CN103438875A - 基于图像与数据相结合的煤矿连采机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矿用激光指向仪与视频导航靶配套装置、密闭防尘式视频水平仪观测箱、数据与图像监控主机以及通讯网络组成的图像与数据相结合的煤矿连采机远程控制系统，通过观测图像与采集传感器的数据，使操作人员能够准确掌握设备工况，通过遥控器实现对设备的远程操作作业。解决了现有连采机或快速掘进机远程遥控工作过程中存在的激光导航光斑目测无法看清、机身姿态无法观测的问题。

Description

基于图像与数据相结合的煤矿连采机控制系统

技术领域

本发明涉及采煤机领域，特别涉及一种煤矿连采机或快速掘进机的远程控制的系统及方法。

背景技术

在煤矿巷道掘进工作过程中，连采机司机通过观测摄像机提供的视频图像和设备机身安装的传感器提供的检测数据实现对连采机或快速掘进机的远程控制，通过图像观测激光导航靶的位置、机身的俯仰角和翻滚角，进而判断设备的姿态；通过传感器数据检测截割臂的角度和掏槽的深度；在控制台通过有线或无线数据通讯的方式远程控制连采机或快速掘进机，是一种通过图像观测与数据检测相结合的方式，在提供相关信息的基础上，操作司机远程控制连采机或快速掘进机进行作业的控制系统或方法。

随着煤炭开采技术的发展，要求实现掘进工作面远程遥控的需求越来越迫切，使连采机司机可以远程遥控连采机或快速掘进机的作业。但是连采机的前进方向需要通过激光导航来定位，目前只能依靠连采机司机现场目测激光照在前方煤壁上的光斑来控制采煤机的前进方向，由于作业现场粉尘和水雾的影响，能见度很低，远距离目测很难观看到激光照在煤壁上的光斑的准确位置。连采机或快速掘进机司机通过现场观察来调节截割滚筒高低和与左右煤壁相对位置，控制巷道的宽度与高度，所以操作司机不能远离设备。只有连采机司机能够在远程操作台上清晰的观看到激光照射的光斑并准确检测连采机与巷道的相对位置、检测截割臂的角度和掏槽的深度、机身的姿态，并在远程人机界面得到实时显示，才能实现连采机远程控制系统。

清晰的视频图像监控与准确的数据监测相结合对实现连采机或快速掘进机的远程遥控非常重要，因为操作司机需要通过这二者的结合来完成现场作业。受地质赋存条件的影响，煤层会出现上下起伏变化，连采机或快速掘进机在前进的过程中要保持巷道走向沿着煤层的底部向前推进，巷道向前推进的方向要求尽量的与指定的方向一致，巷道断面的宽度和高度要求保持一致。这就需要通过通讯网络将这些检测数据与视频图像实时显示在远程的人机界面上，使操作人员远离现场，司机观测显示数据与图像通过遥控器控制设备的动作，调整设备的姿态，完成远程遥控作业。

发明内容

本发明为了解决现有连采机或快速掘进机远程遥控工作过程中存在的激光导航光斑目测无法看清、机身姿态无法观测的问题，提供一种矿用激光指向仪与视频导航靶配套装置、密闭防尘式视频水平仪观测箱、数据与图像监控主机以及通讯网络组成的图像与数据相结合的煤矿连采机远程控制系统，通过观测图像与采集传感器的数据，使操作人员能够准确掌握设备工况，通过遥控器实现对设备的远程操作作业。

本发明提出了一种视频导航靶，所述视频导航靶包括激光指向仪（2）、摄像仪（23）、防尘罩（24）、激光靶（25）；摄像仪（23）安装于防尘罩（24）内部，以保持摄像仪镜头的清洁；激光靶采用具有透光特性的材料，以便将激光指向仪（2）射出的激光线在激光靶的背面形成清晰的光斑，激光靶上要求有刻度；摄像仪正对着激光靶的背面，用于将激光靶（25）上的光斑位置与刻度的图像信息通过无线通讯发射和接收基站（10）传输到后台的操作员站（9）；采用摄像仪观测激光指向仪在激光靶上照射出的光斑，以识别设备所在的位置与目标位置的偏移情况。

根据本发明的一个方面，将摄像仪放置在防尘罩内，以保持镜头的清洁，摄像仪观测激光靶的背面，观测光斑透过激光靶后的图像信息，激光靶采用具有透光特性的材料制成，激光指向仪射出的光斑可以是点状的、一字线的或十字线的形状。

