難度，影響了掘進(jìn)速度與安全性。因此，開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時的地質(zhì)場景感知建模的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法是非常必要的。

2、無人化智能精準(zhǔn)開采是煤礦智能化建設(shè)的核心，煤礦機(jī)器人的精確開采就需要其具備自主環(huán)境感知及實(shí)時調(diào)整能力。由于井下環(huán)境惡劣，尤其是光線不足，粉塵多，濕度大等原因?qū)鞲衅髟斐刹煌挠绊?，使得對于綜采面地質(zhì)場景一體化建模存在一定缺陷。目前地質(zhì)建模與場景建模是采用不同技術(shù)開展的，且地質(zhì)與場景建模均是采用人工預(yù)先建模，存在建模效率低，模型耦合復(fù)雜度高，模型精度低，更新難度大等問題；目前探地雷達(dá)地質(zhì)建模主要集中在對于煤巖介質(zhì)中的傳播特性研究，對于采煤面復(fù)雜地質(zhì)中感知信號的傳播機(jī)制尚不清晰，缺乏對機(jī)器人作業(yè)過程中電磁波在氣-煤-巖跨介質(zhì)回波信號傳播特性研究，對于復(fù)雜環(huán)境下多傳感器融合感知和信息聯(lián)合解譯機(jī)制尚不明確。

3、因此，有必要提供一種煤礦機(jī)器人地質(zhì)場景感知建模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，來解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種煤礦機(jī)器人地質(zhì)場景感知建模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，用于模擬煤礦機(jī)器人作業(yè)過程及其工作環(huán)境，方便開展煤礦機(jī)器人作業(yè)過程多源融合感知建模的實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，收集復(fù)雜環(huán)境場景信息，研究多傳感器在復(fù)雜環(huán)境中感知特性及多源信息聯(lián)合解譯與感知增強(qiáng)方法，對進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)時的地質(zhì)場景一體化探測與建模進(jìn)行探索，利用計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行地質(zhì)與場景的實(shí)時建模。方便開展探地雷達(dá)煤巖界面識別實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，研究電磁波跨介質(zhì)傳播特性，構(gòu)造典型煤巖數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)探測的全波形反演和異常體識別。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種煤礦機(jī)器人地質(zhì)場景感知建模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括木板-鐵皮-保溫層組成的封閉箱體，設(shè)置在封閉箱體左側(cè)的場景特征模擬裝置，設(shè)置在封閉箱體內(nèi)部的真值測量裝置，還包括設(shè)置在封閉箱體內(nèi)部的煤礦機(jī)器人工作環(huán)境模擬模塊，設(shè)置在封閉箱體內(nèi)部的煤層地質(zhì)模擬模塊，設(shè)置在煤層地質(zhì)模擬模塊前方的軌道式移動平臺，搭載在軌道式移動平臺上的多源感知模塊；多源感知模塊、真值測量裝置和煤礦機(jī)器人工作環(huán)境模擬模塊均與實(shí)驗(yàn)分析模塊連接，通過真值測量裝置獲取三維場景信息和軌道式移動平臺及傳感器的位姿信息，通過軌道式移動平臺改變多源感知模塊與煤層地質(zhì)模擬模塊間的距離進(jìn)而改變多源感知模塊感知信息。

3、優(yōu)選的，場景特征模擬裝置的材質(zhì)設(shè)置為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整位置和姿態(tài)以模擬不同場景；真值測量裝置包括激光跟蹤儀與激光掃描儀，使用激光掃描儀獲取場景信息，使用激光跟蹤儀與靶標(biāo)獲取軌道式移動平臺及傳感器的位姿信息；煤層地質(zhì)模擬模塊包括不同形狀煤塊和巖石塊，煤塊和巖石塊均由完整煤塊和巖石塊根據(jù)要求切割而成，通過不同形狀煤塊與巖石塊堆疊快速重新組合成不同的模擬地質(zhì)條件。

4、優(yōu)選的，煤礦機(jī)器人工作環(huán)境模擬模塊包括粉塵發(fā)生器、水汽發(fā)生器、照明裝置、除濕除塵設(shè)備、粉塵濃度檢測傳感器、照度檢測傳感器、空氣濕度檢測傳感器；粉塵發(fā)生器設(shè)置在煤粉箱的底部，照明裝置包括可控照明燈，除濕除塵設(shè)備包括進(jìn)氣扇和排氣扇。

