Применение робототехники для обследования шахты после обвала

Проанализированы реальные задачи, высокоактуальные для повышения безопасности в отечественной угледобывающей отрасли промышленности с точки зрения поддержки горноспасательных работ средствами интеллектуализированной робототехники. Рассмотрены некоторые вопросы создания программно-аппаратной части мо...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Штучний інтелект
Date:2010
Main Authors: Писаренко, В.Г., Писаренко, Ю.В., Мелкумян, Е.Ю., Коваль, А.С.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України 2010
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/58654
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Применение робототехники для обследования шахты после обвала / В.Г. Писаренко, Ю.В. Писаренко, Е.Ю. Мелкумян, А.С. Коваль // Штучний інтелект. — 2010. — № 4. — С. 528-534. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860266675634438144
author Писаренко, В.Г.
Писаренко, Ю.В.
Мелкумян, Е.Ю.
Коваль, А.С.
author_facet Писаренко, В.Г.
Писаренко, Ю.В.
Мелкумян, Е.Ю.
Коваль, А.С.
citation_txt Применение робототехники для обследования шахты после обвала / В.Г. Писаренко, Ю.В. Писаренко, Е.Ю. Мелкумян, А.С. Коваль // Штучний інтелект. — 2010. — № 4. — С. 528-534. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Штучний інтелект
description Проанализированы реальные задачи, высокоактуальные для повышения безопасности в отечественной угледобывающей отрасли промышленности с точки зрения поддержки горноспасательных работ средствами интеллектуализированной робототехники. Рассмотрены некоторые вопросы создания программно-аппаратной части моделирования и функционирования роботов для обследования завалов и аварийно-опасных участков в шахтах. Проаналізовано реальні задачі, високоактуальні для підвищення безпеки у вітчизняній вуглевидобувній галузі промисловості з погляду підтримки гірничорятувальних робіт засобами інтелектуалізованої робототехніки. Розглянуто деякі питання створення програмно-апаратної частини моделювання і функціонування роботів для обстеження завалів і аварійно-небезпечних ділянок у шахтах. The real high-actual tasks for the increase of safety in domestic of coal industry from point of support of mine-rescue works facilities intellectual robotics were analyzed. Some questions of hard- and software creation of robot’s design and functioning for the inspection of obstructions and emergency-dangerous areas in mines are considered.
first_indexed 2025-12-07T19:01:52Z
format Article
fulltext «Искусственный интеллект» 4’2010 528 6П УДК 004.896 В.Г. Писаренко, Ю.В. Писаренко, Е.Ю. Мелкумян, А.С. Коваль Институт кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины, г. Киев, Украина Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», г. Киев, Украина jvpisarenko@gmail.com Применение робототехники для обследования шахты после обвала Проанализированы реальные задачи, высокоактуальные для повышения безопасности в отечественной угледобывающей отрасли промышленности с точки зрения поддержки горноспасательных работ средствами интеллектуализированной робототехники. Рассмотрены некоторые вопросы создания программно-аппаратной части моделирования и функционирования роботов для обследования завалов и аварийно-опасных участков в шахтах. Введение После известных событий 1991 года угольная отрасль Украины практически не получала ощутимых инвестиций по модернизации используемых технологий конца ХХ века. Специалисты считают, что именно это является одной из главных причин непрерывного роста аварийности на отечественных шахтах. Анализ показывает [1], что для выхода отечественной угольной отрасли из нынешнего критического состояния одной из наиболее актуальных проблем является создание высокотехнологических средств предотвращения аварий, включая создание и применение на шахтах интел- лектуализированных роботов-разведчиков (ИРР) для контроля текущего состояния аварийноопасных участков и для участия в горноспасательных работах после аварий. Создание ИРР актуально для угледобывающей отрасли не только Украины, но и для других стран ближнего и дальнего зарубежья. Постановка задачи. В связи с актуальностью создания ИРР для угледобыва- ющей отрасли авторы на ряде совещаний со специалистами горноспасательного дела (включая ведущих специалистов НИИ горноспасательного дела и пожарной безопасности Минуглепрома Украины) и ведущими инженерами шахты им. А.