本发明还提出了一种煤矿连采机或快速掘进机，能够提供安装视频导航靶位置，用于安装上述的视频导航靶；能够提供视频导航靶工作所需的电源，视频导航靶的安装位置与矿用激光指向仪中间没有遮挡物。

根据本发明的一个方面，当煤矿连采机或快速掘进机工作时，摄像仪实时地采集视频导航靶上的图像信号，并通过无线基站将图像信号发送给操作员站，通过操作员站中的视频终端13显示出来。操作员根据显示出的视频导航靶上的信号，对煤矿连采机或快速掘进机的工作状态进行判断，并根据视频导航靶上的信号，不断控制煤矿连采机或快速掘进机的前进方向。

根据本发明的一个方面，能够提供安装视频水平仪观测箱位置，能够提供视频导航靶工作所需的电源；具有通讯接口，可以实现数据和图像的传输；具有远程控制的功能，能够接受远程控制指令，通讯中断之后具有安全停机保护的功能。

本发明还提出了一种基于图像与数据相结合的煤矿连采机控制系统，包括上述任一煤矿连采机或快速掘进机。还包括一操作员站，使得操作员可远程观测连采机或快速掘进机的图像和数据，通过操作指令实现对设备的远程控制；可以将采集到的图像信号显示在视频终端上，使操作人员在操作员站通过屏幕图像信号看清煤矿连采机或快速掘进机的姿态和激光指向仪的指示位置，并通过控制指令实现对煤矿连采机或快速掘进机的远程控制。

根据本发明的一个方面，基于图像与数据相结合的煤矿连采机控制系统中设置有一密闭防尘式视频水平仪观测箱，所述密闭防尘式视频水平仪观测箱中设置有水平仪、摄像机；摄像机镜头对着水平仪，用于观测水平仪的偏移角度，以识别设备倾斜情况；将摄像仪和水平仪放置在同一个防尘罩内，用于防止煤尘和水雾对摄像机镜面的影响。

根据本发明的一个方面，在密闭防尘式视频水平仪观测箱中设置两个水平仪垂直安装，一个与设备前后方向轴线平行，一个与设备左右方向轴线平行，分别用于观测设备的俯仰角和翻滚角。

与现有技术相比，本发明使操作员可以远程获得激光光斑位置与设备姿态清晰的图像，减少了煤尘和水雾对摄像机的影响，解决了完全依赖人工现场目测的方式，为操作员远程控制提供了条件。

附图说明

结合随后的附图，从下面的详细说明中可显而易见的得出本发明的上述及其他目的、特征及优点。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的快速掘锚机远程控制系统图；

图2示出了根据本发明实施例视频导航靶示意图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的激光靶上的光斑示意图；

图4示出了根据本发明的一个实施例的视频导航靶工作示意图；

图5示出了根据本发明的系统结构组成示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明的一个实施例，在连采机或快速掘进机身上安装视频导航靶和密闭防尘式视频水平仪观测箱，在巷道中安装矿用激光指向仪使激光线指向巷道掘进的方向，视频导航靶的激光靶面与矿用激光指向仪相对，中间不要有遮挡物，使激光光斑正好落在有刻度的激光靶的靶面上，激光靶采用半透光的材料，这样在激光靶的背面就形成激光光斑，光斑的亮度和所选材料透光性能有关，可以采用毛玻璃、薄的胶木板等，通过摄像机观测激光光斑在靶面上的位置，形成清晰的视频图像，将图像信息通过有线或无线的通讯方式传输到远端操作员观测的显示屏上，判断连采机或快速掘进机是否在规定的作业范围之内。操作员通过远程遥控器调整连采机或快速掘进机的位置使光斑一直处在激光靶的中间位置。这样就可以使掘进的巷道与激光指向仪的方向一致。同时为了适应巷道起伏变化的需要，可以采用一字线或十字线激光，使垂直方向的激光光斑一直在激光靶上，避免由于设备起伏变化，使点状激光光斑超超激光靶的上边沿或下边沿的范围，减小激光靶的设计高度。密闭防尘式视频水平仪观测箱固定在连采机或快速掘进机身上，安装底座上设有调节装置，使水平仪能够反映设备的俯仰角和翻滚角，水平仪显示的数据与设备姿态相一致。将摄像机和水平仪安装在一个密闭的箱体内，使摄像机到被观测点之间没有水雾与煤尘对摄像机成像造成影响，可以获得清晰的图像。将实时监控的清晰视频图像通过通信基站传送到操作员站的视频终端上。

