Vei.31 Nc. 1
Jxu 2021
第31卷第1期2021年01月黑龙江科技大学学报
JonmX of 日5101；］1110 University of Science & Technolopa
栅格法与Dphstro 算法的掘进机截割轨迹规划
刘若涵刘永立5
(/黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨10022 ； 2.黑龙江科技大学招生就业处，哈尔滨154025；
3.黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨154025)
摘 要：为优化掘进巷道过程中夹石层等复杂断面的截割路径，提高截割效率、降低能耗，构
建了不同断面形状的数学条件和边界的约束条件，利用局部灰度波动的自适应阈值分割算法二值
化巷道断面图像，识别煤和岩在巷道断面中的位置，通过栅格法建立巷道断面模型，采用Dphstra 算法优化巷道断面截割过程轨迹，运用MatlaP 软件仿真巷道断面的截割路径。结果表明:Dphstra
算法与栅格法的轨迹规划可以有效识别煤和岩的位置，规划的截割轨迹可以使掘进机平稳截割，为 提高掘进巷道效率提供了借鉴。
关键词：掘进机；轨迹规划；Dphstra 法；栅格法；截割模式
doi ： 10. 8799/j. isst. 0095 -7262. 922).9).91)
中图分类号:TD42/5
文章编号：2095- 7262 (2021) 01 - 0066-00 文献标志码:A
Cutting trajectory planning of can t ilever roadheader
bad on grid method and Dijkstra aleorithm
Lin 'Ruohan ,2 , Lin Yongll
(1. Schoci of SXety Enyiueeany , HePodhiany University of Science & Techuoloap, Harbit 154022, Chita ； 5• Admission & Employment Office , Heilodhhpy University of Science & Techuolopp , Harbit 154022 , Chita ；
3• Schoci of Mininp Enyineerinp , 日05000匚8110 University of Science & Techuoloop , Harbit 154022 , China)
Abstract ：T his papar eVs to optimizv tha chttinp path of complev cross-ction such as stony layvr ,
improve tha chttinp efCciency , ant rePuce tha vtspy censumpOon. This is achieve) bp constmctinp tha mathematicX conditions of diCerent cross-ction shapvs ant bonntxp constraints ; binarizinp roaPwap
cross-ction imapv usinp tha aPaptive thresholU ymevtation alporithm of locei pmy fluctuation of text
imapv with uneven illumination ; ikentifyinp tha position of ceai ant roch in roaPwap cmss-ction ; estaP- lishina tha roaPwap cross-ction moPel bp gPP methoP and optimizinp tha process of roaPwap cross-e-
Oon chttinp usinp Dphstra alporithm ； ant simulatinp tha chttinp path of roaPwap ction bp MatlaP so U-
wxv. Tha results show that tha trajstom planninp of Dphstra alporithm ant gPP method cen evaPiv el-