Ф. Засядько проанализи- ровали реальные задачи, высокоактуальные для повышения безопасности в отечест- венной угледобывающей отрасли промышленности с точки зрения поддержки горно- спасательных работ средствами интеллектуализированной робототехники. Требования к создаваемой робототехнике По результатам совещания были приняты следующие общие требования к созда- ваемой робототехнике (условное название: «Горноспасательный интеллектуализи- рованный робот-разведчик (ГОСИР)»): 1 Основные модули робота-разведчика ГОСИР: 1.1 Шасси, двигатель с пневмоприводом для исключения электрооборудования, несущего риск электроискрения, что может привести ко взрыву в метанопылеугольной атмосфере шахты. Применение робототехники для обследования шахты после обвала «Штучний інтелект» 4’2010 529 6П 1.2 Набор бортовых сенсоров для контроля шахтной атмосферы (метан, угле- кислый газ, угольная пыль, кислород, угарный газ, влажность). 1.3 Комплекс дальномеров для обследования и создания 3D-модели обследуемого шахтного завала. 1.4 Бортовой навигационный комплекс, обеспечивающий роботу возможность двигаться автономно и в соответствии с поставленной программой (маршрутным заданием) при использовании данных 3D-мониторинга (пункт 1.3). 1.5 Бортовой радиотехнический комплекс связи, обеспечивающий радиосвязь с удаленным оператором для консультаций в нестандартных ситуациях. 1.6 Бортовой манипулятор для выполнения в необходимых случаях работ по созданию узких технологических проходов или «отверстий» в завалах пород путем бурения для последующего оказания помощи горнякам, застигнутым обвалом, включая передачу медикаментов, средств связи, продуктов питания, воды, пакетов индивиду- ального или коллективного спасения и др. экстренной помощи. Манипулятор должен обеспечивать также возможность выполнения операций по захвату объектов ограни- ченного веса (пробы пород, компоненты разрушенного оборудования и др.). 2 Функции бортового программно-аппаратного комплекса: 2.1 Контроль шахтной атмосферы. 2.2 Распознавание исходной полученной бортовыми сенсорами мониторинговой информации. 2.3 Принятие целесообразных решений в автономном режиме. 2.4 Формирование 3D-поверхности обследуемой зоны. 2.5 Нанесение на 3D-поверхность обследуемой зоны препятствий, узких и непроходимых роботом зон. 2.6 Формирование файла состояния шахтной атмосферы с координатной привяз- кой к стартовой неподвижной системе координат. Требования к ГОСИР первого поколения (проект ГОСИР-1) включают обеспе- чение функций 2.1 и 2.2, связь с оператором происходит по радио или в отдельных случаях – по кабелю. Технические решения отдельных элементов ГОСИР первого поколения приняты в соответствии с пунктами 1 – 1.6. Построение математической модели по данным 3D-мониторинга предлагается осуществить с помощью 4-лучевого лазерного дальномера (рис. 1), описанного в нашей работе [2]. Рисунок 1 – По положению следов четырех зондирующих лучей на удаленном препятствии (зарегистрированных бортовой камерой на фото/видеоизображении) можно вычислить удаленность и ориентацию по двум углам участка препятствия, аппроксимированного двумя треугольниками, изображенными пунктирными линиями Программно-аппаратная часть интерпретации достаточно подробно описана в нашей работе [3]. Исходный файл данных (Dot_3D), который получается в результате измерения расстояний до препятствий дальномерами, записывается в память бортового Писаренко В.