CN108643828B - 一种高坡锚固装备智能控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种高坡锚固装备智能控制方法，包括：不同坡度时驾驶室姿态的自适应控制、基于机器视觉的自适应钻孔控制。其特点是操作平台上装有倾角传感器和陀螺仪，当锚固装备进入新的坡面时，操作平台的角度可以通过倾角传感器与陀螺仪保证驾驶室自成水平状态；而且通过视觉传感器以及激光测距传感器，运用插值填充算法、二值法算法、图像平滑算法和边缘提取算法达到自适应钻孔；本发明适用于各种坡面、工况复杂的工作环境，具有工作效率高、易操作、安全可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种山体斜坡锚固装置控制方法，特别涉及一种高坡锚固装备智能控制方法。
背景技术
在我们进行建筑施工、道路建设、地下挖掘作业过程中，经常会遇到滑坡的情况，虽然通过清除土石减小坡度能降低滑坡风险，但若遇到连续降雨、阵雨等这种极端天气，仍有很大的安全隐患，威胁人们安全，容易造成财产损失，何况有的斜坡太过巨大，植被稀少，清除土石根本无法解决问题，针对这种问题，岩土锚固技术应运而生；传统的岩土锚固技术，对于小斜坡，大多通过提升设备或搭脚手架来运输锚固钻机，这种做法虽然也能解决问题，但必须要不断改变手脚架的位置、高度或移动提升设备才能改变锚固钻机的位置，工作效率低，且搭脚手架工作任务大，成本高，对于太高太大的山坡，这种做法明显耗资巨大且不安全。如何高效、快速、安全地在高坡上进行岩土锚固施工已成为我们主要研究内容。
授权公告号为CN206280005U的专利中，提供了钻机保持垂直度的装置，通过预设垂直度限位孔来保持钻孔的垂直度，又如申请公布号为CN107724950A的专利，此专利提供了若干定位孔的钻模板，可以实现多孔钻取；但是上述专利都局限于有钻模板的情况下进行施工，不能适应于大范围的钻孔要求，而且只用于平地上钻孔，难以适应高坡等多种工况，在施工过程需要通过人工安装，缺少了施工的钻孔定位的精确性，施工效率不高。
申请公布号为CN104775837A的专利中，公开了一种铁路隧道锚杆台车，可实现隧道锚杆施工的机械化，提高施工的质量以及效率；但是在坡上施工时，操作平台不能保持水平，使得操作员的操作视野受阻，影响施工的安全，以及施工的质量。
发明内容
针对现今高坡岩土锚固技术存在的施工困难、效率低下、操作繁杂、机动性差、成本高的问题，本发明提供了一种操作容易、自动化程度及施工效率高、安全性能好的高坡锚固装备智能控制方法。
本方法适用于一种高坡岩土锚固用可调式锚杆钻机装备，包括行走履带(1)、倾角传感器(2)、视觉传感器(3)、调节油缸(4)、滑动导轨(5)、吊耳(6)、操作平台(7)、动臂(8)、动臂油缸(9)、钻臂(10)、钻臂油缸(11)、钻头套管(12)、钻机导轨(13)、锚杆钻机(14)、卷扬机(15)、钢丝绳(16)、拉力传感器(17)；所述滑动导轨(5)上方安装有操作平台(7)，操作平台(7)可以沿着滑动导轨(5)前后移动，操作人员可以根据施工情况及时调整操作平台(7)和锚杆钻机(14)的姿态；所述操作平台(7)安装有倾角传感器(2)和陀螺仪，可以及时感知操作平台(7)的姿态，结合PID控制系统，可以通过调节油缸(4)来迅速调整操作平台(7)的姿态，使操作平台(7)始终保持水平；锚杆钻机(14)可以沿着钻机导轨(13)移动，其尾部安装有视觉传感器(3)和激光测距仪，前端安装有钻头套管(12)；钻孔时，锚杆钻机(14)可以根据嵌入式控制器所规划的钻孔参数，进行自适应钻孔，提高了设备的自动化和精确性，并通过视觉传感器(3)传输施工画面至操作平台(7)，有利于操作人员及时掌握施工状态信息，提高设备安全性；
