CN107120116B - 一种基于图像识别的采煤机滚筒自动调高装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像识别的采煤机滚筒自动调高装置，包括摄像模块、图像识别处理模块、采煤机摇臂调高模块、摄像监控模块、滚筒轨迹跟踪传感器模块；其中，所述摄像模块用于拍摄采煤工作面煤岩图像并将其输入至图像识别处理模块和摄像监控模块；所述图像识别处理模块用于对采煤工作面煤岩图像分界线进行识别，并将识别结果输入至采煤机摇臂调高模块中；所述采煤机摇臂调高模块用于对采煤机滚筒自动调高进行控制；所述摄像监控模块用于监测采煤机滚筒在整个采煤工作面截割时是否与岩层发生接触；所述滚筒轨迹跟踪传感器模块用于对采煤机摇臂进行路径检测计算，以及对比与采集到的图像中煤岩界面的拟合程度；本发明具有采煤率高，可靠性强的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种采煤机滚筒自动调高装置及方法，具体是通过图像识别的方法对煤岩界面进行识别并输出识别信号控制采煤机滚筒自动调高，属于自动化开采装备技术领域。
背景技术
我国是煤矿的开采与消费大国，滚筒式采煤机作为主要的开采装备，在煤矿开采中起到至关重要的作用。而煤矿由于其工况环境恶劣及采煤机的可靠性自动化水平低下，煤炭生产仍属于高危行业。因此急需提高综采工作面的自动化水平，实现“机械化换人，自动化减人”，改善采煤工人劳动条件，降低劳动强度。对于综采工作面自动化而言，煤岩识别控制采煤机滚筒自动调高技术是关键技术之一，目前，煤岩识别的主要方法有自然γ射线探测法、雷达探测法、多传感器融合法等。在井下的复杂环境中，很多方法都存在一定的局限性，或者识别精度达不到要求，无法为采煤机的自动控制提供条件，或者易受外界环境干扰，并且通用性不强，不能够很好地适用于无人化综采工作面，加快自动化采掘设备的发展。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于图像识别的采煤机滚筒自动调高装置及方法，能够很好地对采煤工作面煤岩界面进行识别，识别精度高，摇臂调节灵敏度高，可靠性高且抗干扰能力强，能够自动避开采煤工作面上的夹矸、岩体，为采煤机自动化控制提供了条件。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于图像识别的采煤机滚筒自动调高装置，包括摄像模块、图像识别处理模块、采煤机摇臂调高模块、摄像监控模块、滚筒轨迹跟踪传感器模块；其中，
所述摄像模块用于拍摄采煤工作面煤岩图像并将其输入至图像识别处理模块和摄像监控模块；
所述图像识别处理模块用于对摄像模块拍摄到的采煤工作面煤岩图像进行图像去噪、纹理提取、边缘检测操作，建立煤岩图像坐标系，根据煤岩图像坐标系对采煤工作面煤岩图像进行界面轨迹优化，通过优化后的界面轨迹获取滚筒待移动坐标；并将获取的滚筒待移动坐标输出给采煤机摇臂调高模块，将优化后的界面轨迹输送给滚筒轨迹跟踪传感器模块；
所述采煤机摇臂调高模块用于将滚筒待移动坐标输出至采煤机摇臂调高模块中的PLC控制系统，PLC控制系统根据滚筒待移动坐标运算得到油缸的推进量/退回量，将油缸的推进量 /退回量输入至调高油缸中，通过调高油缸控制摇臂摆动，使得摇臂上的滚筒在采煤工作面上下自动调高，直至调到滚筒待移动坐标上；
所述摄像监控模块用于根据采煤工作面煤岩图像监测滚筒在截割时是否截割到岩石；
所述滚筒轨迹跟踪传感器模块用于对采煤机摇臂进行路径检测计算，并将得到的路径与实际采煤工作面图像中的煤岩界面进行对比，确定其拟合程度。
优选的：所述摄像模块包括CCD高清摄像机、防尘玻璃箱、LED照明灯；所述防尘玻璃箱设置于采煤机主体上，用于防止灰尘污染CCD高清摄像机的镜头；所述LED照明灯设置于防尘玻璃箱上，用于给CCD高清摄像机提供照明；所述CCD高清摄像机设置于防尘玻璃箱内，用于拍摄采煤工作面煤岩图像。
