CN106761738A - 基于机器视觉可自动规划截割路径的悬臂式掘进机及方法 - Google Patents
基于机器视觉可自动规划截割路径的悬臂式掘进机及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于机器视觉可自动规划截割路径的悬臂式掘进机及方法，包括悬臂式掘进机主体和基于机器视觉的控制系统。所述的基于机器视觉的控制系统包括PLC控制系统、嵌入式微处理器系统和机器视觉相机模块，整体通过隔振器安装在掘进机行走部上方的支承板上。所述的机器视觉相机模块获取巷道断面图像，由嵌入式微处理器系统进行图像处理，获取巷道断面夹矸等信息，根据巷道断面信息规划好截割路径，由PLC系统根据规划好的截割路径对掘进机进行控制，避开夹矸等进行截割操作。本发明能够大大提高悬臂式掘进机的智能化，具有生产效率高，生产成本低，灵活性高，工人劳动强度低，截齿、截割电机等部件使用寿命长等优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种掘进机及掘进方法，尤其是一种基于机器视觉的可自动规划截割路径的悬臂式掘进机及方法，属于自动化掘进装备技术领域。
背景技术
掘进机是用于开凿平直地下巷道的机器，分为开敞式掘进机和护盾式掘进机，通常包括行走机构、工作机构、装运机构和转载机构，随着行走机构向前推进，工作机构中的切割头不断破碎岩石，并将碎岩运走，特别是悬臂式掘进机，它集截割、装运、行走、操作等功能于一体，主要用于截割任意形状断面的井下岩石、煤或半煤岩巷道。
目前，为了解决我国掘进工作面生产效率低、危险程度高、工作环境差、工人劳动强度大和巷道成形质量差等问题，自动化、智能化掘进装备正在快速发展，一些掘进机定位定姿技术、巷道断面自动成形技术以及其他自动控制技术不断研究完善。但是，当巷道断面中含有夹矸等较硬岩石时，悬臂式掘进机在截割它们时不但效率极低、能耗增大，而且截齿掉落严重、甚至发生掘进机故障等情况，需要新的技术手段使掘进机实时识别夹矸等较硬岩石，并避开它们进行截割。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种结构紧凑、成本较低、能够自动检测巷道断面中的夹矸信息，并控制掘进机避开夹矸进行截割操作的基于机器视觉可自动规划截割路径的悬臂式掘进机及方法。
技术方案：本发明的基于机器视觉可自动规划截割路径的悬臂式掘进机，包括悬臂式掘进机主体，所述的悬臂式掘进机主体上设有基于机器视觉的控制系统，基于机器视觉的控制系统通过隔振器安装在悬臂式掘进机主体上的支承板上；
所述的基于机器视觉控制系统包括PLC控制系统、嵌入式微处理器系统和机器视觉相机模块，所述PLC控制系统与嵌入式微处理器系统都以集成柜的形式安装，所述机器视觉相机模块通过防尘箱固定安装在集成柜上；机器视觉相机模块由嵌入式微处理器系统控制，并对机器视觉相机模块所获图像进行处理，以此获取巷道断面煤层夹矸信息，并根据巷道断面信息规划好截割路径，嵌入式微处理器系统将规划好的截割路径信息传递给PLC控制系统，由的PLC控制系统根据截割路径控制悬臂式掘进机的液压部件，避开夹矸进行截割操作。
所述的机器视觉相机模块包括防尘箱、防尘箱开关门、开关门拉紧弹簧、相机安装板轨道、工业相机、探照灯、相机安装板、电机安装板、步进电机、凸轮、楔块；所述的工业相机安装在相机安装板的上方前端；所述的探照灯安装在相机安装板的下方前端；所述的相机安装板安装在相机安装板轨道内，并与凸轮贴合，由凸轮驱动可在轨道内前后滑动；所述的相机安装板轨道焊接在防尘箱的内部，左右各一；所述的凸轮由步进电机驱动，步进电机安装在防尘箱内部的电机安装板上；所述的防尘箱开关门铰接在防尘箱的一侧，左右各一，开关门上焊有楔块，楔块与相机安装板配合，作用为防止工业相机接触防尘箱开关门；所述的开关门拉紧弹簧一端连接防尘箱开关门，另一端连接防尘箱内壁。
