煤矿四旋翼飞行机器人环境信息数据压缩算法.pdf

工矿自动化 I n d u s t r ya n d Min e Au t oma t ion 第46卷第6期 2020年6月 Vol . 46 No. 6 Ju n .2020 文章编号文章编号1671-251X202006-0031-04DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x . 2019100047 煤矿四旋翼飞行机器人环境信息数据压缩算法 梁艳13“马宏伟13“崔亚仲薛旭升聂珍13“张力13 1.西安科技大学机械工程学院，陕西西安710054； ； 2. 国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司，陕西神木719300； 3. 陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室，陕西西安710054 扫码移动阅读 摘要摘要针对四旋翼飞行机器人在煤矿巷道中的飞行路径与轨迹多变，导致其在动态空间中采集的环境信 息数据有较大冗余的问题，提出了一种煤矿四旋翼飞行机器人环境信息数据压缩算法。采用小波分析中的 默认阈值降噪方法对原始数据进行降噪处理，以提高信噪比；以甲烷监测为例介绍数据压缩算法，将巷道空 间沿巷道方向拆分成若干个截面，选取每个拆分截面的甲烷浓度有效值，并通过有效值对甲烷浓度检测数据 进行重构％实验结果表明，通过算法压缩和重构的甲烷浓度信号与人工检测结果相比误差很小，数据压缩算 法能够提取出甲烷浓度数据有效值，去除机器人采集到的冗余环境信息，从而提高数据传输的有效性和实时性。 关键关键词煤矿四旋翼飞行机器人；机载传感器；环境信息；数据冗余；数据压缩；甲烷浓度 中图分类号TD76 文献标志码A En vir on men t a l in for ma t ion d a t a c ompr es sion a l g or it h mfor c oa l min efou r -r ot or fl yin g r obot LI ANG Ya n1,3 , MA Hon g wei1,3, CUI Ya z h on g2, XUE Xu sh en g1,3, NI EZh en1,3, ZHANG Li1,3 1. Col l eg e of Mec h a n ic a l En g in eer in g , XPn Un iver sit y of Sc ien c e a n d Tec h n ol og y, XPn 710054, Ch in a; 2.CHN En er g y Sh en d on g Coa l Gr ou p Co. , Lt d . , Sh en mu 719300, Ch in a; 3. Sh a a n x i Key La bor a t or y of Min e El ec t r omec h a n ic a l Equ ipmen t I n t el l ig en t Mon it or in g , Xa n 710054, Ch in a Abstract I n view of pr obl em t h a t fl ig h t pa t h a n d t r a jec t or y of fou r -r ot or fl yin g r obot in c oa l min e r oa d wa ya r e c h a n g ea bl e,wh ic h l ea d st og r ea t r ed u n d a n c yofen vir on men t in for ma t ion d a t a c olec t ed byt h e r obot in d yn a mic s pa c e,a n en vir on me n t a l in for ma t ion d a t a c ompr ession a l g or it h mfor c oa l min e fou r -r ot or fl yin g r obot ispr oposed .Th ed efa u l t t h r esh ol d n oiser ed u c t ion met h od ofwa vel e t a n a l ysisisu s ed t or ed u c e t h en oiseofor ig in a l d a t a t oimpr ovesig n a l -t o-n oiser a t io;t a kin g met h a n e mon it or in g a sa n ex a mpl e t o in t r od u c ed a t a c ompr e ssion a l g or it h m,t h e r oa d wa yspa c eisspl it in t oseve r a l sec t ion sa l on g t h er oa d wa y d ir e c t ion ,a n d t h e efec t ive va l u e of met h a n e c on c en t r a t ion of ea c h spl it sec t ion is sel ec t ed a n d u sed t o r ec on st r u c t t h ed e t ec t ion d a t a ofmet h a n ec on c en t r a t ion .Th e ex pe r imen t a l r e su l t ssh owt h a t t h e met h a n e c on c en t r a t ion sig n a l c ompr esse d a n d r ec on st r u c t ed by t h e a