fectiveip ikenOfyinp tha position of coai ant roch , ant tha plant e V chttinp trpectop cen allow tha roaP- heaPvr to bv cet smoothly , which provikvs a reference for improvinp tha eficiscy of drivinp roaPwap
Key words : tunnelinp machitv ； trxectop planninp ； Dphstra methoP ; gPP methoP ; chttinp moPel
收稿日期：2222 -10-1
基金项目：国家自然科学基金项目(51674111)；黑龙江省省属高校基本科研业务费项目(2222 -KYYWF-0694)
第一作者简介：刘若涵(1937 -)，女，山东省莱阳人，讲师，博士研究生，研究方向：矿山电力传动与控制,E-mail ：******************
第1期
刘若涵，等：栅格法与Dijestro 算法的掘进机截割轨迹规划
21
0引言
井下煤层 石 化 硬 物，在
中形成分层面，使煤层的 性 同。
采取同样的截割速度可 导致截割电机负载过大造成电机 截割机构的损 生。
，研究掘进机的截割轨迹 巷道高 进重要意义。童敏 ⑴利 Mahab
截割头截割运动与轨迹
, 进机器人倾斜
时的状态难点，推导 截割头的 位置。李建 2建 式掘进机器人 截割数学模型，推导 的工作 行程与外包络面的
位置坐标的 。杨文娟等[]
式掘进机器人巷道成
截割控制 ，解决基 馈的井 进机器人巷道成 截割控制问题。张付凯等⑷建 截割 动的动力
学模型，采用自 学习控制方法对截割臂的摆动进行控制，运用MatlaP 进行 。王
[]运 Mclab? PD 型 学习控制算法完成目标轨迹的精
进行 ，证 PD
型迭代学习控制算法对截割头运行轨迹精 的性。 ['2 ]研究了截割轨迹 及边界
控制方法，可使截割头从任意起点 岩石所在位置
截割完整断面。笔 巷道断面图像，通过二值化巷道断面，采 像栅格化处理与Dijestro 算法的 巷道断面成型的截割轨迹。
1掘进巷道断面条件与环境
进机截割断面工作原理
1所示。
进截割巷道断面时，通过截割臂的 动与左
右摆动进行截割巷道断面。
图1悬臂式掘进机掘进巷道示意Fig. 1 Cantilever raadhesder driving tunnel
J 5
w 1
巷道断面 多种多样的形式，如多边形、拱、圆形类，其中多边形中 半梯形、梯形、、 打
，如图2所示。 式掘进机来成形
巷道断面，通过控制悬臂的上下水平及复合摆动实 巷道断面成形。
14断面形状的数学描述
巷道的断面煤岩 多样性的,
均
的全岩 煤形式，有混
的煤岩分层以爱为画
包 式，如图2所示。 半煤岩巷的煤层占1/5〜4/5，如何截割
的煤岩断面，为保
证高效、低比能耗，需要合理 截割头的轨迹与控
湿的英语
制。文中
2c 矩形断面，其煤岩混
式为例，取巷道断面图像研究截割轨迹的
方法。
B 2
TT 1
a 半梯形（岩）
b 梯形（煤）
c 矩形（煤+岩）
一场-
%
d 屋脊形（煤+包裹体）
图2断面几何形状与煤岩分布
Fig. 2 Section gesmetra and cooi
distriCuhon
62黑龙江科技大学学报第31卷
2断面的几状与煤岩可知，半梯
形、梯形、、的断面几状，可统
一的数学物理量进行断面形状特征。
2a可知，半梯形断面的形状条件为:
H）二出+日,
H0=H1-B0tao02,
B3>B2,>
01=02或01H,
02〉0。
由图2b可知，梯形断面的形状条件为:
H0=0,、
H=H0=H,
B1>B2，>
那时他们正年轻0］二02〉0,
02=0。
由图2c可知，矩形断面的形状条件为:
H0=0,
H二H,
B1-B2，
03二02二02二0。
由图2d可知，屋脊形断面的形状条件为:
H〉，
H二H+H,
B1>B2，
02=0,(2)
(3)
(4)
04二02〉0。孙中山
式（J〜（4）可知，通过控制断面形状的几何，可的巷道断面，同时进机截割断面形状的控制及截割路径的边界约束。
14巷道断面二值化
2c矩形巷道断面为例，分析巷道断面的二值化，其巷道断面点几5，其中，巷道长为L、宽为B、高为H o
3可见，断面①点的坐标为（-B/2,H）,②点的坐标为（B/2,H），③点的坐标为（B/2,0），④点的坐标为（-B/j,），巷道断面内任一点（6,）,z）的取值满足为巷道煤岩图像，岩石石层的位置。巷道断面二值化的值，在值的基，将每个像素点的值与阈值比较，根据比较的结果将该像煤和岩两部分，设原像f（Q，二值化分割图像的方法