所述的凸轮外缘轮廓为双同心圆弧形，即凸轮外缘由一大一小两段圆弧以及两段过渡圆弧组成，使相机安装板能够在最高处停留，这样，即使步进电机存在角度偏差，也能保证相机每次工作时位置固定。
根据上述述掘进机的基于机器视觉可自动规划截割路径的悬臂式掘进方法，其特征在于包括如下步骤：
a.悬臂式掘进机主体完成一次断面截割后，收起悬臂式掘进机主体的后支撑装置、抬起前铲板然后向前行走一段距离准备下一次断面截割；
b.将悬臂式掘进机主体的后支撑装置、前铲板放下，为了防止掘进机截割部挡到巷道断面，将掘进机截割部摆到不影响机器视觉相机模块中工业相机工作的另一侧最下方；
c.机器视觉相机模块不工作时，由开关门拉紧弹簧提供拉紧力使防尘箱封闭；开始工作后，由PLC控制系统控制步进电机旋转180°并向嵌入式微处理器系统发出工作信号，此时，步进电机驱动凸轮旋转180°，相机安装板向前移动，克服开关门拉紧弹簧的拉力，通过楔块将防尘箱开关门打开，嵌入式微处理器系统控制工业相机和探照灯进行工作，获取一次巷道断面图像，获取图像后，由嵌入式微处理器系统向PLC控制系统发出结束信号，PLC控制系统控制步进电机旋转180°，防尘箱开关门在开关门拉紧弹簧的作用下，克服相机安装板在轨道中的摩擦力，通过楔块将相机安装板压回防尘箱，再次封闭防尘箱，即完成了巷道断面图像获取阶段；
d.嵌入式微处理器系统将获取的巷道断面图像进行处理，并根据图像处理结果规划截割路径，并将规划好的截割路径发送给PLC控制系统，然后由PLC控制系统根据规划好的截割路径控制掘进机截割部工作，即可进行下一次断面截割；
e.重复步骤a、b、c和d多次，直至完成整个掘进工作面。
有益效果：由于采用上述技术方法，本发明通过机器视觉相机模块获取巷道断面图像，由嵌入式微处理器系统进行图像处理，获取巷道断面夹矸等信息，根据巷道断面信息规划好截割路径，并由PLC系统根据规划好的截割路径对悬臂式掘进机进行控制，能够实时检测巷道断面的情况，根据检测结果规划截割路径，避开夹矸等硬岩进行截割操作，能够进一步提高悬臂式掘进机的智能化，减小截割能耗，提高工作效率，提高截割头、截割电机等部件的寿命，降低掘进机的故障率。具有结构紧凑，操作方便，生产成本低，灵活性高，工人劳动强度低，使用寿命长。
附图说明
图1是本发明机器视觉相机模块工作状态时的整机三维结构示图；
图2是本发明机器视觉相机模块工作状态时的基于机器视觉的控制系统三维结构示图；
图3是本发明机器视觉相机模块工作状态时的三维结构示图；
图4是本发明机器视觉相机模块防尘箱的三维结构示图；
图5是本发明机器视觉相机模块传动装置的三维结构示图；
图6是本发明基于机器视觉的控制系统的结构框图；
图7是本发明基于机器视觉的控制系统控制流程图。
图中：1、基于机器视觉的控制系统，1-1、PLC控制系统，1-2、嵌入式微处理器系统，1-3、机器视觉相机模块，1-4、隔振器，1-3-1、防尘箱，1-3-2、防尘箱开关门，1-3-3、开关门拉紧弹簧，1-3-4、相机安装板轨道，1-3-5、工业相机，1-3-6、探照灯，1-3-7、相机安装板，1-3-8、电机安装板，1-3-9、步进电机，1-3-10、凸轮，1-3-11、楔块，2、悬臂式掘进机主体，2-1、掘进机截割部，2-2、支承板。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的说明：
如图1、图2所示，本发明的基于机器视觉可自动规划截割路径的悬臂式掘进机，包括悬臂式掘进机主体2，所述的悬臂式掘进机主体2上设有基于机器视觉的控制系统1，基于机器视觉的控制系统1通过隔振器1-4安装在悬臂式掘进机主体2上的支承板2-2上；