一种操作平台(7)姿态自控制的方法为，在操作平台(7)下方中心安装一个陀螺仪，与倾角传感器(2)组成驾驶室倾角测量模块，通过两传感器采集倾角数据，利用低通滤波器去除倾角传感器短时快速变化的信号，保留长时性缓慢信号，利用高通滤波器去除陀螺仪零点漂移特性所导致的长时间测量误差，并将均经过互补滤波优化后的驾驶室倾角θk和倾斜速度ωk作为测量变量通过卡尔曼滤波器得到修正后的驾驶室倾角θs，实现倾角传感器与陀螺仪的互相配合对驾驶室倾角信息的准确测量，并采用PID算法控制调节油缸(4)的伸缩以实现姿态的自动控制；
操作平台(7)姿态自控制的方法基于卡尔曼滤波器技术建立系统状态方程和测量方程，对于驾驶室倾角，其状态方程由下列方程给出：
其中θk+1，θk为倾角，ωk为倾斜速度，bk为陀螺仪的零漂，T为采样时间；Wb，Wθ为过程高斯白噪声；选择xk+1＝[θk，bk]T作为系统状态变量，将ωk视为控制输入，可以将倾角方程写为：
上述方程中Wk＝[Wb，Wθ]T，利用输出信号的测量值和系统模型方程，实时获得系统状态变量和输出信号的最优值，从而得到优化后的驾驶室倾角θs。设定阈值倾角为α°，设定T为测量周期，将优化后的驾驶室倾角θs作为误差数据与设定阈值倾角进行比对，进行PID条件判断(图中定义顺时针方向为正向)，从而控制调节油缸(4)的运动状态，若|θs|≤α°，则调节油缸(4)保持现状，若θs＞0且|θs|＞α°，则调节油缸(4)行程缩短，若在θs＜0且|θs|＞α°，则调节油缸(4)行程伸长，在调节油缸(4)执行过程中，卡尔曼滤波器根据测量周期T、互补滤波优化后的驾驶室倾角θk和倾斜速度ωk计算优化后的驾驶室倾角θs，并对PID条件判断|θs|参数进行实时更新，直到驾驶室相对于水平面倾角未超过α°，此时调节油缸(4)保持现状且测量周期恢复为设定值T，重复上述过程以实现操作平台的姿态自适应控制。
一种利用视觉传感器自动钻孔的方法为，通过视觉传感器与图像信息采集卡，获得混凝土梁网的图像，把图像传送到工控机上后，经过插值填充算法，二值法算法，图像平滑算法，对图像进行优化处理，再运用边缘提取算法获得精确的混凝土梁网轮廓；再通过比例尺的比对，计算出混凝土梁网的尺寸；根据用户钻孔数量的要求，工控机会对混凝土梁网的尺寸均分，得到钻孔的位置和钻孔中心点O；动臂(8)和钻臂(10)运动到钻孔中心点O，利用3个激光测距传感器测量并计算O处的单位法向量en，再判断O处的单位法向量en与锚杆钻机轴线的夹角Φ；若夹角Φ在允许的偏差范围内，则锁定锚杆钻机(14)进行钻孔；若夹角Φ不在允许的偏差范围内，则工控机调整动臂油缸(9)、钻臂油缸(11)；保证钻孔的质量。
本发明的优点在于：
与现有的发明相比，本发明通过调节油缸调整操作平台的角度，结合倾角传感器与陀螺仪，可以实现操作平台姿态的自适应调整，以保证在不同角度坡面进行作业时，都可自动将驾驶室调节至水平位置，方便工作人员操控机器，通过视觉传感器和激光测距传感器，结合插值填充算法、二值法算法、图像平滑算法、边缘提取算法，可以实现自动钻孔，适用于各种高坡锚固的工作环境，实用性强，提高了工作效率；
附图说明
图1为本发明的控制流程图。
图2为本发明装备的侧视图。
图3为本发明装备的斜视图。
图4为本发明装备的正视图。
图5为实施方案孔洞定位图。