5、優(yōu)選的，多源感知模塊由搭載在軌道式移動平臺上的各類傳感器根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容聯(lián)合部署組成，傳感器包括探地雷達(dá)、激光雷達(dá)、調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)、可見光相機(jī)、紅外相機(jī)和慣性導(dǎo)航單元。

6、優(yōu)選的，軌道式移動平臺下方設(shè)置有導(dǎo)軌輪與驅(qū)動電機(jī)，軌道式移動平臺包括橫向?qū)к壓涂v向?qū)к?，橫向?qū)к壝媾c縱向?qū)к壍谋砻婢鶠榉枪饣?，橫向?qū)к壴O(shè)置在封閉箱體的底部，縱向?qū)к壪路介_設(shè)有導(dǎo)軌槽，導(dǎo)軌槽與橫向?qū)к壗佑|，導(dǎo)軌輪與縱向?qū)к壗佑|，驅(qū)動電機(jī)與導(dǎo)軌輪連接，驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動導(dǎo)軌輪運(yùn)動，縱向?qū)к壸髠?cè)安裝有電動推桿，電動推桿與縱向?qū)к夁B接，通過電動推桿推動縱向?qū)к壸鰴M向運(yùn)動。

7、優(yōu)選的，實(shí)驗(yàn)分析模塊包括計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備及研究內(nèi)容，構(gòu)建數(shù)字孿生仿真引擎軟件開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)器人作業(yè)過程感知建模、數(shù)字孿生監(jiān)控效果的可視化。

8、一種煤礦機(jī)器人地質(zhì)場景感知建模實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)驗(yàn)方法，具體包括以下步驟：

9、s1：通過煤礦機(jī)器人工作環(huán)境模擬模塊和軌道式移動平臺，改變箱體環(huán)境中的粉塵濃度、照度和空氣濕度并模擬煤礦機(jī)器人作業(yè)過程；

10、s2：通過煤礦機(jī)器人多源感知模塊獲取復(fù)雜環(huán)境中場景的信息和煤層地質(zhì)模擬模塊信息，構(gòu)建地質(zhì)與場景聯(lián)合數(shù)據(jù)集；

11、s3：利用步驟s2中獲取的場景數(shù)據(jù)，進(jìn)行場景觀測多模異質(zhì)傳感器的噪聲建模與數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法研究；

12、s4：利用步驟s2中獲取的地質(zhì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建雷達(dá)回波正反演數(shù)據(jù)集，研究跨介質(zhì)過程探地雷達(dá)回波信號傳播特性及異常體識別方法；

13、s5：通過實(shí)驗(yàn)分析模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，研究地質(zhì)與場景多尺度特征數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及多源信息聯(lián)合解譯與感知增強(qiáng)方法，完成多源信息融合感知；

14、s6：利用地質(zhì)與場景多源融合感知信息，構(gòu)建地質(zhì)與場景一體化三維模型，同時利用地質(zhì)模型與場景模型的分界區(qū)域特征進(jìn)行一體化三維模型的修正；

15、s7：利用真值測量裝置獲得場景三維模型的真值、煤礦機(jī)器人位姿，與步驟s5和步驟s6中獲得的多源信息融合感知和三維模型結(jié)果進(jìn)行對比，評價(jià)煤礦機(jī)器人地質(zhì)場景感知建模方法的實(shí)驗(yàn)效果。

16、優(yōu)選的，步驟s1中，煤礦機(jī)器人工作環(huán)境模擬模塊通過中央控制器控制包括粉塵發(fā)生器、水汽發(fā)生器、照明裝置、除濕除塵設(shè)備、粉塵濃度檢測傳感器、照度檢測傳感器和空氣濕度檢測傳感器的停機(jī)與工作，煤礦機(jī)器人工作環(huán)境模擬模塊模塊應(yīng)用情況根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行隨意組合和調(diào)控。

17、優(yōu)選的，步驟s2中，使用探地雷達(dá)和紅外相機(jī)對煤層地質(zhì)模擬模塊進(jìn)行探測并采集相關(guān)數(shù)據(jù)；使用激光雷達(dá)、調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)和可見光相機(jī)塊獲取復(fù)雜環(huán)境中場景的原始信息。

18、優(yōu)選的，步驟s3中，基于對照實(shí)驗(yàn)分析、掌握環(huán)境和工況對傳感器原始信息產(chǎn)生干擾的形式及影響規(guī)律，建立各傳感器的噪聲觀測模型。