所述的基于机器视觉的控制系统1包括PLC控制系统1-1、嵌入式微处理器系统1-2和机器视觉相机模块1-3，所述PLC控制系统1-1与嵌入式微处理器系统1-2都以集成柜的形式安装，所述机器视觉相机模块1-3通过防尘箱1-3-1固定安装在集成柜1-1上；机器视觉相机模块1-3由嵌入式微处理器系统1-2控制，并对机器视觉相机模块1-3所获图像进行处理，以此获取巷道断面煤层夹矸信息，并根据巷道断面信息规划好截割路径，嵌入式微处理器系统1-2将规划好的截割路径信息传递给PLC控制系统1-1由的PLC控制系统(1-1根据截割路径控制悬臂式掘进机的液压部件，避开夹矸进行截割操作。
如图3、图4、图5所示，所述的机器视觉相机模块1-3包括防尘箱1-3-1、防尘箱开关门1-3-2、开关门拉紧弹簧1-3-3、相机安装板轨1-3-4、工业相机1-3-5、探照灯1-3-6、相机安装板1-3-7、电机安装板1-3-8、步进电机1-3-9、凸轮1-3-10、楔块1-3-11；所述的工业相机1-3-5安装在相机安装板1-3-7的上方前端；所述的探照灯1-3-6安装在相机安装板1-3-7的下方前端；所述的相机安装板1-3-7安装在相机安装板轨道1-3-4内，并与凸轮1-3-10贴合，由凸轮驱动可在轨道内前后滑动；所述的相机安装板轨道1-3-4焊接在防尘箱1-3-1的内部，左右各一；所述的凸轮1-3-10由步进电机1-3-9驱动，步进电机安装在防尘箱1-3-1内部的电机安装板1-3-8上；所述的防尘箱开关门1-3-2铰接在防尘箱1-3-1的一侧，左右各一，开关门上焊有楔块1-3-11，楔块与相机安装板1-3-7配合，作用为防止工业相机1-3-5接触防尘箱开关门1-3-2；所述的开关门拉紧弹簧1-3-3一端连接防尘箱开关门1-3-2，另一端连接防尘箱1-3-1内壁。作用为拉紧防尘箱开关门1-3-2，使机器视觉相机模块1-3在不工作时保持密闭，并在相机模块工作后、凸轮1-3-10的回程中利用楔块1-3-11将相机安装板1-3-7压回防尘箱。
所述的凸轮1-3-10外缘轮廓为双同心圆弧形，即凸轮外缘由一大一小两段圆弧以及两段过渡圆弧组成，使相机安装板(1-3-7)能够在最高处停留，这样，即使步进电机(1-3-9)存在角度偏差，也能保证相机每次工作时位置固定。
如图6、图7所示，基于机器视觉的控制系统主要包括PLC控制系统和嵌入式微处理器系统，PLC系统与嵌入式微处理器系统可以双向通信，前者控制步进电机和各路液压原件，后者控制工业相机、探照灯，并负责图像处理。基于机器视觉的控制系统工作流程为：当悬臂式掘进机完成一次断面截割后，首先收起后支撑装置、抬起前铲板，然后向前行走一段距离，准备下一次断面截割，这一段时间需要截割头喷雾降尘。进入下一次断面截割，将后支撑装置、前铲板放下，为了防止掘进机截割部挡到巷道断面，影响工业相机工作，首先将掘进机截割部摆到另一侧的最下方，然后基于机器视觉的控制系统开始工作，PLC控制系统控制步进电机旋转180°并向嵌入式微处理器系统发出工作信号，此时，步进电机驱动凸轮旋转180°，嵌入式微处理器系统控制工业相机和探照灯进行工作，获取巷道断面图像，并向PLC控制系统发出结束信号，由PLC控制系统控制步进电机旋转180°，再次封闭防尘箱。嵌入式微处理器系统向PLC控制系统发出结束信号后，对获取的图像进行图像预处理、图像分割、特征提取等操作，然后根据图像处理结果规划截割路径，并将规划好的截割路径发送给PLC控制系统，PLC控制系统根据截割路径控制各路液压原件进行断面截割，即可再完成一次断面截割。
本发明的基于机器视觉可自动规划截割路径的悬臂式掘进方法，具体步骤如下：
a.悬臂式掘进机主体2完成一次断面截割后，收起悬臂式掘进机主体2的后支撑装置、抬起前铲板然后向前行走一段距离准备下一次断面截割；
