本项目属于矿山工程技术基础科学及应用领域。

煤矿井下掘进装备受工作环境以及地质条件影响较大，自动化程度不高，加之煤矿井下工作环境恶劣，不可控因素多，严重影响了掘进效率，导致"采掘失衡"问题严重，人员和生产安全时有发生。

研发智能掘进技术实现工作面少人甚至无人生产是当前国内外研究的热点。

智能掘进技术面临的瓶颈问题是巷道掘进过程中掘进机位姿精确、稳定测量，在此基础上才能实现定向导航、定形截割、碰撞预警和远程控制等功能的智能化。

目前，煤矿井下掘进装备机身位姿测量方法均存在一些不足，惯性导航方法存在累积误差且受设备振动的影响较大，在掘进振动工况下难以保证精度且测量稳定性不高。

因此，研究煤矿井下掘进装备机身以及截割部位姿测量理论及方法，对提高煤矿掘进效率和煤矿安全生产具有重大意义，具有广阔的应用价值和市场前景。

本项目承担的西安市产学研协同创新计划项目“煤矿设备虚拟仿真与远程控制系统研发”(CXY1519-4) 2016年通过验收，随后在开展采掘工作面远程控制研究，2017年获批国家绿色制造系统集成项目“矿山采掘装备绿色设计平台建设”（工信部节函[2017]327号），在采掘装备智能控制系统设计方面做了大量工作。

历经多年攻关和实践，以煤矿掘进工作面少人或无人化生产为目标，攻克矿用相机折射成像建模与参数非线性辨识、煤矿井下移动目标视觉定位、视觉伺服截割成形轨迹跟踪，以及远程可视化截割控制等技术，在煤矿井下掘进装备精确定位与智能控制理论方面取得了重大突破并实现了工业化应用。

主要创新点如下： 1、首创了煤矿井下矿用防爆相机折射成像建模及校准理论 创建了几何驱动的矿用相机共面约束成像模型，实现了矿用相机成像像素点与空间点映射的数学表征，揭示了防爆玻璃引起的矿用相机成像非单视点成像规律，攻克了引入虚拟相机轴的矿用相机折射畸变校准方法，形成了具有防爆玻璃的矿用相机成像机理及理论，实现了矿用图像测量理论的重要突破，为提高煤矿图像测量精度提供了新的理论与方法。

2、创建了掘进装备机身与截割部视觉/惯导组合位姿测量系统 以激光点-线标靶为特征信息源，自主研发了悬臂式掘进机机身及截割头视觉/惯导组合精确位姿测量与动态定位系统，提出了高粉尘、低照度环境下激光束标靶图像亚像素级精确分割、特征提取算法，发明了基于2P3L的掘进机机身位姿视觉解算方法，创新了基于多点LED合作标靶的截割头位姿视觉解算模型；建立了掘进装备位姿视觉测量误差传递函数模型，揭示了测量系统的误差传播规律，形成了悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量方法，进而提出并创立了基于松耦合组合机制、扩展卡尔曼滤波等技术的惯导/视觉位姿信息融合的井下掘进装备视觉定位技术体系，形成了视觉/惯导融合的井下掘进装备位姿精确测量与动态定位理论与方法，实现了井下掘进装备的位姿精确测量。

3、创新了视觉伺服反馈驱动的掘进装备智能截割控制方法 提出了用于运动学方程正逆问题求解的掘进装备关节空间轨迹规划参数表征方法，建立了定向掘进运动控制过程的视觉伺服截割控制模型，形成了反馈线性化积分滑模控制器的截割轨迹控制方法，设计了基于纠偏控制策略的截割控制系统轨迹跟踪控制器，创新了巷道成形轨迹自动规划与截割方法，自主研发了视觉反馈的视觉伺服截割控制系统，实现了掘进装备巷道成形截割过程的智能控制，满足了巷道成形截割质量要求。

4、研发了井下掘进装备远程智能操控与截割控制系统 自主研发了井下悬臂式掘进机远程可视化辅助截割系统，实现了掘进机精确定位、定向导航和定形截割控制，以及巷道截割轨迹实时显示，超挖欠挖报警等功能，解决了复杂环境下掘进作业的远程可视化掘进，同时建立了数字孪生驱动的掘进装备远程智能操控系统，实现了掘进工作面设备群远程虚拟操控，承担了煤炭行业标准化相关工作，主持制定了陕西煤业化工集团《智能矿井掘进工作面建设标准》等规范，为煤矿智能化技术推进做出了巨大贡献。

本项目成果先后在IEEE Transactions on Industrial Electronics、Optics and Lasers in Engineering、IEEE ACCESS、煤炭学报、煤炭科学技术等国内外著名学术期刊发表代表性论文25篇，其中SCI、EI收录15篇，成果得到了国内外同行的认可；获批国家发明专利10余项，解决了煤炭行业的一个重大理论与技术难题，为提升我国煤炭开采技术水平做出了贡献；研究成果具有很强的市场竞争力和极大推广应用价值，在井下工业试验工程中得到了检验和完善，形成系列化实用理论与技术，达到国际先进水平。

成果已在陕西神府、山西阳泉等矿区推广应用，以及西安煤矿机械有限公司、山东天河科技有限公司等掘进机厂家配套使用，经济社会效益显著。