Г., Писаренко Ю.В., Мелкумян Е.Ю., Коваль А.С. «Искусственный интеллект» 4’2010 530 6П компьютера. Файл Dot_3D далее используется специальной программой PRIZM_3D, которая аппроксимирует тем или иным математическим агрегатом точечно заданную поверхность и формирует 3D-образ обследуемого помещения. Программа OPTIM_TRAJ формирует совместно с программой PRIZM_3D варианты оптимального маршрута робота с учетом наличия препятствий и узких мест. Варианты сплайнов для движения самого робота можно получить, используя программу PRIZM_3D, моделирующую обследуемую поверхность конечными элемен- тами. В большинстве случаев достаточно получить аппроксимацию в форме кусочно- плоской поверхности, составленной из множества соприкасающихся призм или как пересечение пространственных плоскостей. В более сложном случае (например, при выполнении отверстий в породе специ- альным бортовым буром из пункта 1.6 требований) необходимо воспользоваться программой 3D_SPLINE, обеспечивающей построение непрерывной вместе с первой производной поверхности, основанной на трехмерной сплайн-интерполяции. Для разработки типовых ИРР рассмотрены методы построения траектории мобильного робота с механическим многозвенным манипулятором для подбора опти- мальных параметров звеньев на уровне компьютерного имитационного моделирования для задач функционирования в ограниченных пространственных условиях шахты. Решение этой задачи является актуальным для проблемы разведки в шахтном забое или проведения ремонтных работ в узком помещении инженерного сооружения [1]. Типичный пример обследования: разведка интерьера инженерного сооружения после аварии, когда возникает дополнительная проблема обследования принципиального изменения интерьера (как результат аварии) сжатого рабочего помещения при неиз- вестной новой конфигурации возможных проходов. Таким образом, ГОСИР поставлена многокомпонентная задача, состоящая из взаимосвязанных частичных задач: 1) пройти внутрь шахты; 2) построить 3D-карту «обновленной» местности; 3) правильно выгнуться нужными шарнирами манипулятора; 4) найти и захватить (или включить/выключить) нужный предмет. Целью имитационного моделирования является расчет ряда типичных примеров- ситуаций для выбора количества, длины звеньев и углов ориентации системы упра- вления манипулятора и для обучения пользователей работе с устройством. Имитационное моделирование предусматривает решение таких задач: – поиск оптимальной длины сегмента манипулятора; – определение траектории захвата манипулятора для известной заранее конфи- гурации туннеля. При перемещении звеньев манипулятора и его захвата следует придерживаться построенной траектории, проходящей в центре туннеля; – реализация движения захвата манипулятора по построенной траектории при известной заранее конфигурации туннеля; – реализация движения захвата манипулятора методом проверки столкновений сферы безопасности с поверхностями туннеля на каждом шаге. Если столкновение произошло, тогда осуществляется поворот звена манипулятора. Этот метод используется, когда конфигурация туннеля заранее не известна; – определение углов шарниров на каждом шаге. Далее описаны 2 метода построения пути манипулятора сквозь туннель, исполь- зующие кубические сплайны. Эта задача актуальна для движения конечного звена многозвенного манипулятора, который несет сенсоры в сжатом, узком пространстве, типа аварийного штрека шахты после обвала пород. Применение робототехники для обследования шахты после обвала «Штучний інтелект» 4’2010 531 6П Методы построения траектории на основе кубических сплайнов Метод 1. Классический. Имеется матрица размерности N, заданы значения для x и y при i = 0…N. Имеем 1−−= kkk xxh для 1...1 −= Nk . Для того чтобы найти значения функции, в виде которой строим сплайн: dcxbxaxS k +++=∆ 23 , где 1...1 −= Nk , выполним следующие действия: 1 Заполним матрицу размерности N × N значениями [ ] , 20...000 2...000 02...000 .................. 