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煤矿巷道支护钢带锚孔智能识别与定位

张夫净 王宏伟 王浩然 李正龙 王宇衡

张夫净,王宏伟,王浩然,等. 煤矿巷道支护钢带锚孔智能识别与定位[J]. 工矿自动化,2022,48(10):76-81.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080070
引用本文: 张夫净,王宏伟,王浩然,等. 煤矿巷道支护钢带锚孔智能识别与定位[J]. 工矿自动化,2022,48(10):76-81.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080070
ZHANG Fujing, WANG Hongwei, WANG Haoran, et al. Intelligent identification and positioning of steel belt anchor hole in coal mine roadway support[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(10):76-81.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080070
Citation: ZHANG Fujing, WANG Hongwei, WANG Haoran, et al. Intelligent identification and positioning of steel belt anchor hole in coal mine roadway support[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(10):76-81.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080070

煤矿巷道支护钢带锚孔智能识别与定位

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2022080070
基金项目: 国家重点研发计划项目(2020YFB1314004);山西省揭榜招标项目(20201101008);山西省重点研发计划项目(202102100401015)
详细信息
    作者简介:

    张夫净(1997—),男,四川雅安人,硕士研究生,主要从事机器视觉、深度学习及煤机智能化改造研究,E-mail:1458256838@qq.com

    通讯作者:

    王宏伟(1977—),女,黑龙江勃利人,教授,博士,博士研究生导师,主要研究方向为煤机装备智能化、人工智能与5G+智慧矿山等,E-mail:lntuwhw@126.com

  • 中图分类号: TD67

Intelligent identification and positioning of steel belt anchor hole in coal mine roadway support

  • 摘要: 煤矿井下掘进巷道使用钢带辅助锚杆支护时,如果支护钢带锚孔的定位不准确,钻头打在钢带或锚网上易造成设备损坏,存在较大安全隐患。针对上述问题,提出了一种基于改进YOLOv5s模型的煤矿巷道支护钢带锚孔智能识别与定位方法。① 通过超分辨率重构技术(SR)增加锚孔图像的清晰度,防止因图像模糊而丢失图像中锚孔边缘高频信息。② 由于锚孔较小且摄像头距锚孔有一定距离,在卷积神经网络中易丢失较小锚孔的特征信息,影响锚孔检测效果。在YOLOv5s模型的Backbone网络中添加坐标注意力机制(CA)模块,增加YOLOv5s网络中特征提取网络的网络层数,将目标物体的坐标信息融入到卷积网络中,可有效提取锚孔小目标特征信息,从而提高锚孔检测成功率。③ 利用嵌入CA模块的YOLOv5s网络训练经SR重构后的锚孔数据集,得到改进后的YOLOv5s模型,即SR−CA−YOLOv5s模型。④ 采用SR−CA−YOLOv5s模型结合双目摄像头对锚孔进行实时识别与定位。实验结果表明:相较于YOLOv5s模型,SR−CA−YOLOv5s模型的平均精度均值为96.8%,较YOLOv5s模型提高了3.1%;SR−CA−YOLOv5s模型有更好的检测能力,在一定程度上避免了漏检;虽然SR−CA−YOLOv5s模型的每秒填充图像的帧数(FPS)降低了18.5帧/s,但其FPS仍保持在166.7帧/s,并不影响模型的实时检测功能。实际测试结果表明:SR−CA−YOLOv5s模型能够在不同光照条件下准确检测出锚孔并获得锚孔相对于摄像头的三维坐标,坐标误差在6 mm以内,且FPS满足实时性要求。

     

  • 图  1  锚孔智能识别与定位流程

    Figure  1.  Process of intelligent identification and positioning of anchor hole

    图  2  各模型检测结果对比

    Figure  2.  Comparison of test results of each model

    图  3  实验装配

    Figure  3.  Experimental assembly

    表  1  测试结果

    Table  1.   Test results

    指标数值
    PSNR30.912
    SSIM0.860
    单张图像重构时间/ms533
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    表  2  YOLOv5s模型与SR−CA−YOLOv5s模型对比结果

    Table  2.   Comparison results of the YOLOv5s model and the SR-CA-YOLOv5s model %

    模型准确率召回率mAP
    YOLOv5s93.992.893.7
    SR−CA−YOLOv5s96.697.096.8
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    表  3  消融实验结果

    Table  3.   Results of the ablation test

    模型SR加入CA机制mAP/%FPS/(帧·s−1)
    YOLOv5s××93.7185.2
    SR−YOLOv5s×94.5119.0
    CA−YOLOv5s×95.5169.5
    SR−CA−YOLOv5s96.8166.7
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    表  4  锚孔识别与定位结果

    Table  4.   Anchor hole identification and positioning results

    序号实际坐标/mm检测坐标/mm误差/mmFPS/(帧·s−1)
    1(225,36,542)(221,34,538)(4,2,4)30.1
    2(518,−10,1012)(519,−13,1015)(1,3,3)28.5
    3(−355,237,680)(−350,236,675)(5,1,5)28.7
    4(−247,−106,735)(−251,−108,741)(4,2,6)29.8
    5(−112,209,1021)(−109,206,1020)(3,3,1)28.1
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-25
  • 修回日期:  2022-09-30
  • 网络出版日期:  2022-09-21

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