本发明具体采用如下技术方案实现：一种矿用激光指向仪与视频导航靶配套装置，改变原来激光指向仪的光斑照射在煤壁上，操作司机目测煤壁上光斑的位置指导作业的方式，调整为激光指向仪的光斑照射在连采机或快速掘锚机机身上安装的视频导航靶上，通过对激光光斑的过滤，再配以适合的照度，使光斑在导航靶上的位置与亮度适合摄像机的观测，形成清晰的视频图像，将图像信息通过有线或无线的通讯方式传输到远端操作司机观测的显示屏上，通过观测显示屏的视频图像信号指导作业，所述煤矿连采机远程控制系统包括：巷道1（图1中的煤壁1/图4中的煤壁5）、矿用激光指向仪2、视频导航靶3、激光线4、煤壁截割滚筒5、快速掘锚机6、摇臂角度传感器7、掏槽深度传感器8、操作员站9、通讯基站10、电源供电模块11、密闭防尘式视频水平仪观测箱12、视频终端13、数据终端14、视频服务器15、数据采集箱16、控制箱17、交换机18、液压电动机19、截煤电动机20、摇臂角度电磁阀21、掏槽深度电磁阀22。其中视频导航靶3内部安装有摄像仪23，壳体为防尘罩24、前面安装带有刻度的激光靶25。密闭防尘式视频水平仪观测箱12和摄像仪23，通过通讯基站将摄像机拍摄的图像信号传输到操作台的视频终端，将传感器采集的数据信号传输到操作台的数据终端，将操作人员发出的远程控制指令传送到电动机和电磁阀执行机构。

当煤矿连采机或快速掘进机工作时，摄像仪实时地采集视频导航靶上的图像信号，并通过无线基站将图像信号发送给操作员站，通过操作员站中的视频终端13显示出来。操作员根据显示出的视频导航靶上的信号，对煤矿连采机或快速掘进机的工作状态进行判断，并根据视频导航靶上的信号，不断控制煤矿连采机或快速掘进机的前进方向。

本发明还提供了一种密闭防尘式视频水平仪观测箱，采用摄像机观测水平仪的偏移角度，识别设备倾斜情况。将摄像仪和水平仪放置在同一个防尘罩内，可以有效防止煤尘和水雾对摄像机镜面的影响，水平仪安装能够代表设备的倾斜变化状态，可以设置一个水平仪也可以设置两个水平仪，分别代表设备的俯仰角和翻滚角。

本发明还提供了一种矿用激光指向仪，激光线射出的光斑可以是点状的、一字线的或十字线的形状。

根据本发明的一个方面，激光指向仪的光斑可以是点状的光斑，也可以是一字线或十字线，但是激光指向仪的指向激光线必须能够准确反映巷道的掘进的方向，而且光斑能够照射在视频导航靶的激光靶上。

本发明还提供了一种连采机或快速掘进机，在所述连采机或快速掘进机上安装有如前面所述的视频导航靶、密闭防尘式视频水平仪观测箱、通讯基站与传感器，还可以接受远程操作员站的操作指令。

本发明还提供了一种操作员站，配置了无线基站、视频监控视频终端与远程遥控操作键盘。

根据本发明的一个方面，密闭防尘式视频水平仪观测箱将水平仪与摄像机安装在一个密闭的箱内，避免水雾和煤尘对摄像机镜面的影响。

本发明还提供了一种获得连采机或快速掘进机工作时与激光指向仪的激光线之间相对位置和设备姿态的方法，用于在水雾和煤尘环境中，操作员远程获得矿用激光指向仪照在连采机或快速掘进机上光斑位置的图像和连采机或快速掘进机上安装的水平仪的图像。

根据本发明的一个实施例，视频导航靶和密闭防尘式视频水平仪观测箱中设置有摄像头和无线通信基站，摄像头用于采集激光导航仪的光斑的视频图像和水平仪的视频图像，无线通信基站用于实现摄像头与操作员站之间的数据传输，视频监控装置采用高可靠性的PowePC8548型嵌入式处理器，运行Adroid操作系统，单机功耗仅8W，在操作系统中运行Flash Media Server软件，利用流媒体服务器技术对摄像头获取的视频信息进行压缩和处理，最后通过无线通信基站上传到操作员站的显示屏。操作员站也设置有相应的无线通信基站，用于与视频导航靶和密闭防尘式视频水平仪观测箱中的无线通信基站进行数据传输。