000...20 000...2 000...02 11 2 2 11 0                       = −− − N NN N ijA µ λµ λ µ λµ λ (1) где ( ) 1 11 − ++ += jjjj hhhλ , ( ) 1 1 − ++= jjjj hhhµ , Ni ,0= . Для 0λ и Nµ получить значения из данных формул невозможно. 2 Поскольку ∑ = = M j jjij dMA 0 , Ni ,0= , ( )∆≡ ,;,0 NAA Nijij µλ , (2) находим значения для )(6 1 1 1 1 k kk k kk kk k h yy h yy hh d − + + + − − − + = , 1...1 −= Nk . (3) Для равномерной сетки имеем: 2 11 2 2 3 h yyyd kkk k −− +− = . (4) 3 Находим обратную матрицу 1−A . 4 Находим kM , где 1...1 −= Nk . Для этого перемножим матрицы: DAM ⋅= −1 , то есть: ∑ − = − ⋅= 2 0 1 , N i kjkk daM . (5) Писаренко В.Г., Писаренко Ю.В., Мелкумян Е.Ю., Коваль А.С. «Искусственный интеллект» 4’2010 532 6П 5 Найдем 0M и NM по формуле:       + − ⋅        − + − =      + + + + +−− 321 111 32 2 6 2 hhh yy h yyhMhM hh M j jj j jjjjjj j . (6) Для 0M берем 1=j , для NM берем 1−= Nj . 6 Находим коэффициенты необходимой нам функции на всех интервалах и строим сплайн: dcxbxaxS k +++=∆ 23 , где 1...1 −= Nk (7) Коэффициенты: , 6 1 j jj h MM a −− = (8) , 2 11 j jjjj h xMxM b −− − = (9) , 6 )( 2 11 2 1 2 1 j jjjjj j jjjj h yyhMM h xMxM c −−−− − + − + − = (10) . 6 )( 6 1111 3 1 3 1 j jjjjjjjjj j jjjj h xyxyhxMxM h xMxM d −−−−−− − + − + − = (11) Иногда для построения гладкого сплайна достаточно использовать метод 2 [4]. Метод 2. Улучшенный метод 2. Доказано [5], что для 20 <λ и 2<µN решение системы (2): ∑ = = M j jjij dMA 0 , Ni ,0= , ( )∆≡ ,;,0 NAA Nijij µλ , существует и оно единственно, и при этом трехдиагональная матрица ( )∆µλ≡ ,;,0 NAA N неособенная, то есть имеет единственную обратную матрицу 1−A . { }N ih 1 и вычисление моментов { }N jM 0 осуществляется эффективно с помощью компьютера методом прогонки. Вместе с тем для изучения разрешимости поставленной задачи сглаживания выпуклыми кубическими сплайнами при оптимизации концевых условий необходимо получить явное представление для всех элементов матрицы 1−A как функций переменных { }N iy 1 , { }N ih 1 при заданном N . В работе [4] изложен и обоснован один эффективный метод, с помощью которого все элементы матрицы 1−A размерности NN × представлены через элементы аналогичных матриц меньших размерностей 11 NN × и 22 NN × , причем 121 +=+ NNN . Последовательное применение этого метода несколько раз позволяет свести задачу об обращении трехдиагональной матрицы A высокой размерности к простой задаче об обращении одной либо двух матриц малой размерности. Применение робототехники для обследования шахты после обвала «Штучний інтелект» 4’2010 533 6П Критерии качества Критерии качества моделирования некоторой гладкой кривой только по значе- ниям этой кривой в конечном числе узлов интерполяции yi = f (xi) таковы: 1. Обеспечение минимума: ∫ →′′ Nx x dxxf 0 min)( var при всех вариациях N и ih ; 2. Для задачи интерполяции некоторой «идеальной кривой» набора )(xf j на сет- ке Nxxx <<< ...: 10ω так выбрать свой интерполяционный агрегат (кубический сплайн того или иного автора), чтобы при построении с помощью выбранного метода «своей» модели функции )(xF было выполнено следующее условие: lCj lxFxf ε≤− )()( , где l – степень гладкости, lε – заданная достаточно малая величина требуемой точности аппроксимации, lC – класс кривой, непрерывной в l -й производной, 2,1,0=l . Сформулировано эмпирическое правило: 1) для моделируемой кривой получить достоверные значения )( ii xfy = в наи- большем количестве точек 1+N из возможного числа; 2) получить некоторую обучающую выборку в форме некоторого количества «идеальных» кривых, пригодных для данной предметной области. То есть k штук гладких кривых, описываемых аналитическими функциями на всех внутренних отрезках интерполяционной сетки Nxxx <<< ...: 10ω . Задачей интерполяции заданной гладкой кривой (то есть из