图中：1-行走履带(1)、2-倾角传感器(2)、3-视觉传感器(3)、4-调节油缸(4)、5-滑动导轨(5)、6-吊耳(6)、7-操作平台(7)、8-动臂(8)、9-动臂油缸(9)、10-钻臂(10)、11-钻臂油缸(11)、12-钻头套管(12)、13-钻机导轨(13)、14-锚杆钻机(14)、15-卷扬机(15)、16-钢丝绳(16)、17-拉力传感器(17)。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图2和图3所示，一种高坡岩土锚固用可调式锚杆钻机装备，包括行走履带(1)、倾角传感器(2)、视觉传感器(3)、调节油缸(4)、滑动导轨(5)、吊耳(6)、操作平台(7)、动臂(8)、动臂油缸(9)、钻臂(10)、钻臂油缸(11)、钻头套管(12)、钻机导轨(13)、锚杆钻机(14)、卷扬机(15)、钢丝绳(16)、拉力传感器(17)；所述滑动导轨(5)上方安装有操作平台(7)，操作平台(7)可以沿着滑动导轨(5)前后移动，操作人员可以根据施工情况及时调整操作平台(7)和锚杆钻机(14)的姿态；所述操作平台(7)安装有倾角传感器(2)和陀螺仪，可以及时感知操作平台(7)的姿态，结合PID控制系统，可以通过调节油缸(4)来迅速调整操作平台(7)的姿态，使操作平台(7)始终保持水平；锚杆钻机(14)可以沿着钻机导轨(13)移动，其尾部安装有视觉传感器(3)和激光测距仪，前端安装有钻头套管(12)；钻孔时，锚杆钻机(14)可以根据嵌入式控制器所规划的钻孔参数，进行自适应钻孔，提高了设备的自动化和精确性，并通过视觉传感器(3)传输施工画面至操作平台(7)，有利于操作人员及时掌握施工状态信息，提高设备安全性；
一种操作平台(7)姿态自控制的方法为，在操作平台(7)下方中心安装一个陀螺仪，与倾角传感器(2)组成驾驶室倾角测量模块，通过两传感器采集倾角数据，利用低通滤波器去除倾角传感器短时快速变化的信号，保留长时性缓慢信号，利用高通滤波器去除陀螺仪零点漂移特性所导致的长时间测量误差，并将均经过互补滤波优化后的驾驶室倾角θk和倾斜速度ωk作为测量变量通过卡尔曼滤波器得到修正后的驾驶室倾角θs，实现倾角传感器与陀螺仪的互相配合对驾驶室倾角信息的准确测量，并采用PID算法控制调节油缸(4)的伸缩以实现姿态的自动控制；设定阈值倾角为5°，设定12秒为测量周期，将驾驶室倾角θs作为误差数据，与设定阈值倾角α进行比对，从而控制调节油缸(4)的运动状态，若|θs|≤5°，则调节油缸(4)保持现状，若θs＞0且|θs|＞5°，则调节油缸(4)行程缩短，若θs＜0且|θs|＞5°，则调节油缸(4)行程伸长，在调节油缸(4)执行过程中，卡尔曼滤波器根据测量周期T、均经过互补滤波优化后的驾驶室倾角θk和倾斜速度ωk计算优化后的驾驶室倾角θs，并对PID条件判断|θs|参数进行实时更新，直到驾驶室相对于水平面倾角未超过α°，此时调节油缸(4)保持现状且测量周期恢复为设定值T，重复上述过程以实现操作平台(7)的姿态自适应控制。
操作平台在第一个测量周期调整操作平台平衡后，通过视觉传感器与图像信息采集卡，获得混凝土梁网的图像，把图像传送到工控机上后，经过插值填充算法，二值法算法，图像平滑算法，对图像进行优化处理，再运用边缘提取算法获得精确的混凝土梁网轮廓；再通过比例尺的比对，计算出混凝土梁网的尺寸为1600mm*900mm；根据用户钻孔数量的要求，需要打5个孔；工控机会对混凝土梁网的尺寸均分为各相隔100mm的5个孔洞定位(如图5所示)，得到钻孔的位置和钻孔中心点O；动臂(8)和钻臂(10)运动到钻孔中心点O，利用3个激光测距传感器测量并计算O处的单位法向量en，再判断O处的单位法向量en与锚杆钻机(14)轴线的夹角；若检测获得的夹角在允许的偏差范围-5°＜Φ＜5°内，则锁定锚杆钻机(14)进行钻孔；若夹角Φ不在允许的偏差范围内，则工控机调整动臂油缸(9)、钻臂油缸(11)，保证钻孔的质量。