l g or it h m h a s l itl e er r or wit h t h e ma n u a l d et ec t ion r esu l t ,t h ed a t a c ompr es sion a l g or it h m c a n e x t r a c t t h e efec t iveva l u e ofmet h a n e c on c en t r a t ion d a t a a n d r emovet h er ed u n d a n t en vir on men t a l in for ma t ion c ole c t e d byt h e r obot ,t h e r e byimpr ovin g t h e efec t iven essa n d r ea l -t imeper for ma n c eofd a t a t r a n smission . Key words c oa l min e fou r -r ot or fl yin g r obot; a ir bor n e sen sor; en vir on men t a l in for ma t ion; d a t a r e d u n d a n c y;d a t a c ompr e ssion ;met h a n e c on c en t r a t ion 收稿日期收稿日期2019-10-23；修回日期修回日期2020-06-05；责任编辑胡娴。责任编辑胡娴。 基金项目基金项目国家自然科学基金项目E050103国家自然科学基金重点项目51834006陕西省重点研发计划重点产业创新链项目S2018-YF- ZDLGY-0011;陕西省教育厅专项科研计划项目18JK0504；陕西省科技计划项目青年基金项目2018JQ5116。 作者简介作者简介梁艳1996 ,女，陕西蒲城人，硕士研究生，主要研究方向为煤矿机器人,E-ma il852190330qq. c om。 引用格式引用格式梁艳，马，马宏伟，崔亚仲，等，等.煤矿四旋翼飞行机器人环境信息数据压缩算法工矿自动化，2020,4663134. LI ANG Ya nMA Hon g weiCUI Ya zh on get a l 6En vir on men t a l in for ma t ion d a t a c ompr ession a l g or it h m for c oa l min efou r -r ot or fl yin g r obot ,-. I n d u st r y a n d Min e Au t oma t ion ,2020,466 31-34. ・・32・ ・ 工矿自动化 46 0引言 现阶段煤炭仍然是我国的主要能源，但煤矿安 全生产形势却非常严峻。为保障煤矿安全生产，建 立完善可靠的煤矿安全监测系统极为重要2-。传 统的井下环境监测方式以在井下设立监测点为主, 存在数据空间覆盖度不足、灵活度不高等问题⑶。 目前，煤矿机器人成为研究热点，行走机器人被应用 于煤矿救援、探测、巡检等。行走机器人主要获取近 地信息，仍然存在一定的区域局限性及占空比大、灵 活度不高、效率低等问题「4忌。 图1数据压缩与重构流程 Fig .1 Fl owofd a t a c ompr e s s ion a n d r e c on s t r u c t ion 3实验分析 3. 1 数据采集和降噪 在实验室搭建实验场景，煤矿四旋翼飞行机器 人依次飞往设定轨迹中的各监测点，通过携带的传 感器采集甲烷浓度数据。机器人飞行轨迹如图2所 示，与该轨迹相匹配的原始甲烷浓度采集点位置如 图3所示。 用 默 认 值 对 原 始 冗 信息进 行降噪，结果如图4所示。由图4可知，默认阈值降 制 声 地 原 始 信 号 四旋翼飞行机器人具有结构简单、占空比小、反 应迅速、灵活度高等优点，能够在空中悬停、垂直起 飞和降落，适用于在煤矿巡检及灾后救援工作中监 测现场环境信息，如CH4浓度、CO浓度、CO浓 度、。2浓度、粉尘浓度、温度、湿度等「6町。然而，煤 矿四旋翼飞行机器人飞行环境复杂，在空间狭小、机 械设备多、视觉环境差、噪声干扰严重的井下巷道 中，机器人根据地形信息进行避障，其飞行路径多 变，导致机载传感器采集的环境信息数据有较大 冗余「8皿 矿 四 旋 翼 机 人检 信息 数 据 必须安全、稳定、快速地传输到远程监控平台。针对 矿 四 旋 翼 机 人 信息 数 据 冗 特性，提出了一种数据压缩算法，用于对采集的环境 信息数据进行压缩，以保证数据传输的有效性和实 时性，提高数据传输效率。根据数据压缩与重构理 论,对原始信号先进行降噪处理，再进行压缩，选取 有效值，最后重构并传输。 1数据降噪处理 矿井环境复杂，噪声干扰多，因此，首先用小波 分析方法对原始数据进行降噪处理，以提高信噪比。 小波分析降噪方法包括默认阈值降噪、给定阈值降 噪、强制降噪3种。其中默认阈值降噪方法能适应 信号频率的局域变化且更能突出数据应用特征，本 文采用默认阈值降噪方法进行数据预处理。 默认阈值降燥方法通过函数d d en c mp“）生成 信号的默认阈值，然后用函数wd en c mp“）进行降噪 处理“12-。其基本步骤如下①对信号进行小波分 解。②对分解后的高频系数进行阈值量化。③用 低频系数和阈值量化后的高频系数进行小波重构。 2飞行机器人环境信息数据压缩算法 以甲烷监测为例，假设煤矿四旋翼飞行机器人 在巷道中对甲烷气体进行监测，其在巷道深度（l）、）、 高度3）、）、宽度（〃）方向均有监测数据。本文压缩数 据的原则如下①在沿巷道方向每一拆分截面上选 择甲烷浓度最大值。。②因每一拆分截面上，在咼度 方向（纵向）、宽度方向（横向）都有大量甲烷浓度数 值，所以，在每一截面的横、纵方向分别选取最大值。 ③在每一截面上，选取纵向最大值、横向最大值中 较大的值作为当前深度处的有效值。 。 