数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统研究
张旭辉1
吕欣媛2
王甜2
黄本鑫2
郑西利2
1.西安科技大学机械工程学院,陕西西安 710054;陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室,陕西西安 7100542.西安科技大学机械工程学院,陕西西安 710054
摘要：针对掘进设备远程控制中存在的设备决策能力低,掘进效率不高,安全隐患大等问题,提出了一种数字孪生驱动的掘进机器人决策控制方法.通过分析对比当前数字孪生技术在煤矿领域的研究情况,设计了数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统体系框架,包含物理空间、虚拟空间、孪生数据、规划层、控制层、执行层6个模块,以实现虚拟样机自主规划决策,远程控制物理样机同步运动的目的.首先,结合虚拟现实技术研究了非结构化环境下的局部避障策略,建立掘进机器人运动控制模型与传感观测模型,利用激光雷达将巷道中的障碍物在虚拟环境中进行重建,采用Ray-Col方法进行机器人与障碍物之间的碰撞检测,为机器人的路径规划决策奠定基础;其次,结合深度强化学习技术研究了基于虚拟智能体的全局路径规划方法,提出了基于改进PPO算法的Muti-PPO算法,通过奖惩机制建立掘进机器人虚拟智能体,并在Unity3D平台中进行训练,训练结果表明Muti-PPO算法相比于PPO算法、SAC算法,平均奖励值分别提升了 13.82％与11.31％;标准差分别下降了 17.85％与16.81％;最高奖励值分别提升0.14％与0.43％,其性能在3种算法中达到最优;最后,搭建决策控制平台,将虚拟空间中产生的决策指令发送至物理样机的末端执行器,通过物理样机传感器数据驱动虚拟样机同步变化.根据系统的规划决策、双向映射与远程控制功能,设计路径规划试验与虚实同动试验对其进行验证.路径规划试验结果表明,在3种不同复杂程度的工况下,虚拟智能体路径规划结果与目标点的误差在1.2 cm以内,且能够将控制信息传输至物理空间中,远程控制机器人运动;虚实同动试验结果表明,在掘进机器人运行过程中,虚拟样机与物理样机保持同步运动,两者在巷道中的位姿均保持一致.该方法实现了"数据驱动、双向映射、碰撞检测、自主决策、人机协作"的无人化决策控制新模式,为掘进设备的智能化提供了新的思路.
关键词：数字孪生掘进设备决策控制虚拟智能体人机交互
分类号：TD421(矿山机械)
资助基金：国家自然科学基金(52104166)陕西煤业化工集团有限责任公司联合基金资助项目(2021JLM-03)陕西省教育厅基金资助项目(21JK0759)
论文发表日期：2022-07-25
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：14( 36-49 )
英文信息