（、卩，j f%,J）M77,
g（%,，丿=
i4,0■4,J）<T,
式中P4,J）—一图像中坐标（6,J）处的像素值；
gd,）——二值化处理后的图像中坐标（％,、
）的像值；
T----二值化阈值。
图3矩形巷道断面
Fig.3Rectangular roadway ction
进机工作环境的性，采集的图像受巷道粉，在实际巷道断面图像时，易造成所采集的光照不均匀的，清晰度较差，像煤岩的属性。巷道部截面4所示,4的巷道图像属性，该图像是由245x161个像成的。
图4巷道断面图像
Fig.4Image of roodway
0WzW H,
0WyW L。
通过截割过程中采集的巷道断面图像，预处理
4巷道断面图像直方，结果5所示。5可见，巷道断面图像的灰度直方图中波波谷呈交叉，
巷道断面图像部
第1期刘若涵，等：栅格法与Dphstra算法的掘进机截割轨迹规划63
值的差异存在不明显，需进一步分析其值戊U分煤和岩的。
1000r
050100150200
灰度值
图5巷道灰度直方图
Fig.5Gray scule histooram of raadway
巷道煤岩图像曲线波动情况，绘制了巷道的三维特征6所示。6可知，图像特征图呈三维地煤层与岩层颜，表现在图像值的。巷道断面中的煤岩光线的，不同的率表征煤或岩石，因此，其值的。图4中岩层位置6中的波峰点，图4中煤层位置对应6中的波谷点。
图6巷道的三维灰度波动
Fig.63D grayscule eucthation diagram of raadway
选择巷道断面％方向第n亍，其像i个，以该兀方向坐标，灰度值为坐标，绘制煤岩巷道断面波动曲线，其中兀= 1,2,…,l。将煤岩巷道断面灰度波动曲线波峰点和波谷的值存二维H中，其中，矩阵的第亍存煤岩巷道断面波动曲波点值，的第二亍存煤岩巷道断面波动曲波
点值。
。1，如，…a,,•••,
长脸型适合什么样的发型女X…，勺,…，b g
⑸式中：色—
—第i个波峰点的灰度值;
m---波峰的总数；
b——第，个波峰点的灰度值；
g——波谷的总数。
波峰点值的平均值为
m
九=亠,O)
最浪漫的话m
式中，九—
—
波峰点值总和。
波谷点值的平均值为
m
Z b
B a=凭-，⑺式中,〃v波谷点值总和。
巷道断面兀方向的值可表示为
T1=a(-B y)+B y,
(0)式中,a-------边界完整度。
电台播音员
理，可计算巷道断面z方向阈值笃。
巷道断面％与Z方向的值，得巷道断面最终阈值
尸二gx(T1+T26[0,1],
(5)式中,g—一清晰度。
采波动的局部阈值分割方法对巷道煤岩的图像进行处理，确定巷道断面的阈值⑻，获煤岩截面第57行前75像素点化7所。7可知，当像素个数/取75时，其对巷道断面的分割效果。
图7第57行前75像素点灰度变化
Fig.7Grayscule cUange of erst75pixeis in
egne57
根据式(5)〜(9)可得，巷道断面图像二值化处理0所示。根据图0的，利用Mat-un-光照不均匀的文本图像的局部灰度波动的自值分割算法，对巷道截割面进行二值化处理，终二值化的像如图5
。
24黑龙江科技大学学报第31卷
图8灰度波动曲线阈值分割流程
Fig.8Gayscole Ouctuahon curve thresUolO
gmenUhon Oow
图9二值化处理的巷道图像
Fig.9Binarp processing of tunnel image
14掘进巷道断面栅格化
在掘进机截割轨迹中，利格地图构建环境模型，巷道煤岩分解成
二值的网格 ，将含煤栅格范围自由栅格，含岩石的栅格格^3]。程序中用0和
煤和岩两种状态。用0标注的自格，该可自，用1标注的为格，该法通过。
进机的截割状 ，截割出的面
的形状，现取的面为研究建立
格地。建格地，进机截割半径R的大格地格的，网格大小RxR o巷道高H,B，则巷道平面内格
k]=H乂甞。(3)
在栅格地图中，黑岩石或石层位置，白色表示煤层位置。实际巷道断面上岩石的，采用膨胀方法其覆盖栅格，岩石所在的轨迹点点，岩石覆盖个栅格膨胀成一个栅格，如图3中黑色部膨化后的岩石。二值膨学表达式为
O=U®I=[{x,)\[xy^U]心]o
(11)
膨胀后的图像O由结构元素〃对原像/进行膨。文中原像是指的物岩石，像是指一个栅格。10a 中岩石所在位置，膨14b所示。
B/m
a膨胀前
B/m
b膨胀后
图10膨胀化
Fig.H
怎样学习好
Expansion