将巷道空间沿巷道方向拆分成N（N,1）个截 面，每一个拆分截面上横向和纵向的甲烷浓度分别 为 dc Qdc o dc1，dC2，，肌,n,1,1（c（N） ,hc （hc h1，h2，，hn ） ），则巷道中甲烷浓度数据队列C可 为 C {d c U h c} } 设横向、纵向甲烷浓度最大值分别为 h c ma x ， ，即 d ma x o ma xd 1 d 2 d n 1 d ma x 2 hma x o ma x（ha， ，h ,hm ） ） 每一个拆分截面的有效值为 cma x dc ma x dc ma x hc max h ca h cah cma x 5 dcma x 4 监测段所有截面有效值的集合为Cmax O {Cl max， ， C2max， ，， ，CNma x }，}，Cma x即为最终输出的有效采集信 号。。数据压缩与重构流程如图1所示。 。 |获取待压缩甲烷浓度数据队列c ] I用默认阈值降噪方法进行预处珂 |从C中选择横向和纵向甲烷浓度氏,力c I |找出横向和纵向甲烷浓度最大值氏ma x，力cma x I求出每一拆分截面的有效值 * 3 2020年第6期梁艳等煤矿四旋翼飞行机器人环境信息数据压缩算法・33・ Fig .4 Loc a t ion s ofme t h a n e c on c e n t r a t ion c ole c t in g poin t s a ft e r n ois e r e d u c t ion 拆分成的N个截面中选择5个不同状态下巷道起 始检测段、向右避障、向左避障、向下避障、飞出监测 段的截面，各截面的原始甲烷 信息如图5所 示，其中k 烷 分数。 图5 ，避 点位置随着飞行 机器人 迹 ，在没 碍物 始检测段和 段，甲烷 点位置基 持在纵向 和横向的中心位置；每个截面中均有较多 点，表 明 机器人 原始信息中含有较多冗余 信息。 图3 Fig . 3 原始甲烷浓度采集点位置 Loc a t ion s ofor ig in a l me t h a n e c on c e n t r a t ion c ole c t in g poin t s 的特征尖山点。 针对四旋翼飞行机器人的轨迹，在沿巷道方向 a 起始检测段b向右避障 d 向下避障e飞出监测段 图5不同状态下各截面的原始甲烷浓度信息 Fig .5 Or ig in a l me t h a n e c on c e n t r a t ion in for ma t ion ofe a c h s e c t ion u n d e r d ife r e n t s t a t e s 3. 2 数据压缩和重构 在Ma t l a b平台实现数据压缩算法，对原始甲烷 浓度信息进行压缩和重构，得到沿巷道方向每个拆 分截面的甲烷浓度有效值，将各数据点与人工检测 各截面甲烷 值进行对比，结果如图6 所示，部分采样点数据 1 1和图6 ，通过算法压缩和重构的甲 烷 信号与人工检测结果 ，验 用数据压 矿四旋翼 机器人采集 冗 信息 性。 1「人工检测信号 一重构信号 I 5 -十一 0 5 10 15 20 25 30 //m 图6甲烷浓度重构信号与人工检测结果对比 Fig .6 Compa r is on ofr e c on s t r u c t e d s ig n a l ofme t h a n e c on c e n t r a t ion wit h ma n u a l d et ec t ion r e s u l t s 4结语结语 针对 矿 四 旋 翼 机 人 信息 数 据的冗余特性，提 一种数据压 ，将巷道空 ・34・ 工矿自动化 46 表1部分采样点人工检测值、重构值及误差 Ta bl e 1 Ma n u a l l y d et ec t ed va l u e s , r e c on st r u c t ed va l u e s a n d e r r or s a t s ome s a mpl in g poin t s 巷道深度/m 人工检测值/重构值/绝对误差/ 0 900 270 290.02 3 130 380 410.03 6 400 350 420.07 9 500 37 0. 36 0.01 12 690 500 530.03 15 370 430.480.05 18 790 470.490.02 21 10 0. 36 0.430.07 25 300 340.390.05 29 81 0. 46 0.430.03 间沿巷道方向拆分成N个截面，根据有效性来选取 每个拆分截面的甲烷浓度，并基于数据压缩和重构 理论对甲烷浓度检测数据进行重构。实验结果表 明，通过算法压缩和重构的甲烷浓度信号与人工检 测结果相比误差很小，数据压缩算法能够提取出甲 烷浓度数据有效值，去除机器人采集到的冗余环境 信息，从而提高数据传输的有效性和实时性。 参考文献References [1 -马宏伟，姚阳，赵昊，等矿山钻孔救援探测机器人设 计[J-工矿自动化，2019,459 -6. MA Hon g we i, YAO Ya n g , ZHAO Ha o,e t a l . De sig n of min e d r il l in g r es c u e a n d d et e c t ion r obot [J-. I n d u s t ya n d Min e Au t oma t ion 2019 4591-6. [2-孙继平，钱晓红.2004-2015年全国煤矿事故分析 [J-工矿自动化，2016,4211 5. SUN Jipin g，QI AN Xia oh on g . An a l ysis of c oa l min e a c c id e n t s in Ch in a d u r in g 2004-2015[J-. I n d u s t r y a n d M/n e Au t oma t on 2016 42 11 1-5. [3 -胡汇洋，许应康，李扬试飞数据的压缩传输技术研究 [J-现代电子技术，2015,3810 78-79. HU Hu /ya n gXU Y/n g ka n gLI Ya n g .Re s e a r c h on t e c h n ol og yofd a t a c ompr e s s /on t r a n s m/s s /on /n fl g h t t e s t [J Mod e r n El e c t r on ic s Te c h n iqu e ,2015,3810 78-796 [4 -齐帅，李宝林，程岩.