优选的：所述的采煤机摇臂调高模块包括PLC控制系统和调高油缸，PLC控制系统与计算机终端相连接，一个调高油缸固定在采煤机主体的一端，另一个调高油缸固定在采煤机主体的另一端，用于推动摇臂摆动，从而使摇臂上的滚筒在采煤工作面上下自动调高。
优选的：所述图像识别处理模块、摄像监控模块在计算机终端完成并显示。
优选的：所述滚筒轨迹跟踪传感器模块安装在采煤机摇臂上，所述滚筒轨迹跟踪传感器模块包括位置坐标传感器，所述位置坐标传感器用于对采煤机摇臂移动位置的记录，所述滚筒轨迹跟踪传感器模块根据记录的采煤机摇臂移动位置进行路径检测计算。
优选的：所述的图像识别处理模块通过matlab软件的图像处理功能实现对拍摄到的采煤工作面煤岩图像进行图像去噪、纹理提取、边缘检测操作，去噪主要利用空域滤波技术：利用滤波器去除图像中噪声，主要运用IPT函数ordfilt2函数生成滤波器；纹理提取主要通过纹理的均值、方差、均匀性描述符进行提取，分析每个像素下的纹理特征；边缘检测主要运用 IPT函数edge进行边缘检测，用于检测煤岩界面。
优选的：所述PLC控制系统通过滚筒调高量与调高油缸推进量的换算公式，计算出油缸推进量/退回量。
优选的：采煤机主体两端均设有摇臂、滚筒，调高油缸固定在采煤机主体上，所述调高油缸与摇臂的一端相接触，所述摇臂的一端与所述采煤机主体通过轴承连接，所述摇臂的另一端与滚筒连接。
优选的：所述的滚筒轨迹跟踪传感器模块包括光电式坐标传感器。
一种基于图像识别的采煤机滚筒自动调高装置的自动调高方法，包括以下步骤：
(a)通过摄像模块拍摄采煤工作面煤岩图像，并将其输入至图像识别处理模块和摄像监控模块；
(b)通过图像识别处理模块对步骤(a)拍摄到的采煤工作面煤岩图像进行图像去噪、纹理提取、边缘检测操作，建立煤岩图像坐标系；
(c)根据步骤(b)得到的煤岩图像坐标系对采煤工作面煤岩图像进行界面轨迹优化，通过优化后的界面轨迹获取滚筒待移动坐标；并将获取的滚筒待移动坐标输出给采煤机摇臂调高模块，将优化后的界面轨迹输送给滚筒轨迹跟踪传感器模块；
(d)通过采煤机摇臂调高模块将步骤(c)中的滚筒待移动坐标输出至采煤机摇臂调高模块中的PLC控制系统，PLC控制系统根据滚筒待移动坐标运算得到油缸的推进量/退回量，将油缸的推进量/退回量输入至调高油缸中，通过调高油缸控制摇臂摆动，使得摇臂上的滚筒在采煤工作面上下自动调高，直至调到滚筒待移动坐标上；
(e)通过摄像监控模块对步骤(c)得到的滚筒在实际采煤工作面上的行走路径进行监测，根据步骤(a)拍摄到的采煤工作面煤岩图像监测滚筒在截割时是否截割到岩石，若截割到岩石，人工干预进行手动调高。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1.利用PLC控制系统对滚筒实现自动调高控制，调高油缸响应快速；
2.通过调高油缸控制采煤机摇臂及滚筒，高清摄像机放置于采煤机主体上，能够很好的远程监测滚筒截割情况，以便滚筒在截割至岩石时工作人员能及时做出反应；
3.位置坐标传感器可以将滚筒截割路径与采煤工作面中的煤岩界面进行对比，查看其拟合程度，便于下一阶段的改进；
4.本装置由于采用了图像识别处理模块和摄像监控模块，能够很好的完成煤岩识别工作并控制滚筒自动调高，受外界环境干扰小，检测精度高，可靠性强，为采掘机械智能化奠定了一定基础。
5.本发明能够大大提高采煤机的智能化，利用图像识别的方法，识别采煤工作面的煤岩界面精度高，思路更贴近于人眼识别，具有采煤率高，可靠性强，工人劳动强度低的特点，通过高清摄像机远程监测滚筒截割情况，滚筒截齿、截割电机等部件使用寿命长。
附图说明
图1是本发明摄像监测模块工作状态时采煤机的整机三维结构示图；
图2是本发明的摄像监测模块组成图；