b.将悬臂式掘进机主体2的后支撑装置、前铲板放下，为了防止掘进机截割部2-1挡到巷道断面，将掘进机截割部2-1摆到不影响机器视觉相机模块1-3中工业相机1-3-5工作的另一侧最下方；
c.机器视觉相机模块1-3不工作时，由开关门拉紧弹簧1-3-3提供拉紧力使防尘箱1-3-1封闭；开始工作后，由PLC控制系统1-1控制步进电机1-3-9旋转180°并向嵌入式微处理器系统1-2发出工作信号，此时，步进电机1-3-9驱动凸轮1-3-10旋转180°，相机安装板1-3-7向前移动，克服开关门拉紧弹簧1-3-3的拉力，通过楔块1-3-11将防尘箱开关门1-3-2打开，嵌入式微处理器系统1-2控制工业相机1-3-5和探照灯1-3-6进行工作，获取一次巷道断面图像，获取图像后，由嵌入式微处理器系统1-2向PLC控制系统1-1发出结束信号，PLC控制系统1-1控制步进电机1-3-9旋转180°，防尘箱开关门1-3-2在开关门拉紧弹簧1-3-3的作用下，克服相机安装板1-3-7在轨道中的摩擦力，通过楔块1-3-11将相机安装板1-3-7压回防尘箱1-3-1，再次封闭防尘箱1-3-1，即完成了巷道断面图像获取阶段；
d.嵌入式微处理器系统1-2将获取的巷道断面图像进行处理，并根据图像处理结果规划截割路径，并将规划好的截割路径发送给PLC控制系统1-1，然后由PLC控制系统1-1根据规划好的截割路径控制掘进机截割部2-1工作，即可进行下一次断面截割；
e.重复步骤a、b、c和d多次，直至完成整个掘进工作面。
工作原理：在巷道断面截割过程中，若断面中存在夹矸等硬度较高的岩石时，先截割硬度较低的煤，避开夹矸，当煤截割完毕后，夹矸就会裸露出来，而且会产生裂纹，在重力的作用下脱落，即使没有自动脱落，使用掘进机截割部也能对其轻松截割，提高效率，减小截齿磨损。使用机器视觉技术，提取巷道断面图像中的色彩、灰度、纹理、形状等特征，能够做到对巷道断面中煤与夹矸的识别，本发明的工业相机大部分时间都在防尘箱内，在其工作的一小段时间里，巷道灰尘程度较小，工业相机镜头不会被污染，而且在其工作时也能获得较清晰的图像。图像处理计算量大，使用计算能力较强的嵌入式微处理器系统；对液压原件的控制需要可靠性高，使用可靠性较高的PLC系统，PLC系统含有对嵌入式微处理器系统的处理结果进行评判的功能，当判别嵌入式微处理器系统的处理结果不符合实际时，需要向嵌入式微处理器系统发送错误信号，使其重新工作，保证整个系统的可靠性。
Claims (4)
1.一种基于机器视觉可自动规划截割路径的悬臂式掘进机，包括悬臂式掘进机主体（2），其特征在于：所述的悬臂式掘进机主体（2）上设有基于机器视觉的控制系统（1），基于机器视觉的控制系统（1）通过隔振器（1-4）安装在悬臂式掘进机主体（2）上的支承板（2-2）上；
所述的基于机器视觉的控制系统（1）包括PLC控制系统（1-1）、嵌入式微处理器系统（1-2）和机器视觉相机模块（1-3），所述PLC控制系统（1-1）与嵌入式微处理器系统（1-2）都以集成柜的形式安装，所述机器视觉相机模块（1-3）通过防尘箱（1-3-1）固定安装在集成柜（1-1）上；机器视觉相机模块（1-3）由嵌入式微处理器系统（1-2）控制，并对机器视觉相机模块（1-3）所获图像进行处理，以此获取巷道断面煤层夹矸信息，并根据巷道断面信息规划好截割路径，嵌入式微处理器系统（1-2）将规划好的截割路径信息传递给PLC控制系统（1-1），由的PLC控制系统（1-1）根据截割路径控制悬臂式掘进机的液压部件，避开夹矸进行截割操作。