煤矿救援机器人研究应用现状和 需解决的问题[J-矿山机械,2012,406 7-10. QI Sh u a iLI Ba ol inCHENG Ya n 6St u d y a n d a ppl ic a t ion s t a t u s ofr e s c u e r obot s u s e d in c olier ie s a n d ex ist in g pr obl ems [J-. Min in g Pr oc es sin g Equ ipme n t,2012,406 7-10. [5-薛旭升.煤矿救援机器人无线通信系统及布放装置研 究[D-西安西安科技大学2013. XUE Xu s h e n g 6Re s e a r c h on wir e l e s s c ommu n ic a t ion s ys t e ma n d a r r a n g e me n t d e vic e for min e r e s c u e r obot s [ D -6 Xia n Xia n Un ive r s it y of Sc ie n c e a n d Te c h n ol og y20136 [6-吴肖基于矿井无线通信技术与无人机联合搜索探测 的分析与研究[J-内蒙古煤炭经济，201817 85-876 WU Xia o6An a l ys is a n d r e s e a r c h ofc ombin e d s e a r c h a n d d e t e c t ion ba s e d on min e wir e l e s s c ommu n ic a t ion t ec h n ol og y a n d UAV [J -6I n n e r Mon g ol ia Coa l Ec on omy20181785-876 [7 -薛旭升，马宏伟，尚万峰.煤矿救援无线通信机器人系 统设计[J-矿山机械，2015,434 04-107. XUE Xu s h en gMA Hon g weiSHANG Wa n fe n g 6 De s ig n of wir e l e s s c ommu n ic a t ion r obot s ys t e m for r es c u e in c ol l ier y [ J -. Min in g Pr oc es sin g Equ ipme n t,2015,434 104-107. [8-张旭辉，董润霖，马宏伟，等.基于虚拟现实的煤矿救 援机器人远程控制技术煤炭科学技术，2017, 45552-57 ZHANG Xu h u iDONG Ru n l inMA Hon g we ie t a l St u d yon r e mot e c on t r ol t e c h n ol og y of min e r e s c u e r obot ba s e d on vir t u a l r e a l it y [J- Coa l Sc ie n c e a n d Te c h n ol og y2017 45552-57 [9-邓丹枫煤矿井下无线安全监测系统的数据压缩技术 研究[D-北京匕京交通大学2014. DENG Da n fen g Re s e a r c h on d a t a c ompr e ssion t ec h n ol og y of sa fet y mon it or in g sys t em for u n d e r g ou n d c oa l min e[D- Be ijin gBe ijin g Jia ot on g Un ive r s it y 2014 [10- SAWLI KAR A P，KHAN Z J，AKOJWAR S G. Powe r opt imiz a t ion ofwir e l e s s s e n s or n e t wor ks u s in g en c r ypt ion a n d c ompr ess ion t ec h n iqu es [ C -// I n t e r n a t ion a l Con fer e n c e on El ec t r on ic Syst e ms Sig n a l Pr oc e s s in g a n d Compu t in g Te c h n ol og ie s 2014 [11- MABBERG J. Ge n er a l ize d Hu ffma n c od in g for bin a r y t r e e s wit h c h oosa bl e ed g e l en g t h s [J- I n for ma t ion Pr oc e s s in g Lete r s 2015 1154502-506 [12-潘显兵一种改进的小波阈值降噪方法性能分析[J-. 微计算机信息，2006,227 12-113. PAN Xia n bin g An a l ys is ofa n impr ove d me t h od s in wa vel e t t h r e s h ol d d en oisin g [J - Mic r oc ompu t e r I n for ma t ion 2006 227112-113