在一个具体实施例中，所述无线通信基站中设置有无线基站和视频监控视频终端，无线基站用于实现煤矿连采机或快速掘进机与操作员站之间的数据传输，视频监控视频终端用于显示摄像头上传的视频图像，视频监控视频终端通过基于Flash Media Server软件所编制的程序将获取的视频图像实时显示在屏幕上，供操作人员观测，视频监控视频终端可以采用Microsoft公司的Win7操作系统，和22寸液晶显示屏，可以由单人实现对多个摄像头监控图像的同时监控，操作员可以借助视频图像通过遥控器实现对煤矿连采机或快速掘进机远程控制作业。 

上述系统在数据处理过程中，摄像仪采集的视频图像数据通过通信基站上传至操作员站的视频终端上。远程视频监控视频终端可以直接运用Adobe公司的Flash Media Server系列产品实现视频图像的压缩和处理，不用安装专门的软件，对视频采集终端的设备性能要求低。

当视频导航靶和密闭防尘式视频水平仪观测箱中设置的摄像头对画面进行实时摄像时，通信基站将实时监控的图像信号实时的传输到操作员站的视频终端上，操作员站的通信基站将所述图像信号接收下来，并在显示屏上显示。视频导航靶、密闭防尘式视频水平仪观测箱和操作员站之间可以采用有线或无线的方式进行通信，采用无线通信时，可以采用wifi等通信协议进行远程通信。也可以采用蓝牙、WLAN等通信协议进行通信。

在一个具体实施例中，无线基站可以包括：一射频模块，用于将信道调制后的信号通过天线发射出去，或者将天线接收的信号传送给信道调制解调器；一信道调制解调器，用于完成接收信号的解调或者发送信号的调制；一信道编码/解码模块，用于对解调后的信号或者调制后的信号进行信道解码或者信道编码；一数据编码/解码模块，用于对经过信道解码或者信道编码后的数据进行数据解码或者数据编码；一微处理器控制模块，用于对信道调制解调模块、信道编码/解码模块、数据编码/解码模块、射频模块进行控制。

当射频模块接收到警报预警信息或其它消息时，首先经过信道调制解调器对接收信号进行解调，然后经过信道编码/解码模块进行信道信号解码，再经过数据编码/解码模块对传输数据解码；数据解码后的信号可以通过显示屏显示出来。信道编码/解码模块用来对线路信号进行纠错编码。信道编码/解码模块的主控芯片可以采用EPM3128A，它的RXD0和TXD0与信道调制解调模块的RS232口连接，数据总线线与数据编码/解码模块和微处理器控制模块并联，实现信道编码/解码模块与数据编码/解码模块和微处理器控制模块的数据交互。 

信道编码采用RS编码方法，本发明比较了各种RS编码方法，修正了其中的不足和错误，采用了改进的RS编解码的方法。 

对于(n，k)RS码，信息多项式为m(x)，a为一个本原元素，RS码生成多项式为： 

g(x)＝(x十a)(x+a²)(x+a³)…(x+a^2t) 

r(x)＝[x^n-k·m(x)modg(x)] 

编码后的码多项式为：

c(x)＝x^n-k·m(x)+r(x) 

数据编码/解码模块3用来对传输数据进行加密或解密，其主控芯片采用单片机SM89C52及外围电路元件构成。单片机芯片SM89C52的LINK BUS总线与信道编码/解码模块和微处理器控制模块7的LINK BUS总线并联，实现与信道编码/解码模块和微处理器控制模块的数据交互。单片机芯片SM89C52的TXD_CTR、RXD_CTR与数据话音输入/输出控制单元的单片机SM89C51的RX1、TX1连接，用于传输语音数据信号。单片机SM89C52采用信息叠加伪随机码加密和解密。

在一个具体实施例中，本发明还提供了一种操作员站，配置了无线基站、视频监控视频终端与远程遥控操作键盘。操作员站可以包括：一射频模块，用于将信道调制后的信号通过天线发射出去，或者将天线接收的信号传送给信道调制解调器；一信道调制解调器，用于完成接收信号的解调或者发送信号的调制；一信道编码/解码模块，用于对解调后的信号或者调制后的信号进行信道解码或者信道编码；一数据编码/解码模块，用于对经过信道解码或者信道编码后的数据进行数据解码或者数据编码；一微处理器控制模块，用于对信道调制解调模块、信道编码/解码模块、数据编码/解码模块、射频模块进行控制。