класса 1C – непре- рывной с 1-й производной) называется задача построения некоторой функции из класса 1C при выполнении условия )( ii xfy = , где значения iy в узлах сетки Nxxx <<< ...: 10ω считаются только заданными. Выводы В работе проанализированы реальные задачи, актуальные для повышения безопасности в отечественной угледобывающей отрасли промышленности путем применения средств интеллектуализированной робототехники для поддержки горно- спасательных работ. Рассмотрены некоторые вопросы создания программно-аппарат- ной части моделирования и функционирования роботов для обследования завалов и аварийно-опасных участков в шахтах. Приведено сравнение двух методов для построения пути многозвенного ма- нипулятора сквозь туннель, использующие кубические сплайны. Методы являются элементом САПР для создания многозвенных роботов – манипуляторов, способных за счет комбинированного взаимодействия звеньев во времени и пространстве дви- гаться вдоль траектории, обеспечивая минимальное отклонение от оптимальной идеально гладкой кривой. Для аппроксимации полученных сплайн-функций с целью построения траек- тории манипулятора интеллектуального робота следует использовать второй усовер- шенствованный метод. Он имеет уменьшенное количество операций расчета без Писаренко В.Г., Писаренко Ю.В., Мелкумян Е.Ю., Коваль А.С. «Искусственный интеллект» 4’2010 534 6П снижения точности за счет сокращения количества шагов прогонки матрицы в два раза. Метод позволяет записать алгоритм управления углами шарниров манипуля- тора на бортовой компьютер системы управления интеллектуальным роботом. Литература 1. Писаренко В.Г. Актуальные направления развития интеллектуализированной робототехники для снижения аварийности на шахтах / В.Г. Писаренко, Ю.В. Писаренко // Искусственный интеллект. – 2009. – № 3. – С. 308-316. 2. Information models for robotics system with intellectual sensor and self-organization / V. Pisarenko, I. Varava, J. Pisarenko, V. Prokopchuk // KDS Varna (Bulgaria). – Vol. 2 : FOI-commerce. – Sophia, 2005. 3. Писаренко В.Г. Програмне забезпечення підбору параметрів маніпулятору / В.Г. Писаренко, Ю.В. Пи- саренко, К.Ю. Мелкумян, О.С. Коваль // Сб. АСАУ (НТУУ «КПІ»). – 2010. – № 17(37). (В печати.) 4. Писаренко В.Г. Об интерполяции со сглаживанием выпуклыми кубическими сплайнами при опти- мизации концевых условий / В.Г. Писаренко // Сборник научных трудов «Физика и механика не- линейных явлений». – Киев : Наукова думка, 1979. – С. 115-131. 5. Алберг Дж. Теория сплайнов и ее приложения / Алберг Дж., Нельсон Э., Уолш Дж. – М. : Мир, 1972. – 316 с. В.Г. Писаренко, Ю.В. Писаренко, К.Ю. Мелкумян, О.С. Коваль Використання робототехніки для обстеження шахти після обвалу Проаналізовано реальні задачі, високоактуальні для підвищення безпеки у вітчизняній вуглевидобувній галузі промисловості з погляду підтримки гірничорятувальних робіт засобами інтелектуалізованої робототехніки. Розглянуто деякі питання створення програмно-апаратної частини моделювання і функціонування роботів для обстеження завалів і аварійно-небезпечних ділянок у шахтах. V. Pisarenko, Ju.Pisarenko, C. Melkumyan, A. Koval The Application of Robotics for Inspection of Mine After Collapse The real high-actual tasks for the increase of safety in domestic of coal industry from point of support of mine-rescue works facilities intellectual robotics were analyzed. Some questions of hard- and software creation of robot’s design and functioning for the inspection of obstructions and emergency-dangerous areas in mines are considered. Статья поступила в редакцию 29.06.2010.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-58654
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1561-5359
language Russian
last_indexed 2025-12-07T19:01:52Z
publishDate 2010
publisher Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
record_format dspace
spelling Писаренко, В.Г.
