随着智能矿山建设的深入推进,煤矿井下巡检的自动化、智能化需求日益提高。传统的煤矿井下巡检方式劳动强度大,人为因素导致巡检可靠性不高。四旋翼无人机结构简单、控制算法成熟,可借助于机器视觉、虚拟现实、智能控制等先进的人工智能技术可实现智能导航,以代替人在煤矿复杂环境中完成井下关键场合的巡检任务。煤矿井下环境复杂,无人机飞行空间受限,自主飞行难度大、风险高。因此,借助于虚拟现实、数字孪生和智能操控等技术,提出适用于煤矿井下巷道巡检的四旋翼无人机虚拟远程操控技术方案。构建四旋翼无人机虚拟样机和井下巷道虚拟场景,研究障碍物感知与三维重建、无人机精确定位、避障导航等关键技术,为操控者提供高效的认知条件,达到无人机自主飞行与人工远程干预相结合的控制理念,实现无人机“沉浸式”远程操控,有效提高煤矿井下四旋翼无人机巡检的效率和安全性。针对井下障碍物造成的无人机环境精准感知难,易发生碰撞的问题,研究巷道障碍物智能感知与三维重建技术。借助双目视觉测量单元从不同视角拍摄障碍物图片,对获得的左右相机图像进行立体匹配从而得到视差图,进而获取障碍物三维信息;通过坐标匹配实现了障碍物数据和虚拟巷道模型的深度融合;利用立体栅格克隆技术在虚拟巷道中堆栈出障碍物轮廓模型,实现局部地图重建。飞行位姿数据驱动的虚拟样机和实时动态更新的虚拟巷道场景为远程操控人员提供了人为干预决策的控制依据。根据四旋翼无人机在复杂巷道环境内稳定飞行的需求,建立四旋翼无人机位姿控制模型,利用扩展卡尔曼滤波算法实现视觉惯导位姿数据融合,通过坐标匹配将无人机姿态数据耦合到虚拟巷道几何模型中,获得无人机在巷道中的精确位置。研究四旋翼无人机路径规划和避障技术,提出一种复合势场VFF避障算法,将速度势场引入人工势场避障导航算法中,实现煤矿巡检无人机对巷道内未知或动态物体的避障飞行。针对煤矿四旋翼无人机飞行数据繁杂、不直观导致的远程控制决策难题,研究基于数据驱动的煤矿四旋翼无人机虚拟现实交互技术。利用Unity3D平台研发煤矿四旋翼无人机虚拟现实交互平台,融合飞行数据可视化技术,实现三维视景与平显画面相结合的远程监测平台;提出复杂场景数据加载优化方案,有效简化复杂三维场景数据,保证了场景加载的流畅性;开发虚实数据通讯接口,将四旋翼无人机飞行数据实时反馈至虚拟操控平台,实现无人机远程操控、虚实同步控制。搭建煤矿四旋翼无人机实验平台,对系统功能进行验证。实验表明,可视化虚拟仿真系统运行稳定,虚拟远程操控平台操控便捷,可进行障碍物感知和三维重建,实现无人机自主避障导航和巡检控制。