虽然已在具体实施方案中描述了本发明的实施方案及其各种功能组件，但是应当理解，可以用硬件、软件、固件、中间件或它们的组合来实现本发明的实施方案，并且本发明的实施方案可以用在多种系统、子系统、组件或其子组件中。本发明的每个实施例都可以与其它的实施例中的器件相互进行组合，而不是孤立的、单一的实施例，所有实施例之间都可以相互融合而形成新的实施例或者不同的解决方案。本发明虽然采用了不同的实施例来解决相应的技术问题，但是，这些不同的实施例并不是孤立的用于解决单个的技术问题，可以将这些不同的实施例组合起来共同解决矿用装置中需要克服的技术难题，可将不同实施例中的装置相互组合，以获得良好的性能，使操作人员更好的完成矿井下的各项工作。

以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。

此外，对于本领域的普通技术人员来说可显而易见的得出其他优点和修改。因此，具有更广方面的本发明并不局限于这里所示出的并且所描述的具体说明及示例性实施例。因此，在不脱离由随后权利要求及其等价体所定义的一般发明构思的精神和范围的情况下，可对其做出各种修改。

Claims (8)

1.一种视频导航靶，其特征在于：

所述视频导航靶包括摄像仪（23）、防尘罩（24）、激光靶（25）；

摄像仪（23）安装于防尘罩（24）内部，以保持摄像仪镜头的清洁；

矿用激光指向仪（2）固定在与激光靶（25）垂直的地方，用于发出激光线（4）以确定方向；

激光靶采用具有透光特性的材料，以便将激光指向仪（2）射出的激光线在激光靶的背面形成清晰的光斑，激光靶上要求有刻度；

摄像仪对着激光靶的背面，用于将激光靶（25）上的光斑位置与刻度的图像信息通过无线通讯发射和接收基站（10）传输到后台的操作员站（9）；

采用摄像仪观测激光指向仪在激光靶上照射出的光斑，以识别设备所在的位置与目标位置的偏移情况。

2.如权利要求1所述的视频导航靶，其特征在于：

将摄像仪放置在防尘罩内，以保持镜头的清洁，摄像仪观测激光靶的背面，观测光斑透过激光靶后的图像信息，激光靶采用具有透光特性的材料制成，激光指向仪射出的光斑可以是点状的、一字线的或十字线的形状。

3.一种煤矿连采机或快速掘进机，其特征在于：

能够提供安装视频导航靶的位置，安装如权利要求1或2中所述的视频导航靶；

能够提供视频导航靶工作所需的电源，视频导航靶的安装位置与矿用激光指向仪中间没有遮挡物。

4.如权利要求3所述的煤矿连采机或快速掘进机，其特征在于：

当煤矿连采机或快速掘进机工作时，摄像仪实时地采集视频导航靶上的图像信号，并通过无线基站将图像信号发送给操作员站，通过操作员站中的视频终端（13）显示出来；

操作员根据显示出的视频导航靶上的信号，对煤矿连采机或快速掘进机的工作状态进行判断，并根据视频导航靶上的信号，不断控制煤矿连采机或快速掘进机的前进方向。

5.如权利要求3所述的煤矿连采机或快速掘进机，其特征在于：

能够提供安装视频水平仪观测箱位置，能够提供视频导航靶工作所需的电源；

具有通讯接口，可以实现数据和图像的传输；

具有远程控制的功能，能够接受远程控制指令，通讯中断之后具有安全停机保护的功能。

6.一种基于图像与数据相结合的煤矿连采机控制系统，包括如权利要求3-5中任一煤矿连采机或快速掘进机，其特征在于：

还包括一操作员站，使得操作员可远程观测连采机或快速掘进机的图像和数据，通过操作指令实现对设备的远程控制；

可以将采集到的图像信号显示在视频终端上，使操作人员在操作员站通过屏幕图像信号看清煤矿连采机或快速掘进机的姿态和激光指向仪的指示位置，并通过控制指令实现对煤矿连采机或快速掘进机的远程控制。

7.如权利要求6所述的煤矿连采机控制系统，其特征在于，还包括：

一密闭防尘式视频水平仪观测箱，所述密闭防尘式视频水平仪观测箱中设置有水平仪、摄像机；

摄像机镜头对着水平仪，用于观测水平仪的偏移角度，以识别设备倾斜情况；

将摄像仪和水平仪放置在同一个防尘罩内，用于防止煤尘和水雾对摄像机镜面的影响。

8.如权利要求7所述的煤矿连采机控制系统，其特征在于：

在密闭防尘式视频水平仪观测箱中设置两个水平仪，分别用于观测设备的俯仰角和翻滚角。

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