Claims (3)
1.一种高坡锚固装备智能控制方法，该方法的适用装备为，一种高坡岩土锚固用可调式锚杆钻机装备，包括行走履带(1)、倾角传感器(2)、视觉传感器(3)、调节油缸(4)、滑动导轨(5)、吊耳(6)、操作平台(7)、动臂(8)、动臂油缸(9)、钻臂(10)、钻臂油缸(11)、钻头套管(12)、钻机导轨(13)、锚杆钻机(14)、卷扬机(15)、钢丝绳(16)，其中，操作平台(7)安装有倾角传感器(2)和陀螺仪，可以及时感知操作平台(7)的姿态，结合PID控制系统，可以通过调节油缸(4)迅速调整操作平台(7)的姿态，使操作平台(7)始终保持水平，锚杆钻机(14)尾部装有视觉传感器(3)和激光测距仪，使锚杆钻机实现精确钻孔；该方法的特征在于，通过对陀螺仪信号和倾角传感器信号进行互补滤波，以获得驾驶室倾角信息的准确采集，利用该倾角并使用PID控制实现操作平台(7)的姿态自动控制；通过视觉传感器与图像信息采集卡获得混凝土梁网的图像，经过插值填充算法、二值法算法、图像平滑算法对图像进行优化处理，运用边缘提取算法获得精确的混凝土梁网轮廓，再配合激光测距传感器的测量，实现自动钻孔。
2.根据权利要求1所述的一种高坡锚固装备智能控制方法，其特征在于，所述的操作平台(7)姿态自动控制的方法为：在操作平台(7)下方安装一个陀螺仪，与倾角传感器(2)组成驾驶室倾角测量模块，通过两传感器采集倾角数据，利用低通滤波器去除倾角传感器短时快速变化的信号，保留长时性缓慢信号，利用高通滤波器去除陀螺仪零点漂移特性所导致的长时间测量误差，并将均经过互补滤波优化后的驾驶室倾角θk和倾斜速度ωk作为测量变量通过卡尔曼滤波器得到修正后的驾驶室倾角θs，实现倾角传感器与陀螺仪的互相配合对驾驶室倾角信息的准确测量，并采用PID算法控制调节油缸(4)的伸缩以实现姿态的自动控制；其中PID算法进行条件判断的具体过程为，将驾驶室倾角θs作为误差数据，与设定阈值倾角α°进行比对，从而控制调节油缸(4)的运动状态，若|θs|≤α°，则调节油缸(4)保持现状，若θs>0且|θs|>α°,则调节油缸(4)行程缩短，若在θs<0且|θs|>α°,则调节油缸(4)行程伸长，在调节油缸(4)执行过程中，卡尔曼滤波器根据测量周期T、均经过互补滤波优化后的驾驶室倾角θk和倾斜速度ωk，计算优化后的驾驶室倾角θs，并对PID条件判断|θs|参数进行实时更新，直到驾驶室相对于水平面倾角未超过α°，此时调节油缸(4)保持现状且测量周期恢复为设定值T，重复上述过程以实现操作平台(7)的姿态自适应控制。
3.根据权利要求1所述的一种高坡锚固装备智能控制方法，其特征在于，所述的自动钻孔的方法为：通过视觉传感器与图像信息采集卡，获得混凝土梁网的图像，把图像传送到工控机后，经过插值填充算法，二值法算法，图像平滑算法，对图像进行优化处理，再运用边缘提取算法获得精确的混凝土梁网轮廓；再通过比例尺的比对，计算出混凝土梁网的尺寸；根据用户钻孔数量的要求，工控机对混凝土梁网的尺寸均分，得到钻孔的位置和钻孔中心点O；动臂(8)和钻臂(10)运动到钻孔中心点O，利用3个激光测距传感器测量并计算O处的单位法向量en，再判断O处的单位法向量en与锚杆钻机(14)轴线的夹角Φ；若夹角Φ在允许的偏差范围内，则锁定锚杆钻机(14)进行钻孔；若夹角Φ不在允许的偏差范围内，则工控机调整动臂油缸(9)、钻臂油缸(11)；保证钻孔的质量。
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