图3是本发明的采煤机摇臂调高模块的工作流程图；
图4是本发明基于图像识别的采煤机滚筒自动调高装置的工作流程图；
图中：1、采煤机主体，2、摇臂，3、滚筒，4、摄像模块，4-1、CCD高清摄像头、 4-2、防尘玻璃箱，4-3、LED照明灯。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示为一种基于图像识别的采煤机滚筒自动调高装置，包括摄像模块4、图像识别处理模块、采煤机摇臂调高模块、摄像监控模块、滚筒轨迹跟踪传感器模块；其中，
所述摄像模块4用于拍摄采煤工作面煤岩图像并将其输入至图像识别处理模块和摄像监控模块；
所述图像识别处理模块用于对摄像模块4拍摄到的采煤工作面煤岩图像进行识别，并将识别出的结果输入至采煤机摇臂调高模块中；
所述图像识别处理模块用于对摄像模块4拍摄到的采煤工作面煤岩图像通过matlab软件的图像处理工具箱中的函数，主要进行图像去噪、纹理提取、边缘检测等操作。其中图像去噪、纹理提取、边缘检测操作中，去噪主要利用空域滤波技术：利用滤波器去除图像中噪声，主要运用IPT函数ordfilt2函数生成滤波器；纹理提取主要通过纹理的均值、方差、均匀性等描述符进行提取，分析每个像素下的纹理特征；边缘检测主要运用IPT函数edge进行边缘检测，用于检测煤岩界面；建立煤岩图像坐标系，根据煤岩图像坐标系对采煤工作面煤岩图像的煤岩界面进行界面轨迹优化，即将检测识别到的连续界线，按等距离提取若干点，使用样条差值法得到滚筒截割轨迹曲线，并给出相邻点的竖直和水平位移，以便于后续控制；二维坐标变换后得到大地坐标系下的煤岩界面轨迹，通过提取点后的煤岩界面轨迹获取滚筒待移动坐标，并将获取的滚筒待移动坐标输出给采煤机摇臂调高模块，将提取点后的煤岩界面轨迹输送给滚筒轨迹跟踪传感器模块。
如图3所示，所述采煤机摇臂调高模块用于将滚筒待移动坐标输出至采煤机摇臂调高模块中的PLC控制系统，PLC控制系统根据滚筒待移动坐标运算得到油缸的推进量/退回量，将油缸的推进量/退回量输入至调高油缸中，通过调高油缸控制摇臂2摆动，使得摇臂2上的滚筒3在采煤工作面上下自动调高，直至调到滚筒待移动坐标上，以避免截割岩层造成截齿损伤或温度过高引发危险。
所述PLC控制系统通过滚筒调高量与调高油缸推进量的换算公式，计算出油缸推进量/ 退回量；换算公式为
其中，H为采煤机滚筒高度，即滚筒回转中心到滑靴所在水平面的垂直距离；h为采煤机机身高度，即机身与摇臂铰接点到滑靴所在水平面的垂直距离；a为短摇臂长度，即短摇臂与机身铰接点到短摇臂与调高油缸缸体铰接点的距离；b为摇臂长度，即摇臂与机身铰接点到滚筒回转中心的距离；c为摇臂与机身铰接点到调高油缸活塞与机身铰接点的距离；θ为短摇臂与摇臂的夹角；l为调高油缸收缩到最短的长度；x为调高油缸活塞的位移量；l+x为调高油缸两端铰接点的距离。
所述摄像监控模块用于监测到整个采煤工作面的工况，并根据采煤工作面煤岩图像监测滚筒在截割时是否与岩层发生接触，主要是在监控滚筒截割过程中截齿是否割到岩石，若割到岩石则进行人工干预进行调低滚筒，防止滚筒截割至岩层部分，避免滚筒受过大截割阻力而损坏。
所述滚筒轨迹跟踪传感器模块用于对采煤机摇臂进行路径检测计算，并将得到的路径与实际采煤工作面图像中的煤岩界面进行对比，确定其拟合程度，验证该发明装置的可靠性与精准度，并为下一步改进采煤工作面工作环境奠定基础。所述的滚筒轨迹跟踪传感器模块体积小，可靠性高，工作电源电压范围宽，接口电路的复杂程度大幅度减少，可直接与TTL， LSTTL和CMOS电路芯片连接，对滚筒3的调高行进轨迹进行检测。