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉可自动规划截割路径的悬臂式掘进机，其特征在于：所述的机器视觉相机模块（1-3）包括防尘箱（1-3-1）、防尘箱开关门（1-3-2）、开关门拉紧弹簧（1-3-3）、相机安装板轨道（1-3-4）、工业相机（1-3-5）、探照灯（1-3-6）、相机安装板（1-3-7）、电机安装板（1-3-8）、步进电机（1-3-9）、凸轮（1-3-10）、楔块（1-3-11）；所述的工业相机（1-3-5）安装在相机安装板（1-3-7）的上方前端；所述的探照灯（1-3-6）安装在相机安装板（1-3-7）的下方前端；所述的相机安装板（1-3-7）安装在相机安装板轨道（1-3-4）内，并与凸轮（1-3-10）贴合，由凸轮驱动可在轨道内前后滑动；所述的相机安装板轨道（1-3-4）焊接在防尘箱（1-3-1）的内部，左右各一；所述的凸轮（1-3-10）由步进电机（1-3-9）驱动，步进电机安装在防尘箱（1-3-1）内部的电机安装板（1-3-8）上；所述的防尘箱开关门（1-3-2）铰接在防尘箱（1-3-1）的一侧，左右各一，开关门上焊有楔块（1-3-11），楔块与相机安装板（1-3-7）配合，作用为防止工业相机（1-3-5）接触防尘箱开关门（1-3-2）；所述的开关门拉紧弹簧（1-3-3）一端连接防尘箱开关门（1-3-2），另一端连接防尘箱（1-3-1）内壁。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉可自动规划截割路径的悬臂式掘进机，其特征在于，所述的凸轮（1-3-10）外缘轮廓为双同心圆弧形，即凸轮外缘由一大一小两段圆弧以及两段过渡圆弧组成，使相机安装板（1-3-7）能够在最高处停留，这样，即使步进电机（1-3-9）存在角度偏差，也能保证相机每次工作时位置固定。
4.根据权利要求1、2或3所述掘进机的基于机器视觉可自动规划截割路径的悬臂式掘进方法，其特征在于包括如下步骤：
a.悬臂式掘进机主体（2）完成一次断面截割后，收起悬臂式掘进机主体（2）的后支撑装置、抬起前铲板然后向前行走一段距离准备下一次断面截割；
b.将悬臂式掘进机主体（2）的后支撑装置、前铲板放下，为了防止掘进机截割部（2-1）挡到巷道断面，将掘进机截割部（2-1）摆到不影响机器视觉相机模块（1-3）中工业相机（1-3-5）工作的另一侧最下方；
c.机器视觉相机模块（1-3）不工作时，由开关门拉紧弹簧（1-3-3）提供拉紧力使防尘箱（1-3-1）封闭；开始工作后，由PLC控制系统（1-1）控制步进电机（1-3-9）旋转180°并向嵌入式微处理器系统（1-2）发出工作信号，此时，步进电机（1-3-9）驱动凸轮（1-3-10）旋转180°，相机安装板（1-3-7）向前移动，克服开关门拉紧弹簧（1-3-3）的拉力，通过楔块（1-3-11）将防尘箱开关门（1-3-2）打开，嵌入式微处理器系统（1-2）控制工业相机（1-3-5）和探照灯（1-3-6）进行工作，获取一次巷道断面图像，获取图像后，由嵌入式微处理器系统（1-2）向PLC控制系统（1-1）发出结束信号，PLC控制系统（1-1）控制步进电机（1-3-9）旋转180°，防尘箱开关门（1-3-2）在开关门拉紧弹簧（1-3-3）的作用下，克服相机安装板（1-3-7）在轨道中的摩擦力，通过楔块（1-3-11）将相机安装板（1-3-7）压回防尘箱（1-3-1），再次封闭防尘箱（1-3-1），即完成了巷道断面图像获取阶段；
d.嵌入式微处理器系统（1-2）将获取的巷道断面图像进行处理，并根据图像处理结果规划截割路径，并将规划好的截割路径发送给PLC控制系统（1-1），然后由PLC控制系统（1-1）根据规划好的截割路径控制掘进机截割部（2-1）工作，即可进行下一次断面截割；
e.重复步骤a、b、c和d多次，直至完成整个掘进工作面。
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