19、優(yōu)選的，步驟s4中，利用gprmax仿真軟件根據(jù)構(gòu)建的煤層地質(zhì)物理模型參數(shù)設(shè)計(jì)建立仿真煤層地質(zhì)模擬模塊，對仿真模型進(jìn)行正演模擬。

20、優(yōu)選的，步驟s5中，通過實(shí)驗(yàn)分析模塊對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，探究傳感器多尺度可視化成像方法，構(gòu)建多尺度數(shù)據(jù)表征方法，具體包括以下步驟：

21、s51：通過設(shè)計(jì)時間滑動窗口進(jìn)行時間匹配，提出傳感器數(shù)據(jù)在構(gòu)建的人工合成圖像上的像素級對齊的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法；

22、s52：利用多尺度特征構(gòu)建的人工合成圖像，基于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度量構(gòu)建損失函數(shù)；

23、s53：利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的多任務(wù)學(xué)習(xí)方法對多尺度特征的受損類型與程度進(jìn)行推斷，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)信息的聯(lián)合解譯；

24、s54：進(jìn)行環(huán)境干擾導(dǎo)致特征缺失條件下的人工合成圖像進(jìn)行特征預(yù)測，對受損信息進(jìn)行特征補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件下的傳感器特征信息感知增強(qiáng)。

25、優(yōu)選的，步驟s6中，利用線性插值和點(diǎn)云離散化實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)點(diǎn)云模型的構(gòu)建，具體包括以下步驟：

26、s61：基于多傳感器融合的同時定位與建圖技術(shù)獲取場景模型數(shù)據(jù)，完成場景點(diǎn)云模型構(gòu)建；

27、s62：利用場景點(diǎn)云模型和地質(zhì)點(diǎn)云模型分別擬合空氣-煤巖介質(zhì)表面；

28、s63：基于交界區(qū)域空間連續(xù)性對場景點(diǎn)云模型和地質(zhì)點(diǎn)云模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行交叉驗(yàn)證；

29、s64：利用高精度的場景點(diǎn)云模型的高程模型修正地質(zhì)點(diǎn)云模型實(shí)現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化；

30、s65：利用優(yōu)化后的場景點(diǎn)云模型獲得煤巖分界面識別結(jié)果；

31、s66：對地質(zhì)點(diǎn)云模型進(jìn)行介質(zhì)物性驗(yàn)證與更新，實(shí)現(xiàn)多源信息聯(lián)合反演的地質(zhì)模型動態(tài)修正；

32、s67：通過構(gòu)建新型四通道點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)格式，在空間三維坐標(biāo)與強(qiáng)度信息的基礎(chǔ)上，將強(qiáng)度信息重新設(shè)計(jì)為反應(yīng)氣-煤-巖不同介質(zhì)類型的數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)與場景點(diǎn)云模型的一致性存儲與一體化顯示。

33、因此，本發(fā)明采用上述一種煤礦機(jī)器人地質(zhì)場景感知建模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，具備以下有益效果：

34、(1)本發(fā)明煤層地質(zhì)模擬模塊中通過形狀各異的煤塊與巖石塊不同的堆疊方式，可以改變煤層地質(zhì)模擬模塊，創(chuàng)造不同的地質(zhì)構(gòu)造，模擬真實(shí)井下煤層的斷層、陷落柱、空洞等典型構(gòu)造。

35、(2)本發(fā)明通過煤礦機(jī)器人工況模擬系統(tǒng)和搭載傳感器的軌道式移動平臺，能夠改變箱體環(huán)境中的粉塵濃度、照度、空氣濕度和模擬煤礦機(jī)器人作業(yè)過程。

36、(3)本發(fā)明實(shí)驗(yàn)分析模塊構(gòu)建的數(shù)字孿生仿真引擎軟件開發(fā)平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)對煤礦機(jī)器人作業(yè)過程感知建模、數(shù)字孿生監(jiān)控效果的可視化。

37、(4)本發(fā)明的煤礦機(jī)器人地質(zhì)場景感知建模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法不僅適用于煤礦機(jī)器人作業(yè)過程的地質(zhì)場景感知建模等科研活動，還可用于采煤機(jī)器人、掛軌式巡檢機(jī)器人、掘進(jìn)機(jī)器人等作業(yè)的地質(zhì)場景感知建?？茖W(xué)研究。

38、下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。