如图2所示，所述摄像模块包括CCD高清摄像机4-1、防尘玻璃箱4-2、LED照明灯4-3，其中，CCD高清摄像机4-1包括机身和基座，LED照明灯4-3包括灯座和灯泡；所述防尘玻璃箱4-2设置于采煤机主体1机身上，用于防止灰尘污染CCD高清摄像机4-1的镜头；所述 LED照明灯4-3设置于防尘玻璃箱4-2上，用于给CCD高清摄像机4-1提供照明；灯泡设置于防尘玻璃箱4-2竖直一面的外侧，灯座固定安装于防尘玻璃箱4-2的上表面上；所述CCD 高清摄像机4-1的机身设置于基座上，基座固定于防尘玻璃箱4-2内的下表面上，用于拍摄采煤工作面煤岩图像；所述CCD高清摄像机4-1与计算机终端相连接。
所述的采煤机摇臂调高模块包括PLC控制系统和调高油缸，PLC控制系统与计算机终端相连接，一个调高油缸固定在采煤机主体1的一端，另一个调高油缸固定在采煤机主体1的另一端，用于推动摇臂2摆动，从而使摇臂2上的滚筒3在采煤工作面上下自动调高；采煤机主体两端均设有摇臂2、滚筒3，所述调高油缸与摇臂2的一端相接触，所述摇臂2的一端与所述采煤机主体1通过轴承连接，所述摇臂2的另一端与滚筒3连接。
所述图像识别处理模块、摄像监控模块在计算机终端完成并显示。
所述滚筒轨迹跟踪传感器模块安装在采煤机摇臂上，所述滚筒轨迹跟踪传感器模块包括位置坐标传感器，具体是包括光电式坐标传感器；所述位置坐标传感器用于对采煤机摇臂2 移动位置的记录，所述滚筒轨迹跟踪传感器模块根据记录的采煤机摇臂2移动位置进行路径检测计算。
如图4所示，一种基于图像识别的采煤机滚筒自动调高装置的自动调高方法，包括以下步骤：
a.通过摄像模块4拍摄采煤工作面煤岩图像，并将其输入至图像识别处理模块和摄像监控模块；
b.通过图像识别处理模块对步骤a拍摄到的采煤工作面煤岩图像进行图像去噪、纹理提取、边缘检测操作，建立煤岩图像坐标系；
c.根据步骤b得到的煤岩图像坐标系对采煤工作面煤岩图像进行界面轨迹优化，通过优化后的界面轨迹获取滚筒待移动坐标；并将获取的滚筒待移动坐标输出给采煤机摇臂调高模块，将优化后的界面轨迹输送给滚筒轨迹跟踪传感器模块；
d.通过采煤机摇臂调高模块将步骤c中的滚筒待移动坐标输出至采煤机摇臂调高模块中的 PLC控制系统，PLC控制系统根据滚筒待移动坐标运算得到油缸的推进量/退回量，将油缸的推进量/退回量输入至调高油缸中，通过调高油缸控制摇臂2摆动，使得摇臂2上的滚筒3在采煤工作面上下自动调高，直至调到滚筒待移动坐标上；
e.通过摄像监控模块对步骤c得到的滚筒3在实际采煤工作面上的行走路径进行监测，根据步骤a拍摄到的采煤工作面煤岩图像监测滚筒在截割时是否与岩层发生接触，防止滚筒3截割到岩层，若截割到岩石，人工干预进行手动调高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于图像识别的采煤机滚筒自动调高装置的自动调高方法，其特征在于：包括摄像模块(4)、图像识别处理模块、采煤机摇臂调高模块、摄像监控模块、滚筒轨迹跟踪传感器模块；其中，
所述摄像模块(4)用于拍摄采煤工作面煤岩图像并将其输入至图像识别处理模块和摄像监控模块；
所述图像识别处理模块用于对摄像模块(4)拍摄到的采煤工作面煤岩图像进行图像去噪、纹理提取、边缘检测操作，建立煤岩图像坐标系，根据煤岩图像坐标系对采煤工作面煤岩图像进行界面轨迹优化，通过优化后的界面轨迹获取滚筒待移动坐标；并将获取的滚筒待移动坐标输出给采煤机摇臂调高模块，将优化后的界面轨迹输送给滚筒轨迹跟踪传感器模块；
所述的图像识别处理模块通过matlab软件的图像处理功能实现对拍摄到的采煤工作面煤岩图像进行图像去噪、纹理提取、边缘检测操作，去噪主要利用空域滤波技术：利用滤波器去除图像中噪声，主要运用IPT函数ordfilt2函数生成滤波器；纹理提取主要通过纹理的均值、方差、均匀性描述符进行提取，分析每个像素下的纹理特征；边缘检测主要运用IPT函数edge进行边缘检测，用于检测煤岩界面，将检测识别到的连续界线，按等距离提取若干点，使用样条差值法得到滚筒截割轨迹曲线，并给出相邻点的竖直和水平位移，以便于后续控制；二维坐标变换后得到大地坐标系下的煤岩界面轨迹，通过提取点后的煤岩界面轨迹获取滚筒待移动坐标；