Писаренко, Ю.В.
Мелкумян, Е.Ю.
Коваль, А.С.
2014-03-29T11:17:03Z
2014-03-29T11:17:03Z
2010
Применение робототехники для обследования шахты после обвала / В.Г. Писаренко, Ю.В. Писаренко, Е.Ю. Мелкумян, А.С. Коваль // Штучний інтелект. — 2010. — № 4. — С. 528-534. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
1561-5359
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/58654
004.896
Проанализированы реальные задачи, высокоактуальные для повышения безопасности в отечественной угледобывающей отрасли промышленности с точки зрения поддержки горноспасательных работ средствами интеллектуализированной робототехники. Рассмотрены некоторые вопросы создания программно-аппаратной части моделирования и функционирования роботов для обследования завалов и аварийно-опасных участков в шахтах.
Проаналізовано реальні задачі, високоактуальні для підвищення безпеки у вітчизняній вуглевидобувній галузі промисловості з погляду підтримки гірничорятувальних робіт засобами інтелектуалізованої робототехніки. Розглянуто деякі питання створення програмно-апаратної частини моделювання і функціонування роботів для обстеження завалів і аварійно-небезпечних ділянок у шахтах.
The real high-actual tasks for the increase of safety in domestic of coal industry from point of support of mine-rescue works facilities intellectual robotics were analyzed. Some questions of hard- and software creation of robot’s design and functioning for the inspection of obstructions and emergency-dangerous areas in mines are considered.
ru
Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
Штучний інтелект
Интеллектуальные робототехнические системы
Применение робототехники для обследования шахты после обвала
Використання робототехніки для обстеження шахти після обвалу
The Application of Robotics for Inspection of Mine After Collapse
Article
published earlier
spellingShingle Применение робототехники для обследования шахты после обвала
Писаренко, В.Г.
Писаренко, Ю.В.
Мелкумян, Е.Ю.
Коваль, А.С.
Интеллектуальные робототехнические системы
title Применение робототехники для обследования шахты после обвала
title_alt Використання робототехніки для обстеження шахти після обвалу
The Application of Robotics for Inspection of Mine After Collapse
title_full Применение робототехники для обследования шахты после обвала
title_fullStr Применение робототехники для обследования шахты после обвала
title_full_unstemmed Применение робототехники для обследования шахты после обвала
title_short Применение робототехники для обследования шахты после обвала
title_sort применение робототехники для обследования шахты после обвала
topic Интеллектуальные робототехнические системы
topic_facet Интеллектуальные робототехнические системы
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/58654
work_keys_str_mv AT pisarenkovg primenenierobototehnikidlâobsledovaniâšahtyposleobvala
AT pisarenkoûv primenenierobototehnikidlâobsledovaniâšahtyposleobvala
AT melkumâneû primenenierobototehnikidlâobsledovaniâšahtyposleobvala
AT kovalʹas primenenierobototehnikidlâobsledovaniâšahtyposleobvala
AT pisarenkovg vikoristannârobototehníkidlâobstežennâšahtipíslâobvalu
AT pisarenkoûv vikoristannârobototehníkidlâobstežennâšahtipíslâobvalu
AT melkumâneû vikoristannârobototehníkidlâobstežennâšahtipíslâobvalu
AT kovalʹas vikoristannârobototehníkidlâobstežennâšahtipíslâobvalu
AT pisarenkovg theapplicationofroboticsforinspectionofmineaftercollapse
AT pisarenkoûv theapplicationofroboticsforinspectionofmineaftercollapse
AT melkumâneû theapplicationofroboticsforinspectionofmineaftercollapse
AT kovalʹas theapplicationofroboticsforinspectionofmineaftercollapse