所述采煤机摇臂调高模块用于将滚筒待移动坐标输出至采煤机摇臂调高模块中的PLC控制系统，PLC控制系统根据滚筒待移动坐标运算得到油缸的推进量/退回量，将油缸的推进量/退回量输入至调高油缸中，通过调高油缸控制摇臂(2)摆动，使得摇臂(2)上的滚筒(3)在采煤工作面上下自动调高，直至调到滚筒待移动坐标上；
所述的采煤机摇臂调高模块包括PLC控制系统和调高油缸，PLC控制系统与计算机终端相连接，一个调高油缸固定在采煤机主体(1)的一端，另一个调高油缸固定在采煤机主体(1)的另一端，用于推动摇臂(2)摆动，从而使摇臂(2)上的滚筒(3)在采煤工作面上下自动调高；
采煤机主体两端均设有摇臂(2)、滚筒(3)，调高油缸固定在采煤机主体(1)上，所述调高油缸与摇臂(2)的一端相接触，所述摇臂(2)的一端与所述采煤机主体(1)通过轴承连接，所述摇臂(2)的另一端与滚筒(3)连接；
所述摄像监控模块用于根据采煤工作面煤岩图像监测滚筒在截割时是否截割到岩石；
所述摄像模块包括CCD高清摄像机(4-1)、防尘玻璃箱(4-2)、LED照明灯(4-3)；
所述防尘玻璃箱(4-2)设置于采煤机主体(1)上，用于防止灰尘污染CCD高清摄像机(4-1)的镜头；所述LED照明灯(4-3)设置于防尘玻璃箱(4-2)上，用于给CCD高清摄像机(4-1)提供照明；所述CCD高清摄像机(4-1)设置于防尘玻璃箱(4-2)内，用于拍摄采煤工作面煤岩图像；
所述滚筒轨迹跟踪传感器模块用于对采煤机摇臂进行路径检测计算，并将得到的路径与实际采煤工作面图像中的煤岩界面进行对比，确定其拟合程度；
所述滚筒轨迹跟踪传感器模块安装在采煤机摇臂上，所述滚筒轨迹跟踪传感器模块包括位置坐标传感器，所述位置坐标传感器用于对采煤机摇臂(2)移动位置的记录，所述滚筒轨迹跟踪传感器模块根据记录的采煤机摇臂(2)移动位置进行路径检测计算；
包括以下步骤：
(a)通过摄像模块(4)拍摄采煤工作面煤岩图像，并将其输入至图像识别处理模块和摄像监控模块；
(b)通过图像识别处理模块对步骤(a)拍摄到的采煤工作面煤岩图像进行图像去噪、纹理提取、边缘检测操作，建立煤岩图像坐标系；
(c)根据步骤(b)得到的煤岩图像坐标系对采煤工作面煤岩图像进行界面轨迹优化，通过优化后的界面轨迹获取滚筒待移动坐标；并将获取的滚筒待移动坐标输出给采煤机摇臂调高模块，将优化后的界面轨迹输送给滚筒轨迹跟踪传感器模块；
(d)通过采煤机摇臂调高模块将步骤(c)中的滚筒待移动坐标输出至采煤机摇臂调高模块中的PLC控制系统，PLC控制系统根据滚筒待移动坐标运算得到油缸的推进量/退回量，将油缸的推进量/退回量输入至调高油缸中，通过调高油缸控制摇臂(2)摆动，使得摇臂(2)上的滚筒(3)在采煤工作面上下自动调高，直至调到滚筒待移动坐标上；
(e)通过摄像监控模块对步骤(c)得到的滚筒(3)在实际采煤工作面上的行走路径进行监测，根据步骤(a)拍摄到的采煤工作面煤岩图像监测滚筒在截割时是否截割到岩石，若截割到岩石，人工干预进行手动调高。
2.根据权利要求1所述的基于图像识别的采煤机滚筒自动调高装置的自动调高方法，其特征在于：所述图像识别处理模块、摄像监控模块在计算机终端完成并显示。
3.根据权利要求1所述的基于图像识别的采煤机滚筒自动调高装置的自动调高方法，其特征在于：所述PLC控制系统通过滚筒调高量与调高油缸推进量的换算公式，计算出油缸推进量/退回量。
4.根据权利要求1所述的基于图像识别的采煤机滚筒自动调高装置的自动调高方法，其特征在于：所述的滚筒轨迹跟踪传感器模块包括光电式坐标传感器。
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