CN110700828A - 一种基于激光扫描仪的掘进机自动控制装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于激光扫描仪的掘进机自动控制装置及其控制方法，属于掘进机自动控制技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种基于激光扫描仪的掘进机自动控制装置硬件结构及其控制方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：包括设置在掘进车体上的激光扫描仪、遥控接收器、车载控制器、倾角传感器和数据通信模块；所述掘进车体中各油缸的内部还设置有位移传感器；所述掘进车体的前后端还设置有监控摄像头；所述掘进车体内部的液压管路上还设置有液压电磁阀；所述车载控制器的内部还设置有控制继电器；所述掘进车体的机械臂上的还设置有工况监测传感器；本发明安装应用于掘进机。
Description
技术领域
本发明一种基于激光扫描仪的掘进机自动控制装置及其控制方法，属于掘进机自动控制技术领域。
背景技术
掘进机是一种在煤炭生产领域广泛采用的采掘设备，悬臂式掘进机的技术改进对于发展综合机械化掘进系统、提高掘进效率、保障矿井安全生产以及降低工人劳动强度具有重要意义，目前使用的掘进机存在以下问题：
一、掘进面工作环境恶劣，用工人数多，劳动强度大，工作效率低，安全隐患多；
二、掘进机司机培训难度大、周期长，且由于工作环境恶劣，招工困难；
三、对掘进机的控制依赖于工人的现场作业，不能实现远程遥控作业，因而难以实现掘进综掘工作面的少人化和无人化，特别是掘进高突（瓦斯突出、水突出等）工作面时存在严重的安全隐患，发生事故后往往造成重大经济及人员损失；
四、对掘进机操作的自动化水平较低，在工作时要求掘进机司机手动操作并凭感觉定位和定向，导致截割断面超挖和欠挖现象严重，使挖出的截割形状质量较差；
五、受煤岩硬度、钻入深度、切削厚度等截割参数的影响，人工控制截割臂摆速难以合理地调整截割臂摆速，摆速低时会导致截割效率低下，而摆速过高时如遇上夹矸会导致截齿和摆动油缸损坏，降低截割电机的使用寿命；
六、掘进机没有自身定位和自动定向功能，在掘进时唯一的坐标参考点是激光指向仪打在前方煤壁上的光点，可能导致掘进角度出现较大误差，且在掘进角度出现偏离时没有有效的预警及自行修复机制。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于激光扫描仪的掘进机自动控制装置硬件结构及其控制方法的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于激光扫描仪的掘进机自动控制装置，包括设置在掘进车体上的激光扫描仪、遥控接收器、车载控制器、倾角传感器和数据通信模块；
所述掘进车体中各油缸的内部还设置有位移传感器；
所述掘进车体的前后端还设置有监控摄像头；
所述掘进车体内部的液压管路上还设置有液压电磁阀；
所述车载控制器的内部还设置有控制继电器；
所述掘进车体的机械臂上的还设置有工况监测传感器；
所述车载控制器通过导线分别与激光扫描仪、遥控接收器、位移传感器、倾角传感器、监控摄像头、数据通信模块、液压电磁阀、控制继电器、工况监测传感器相连；
所述数据通信模块通过现场通信总线或无线网络与网络交换机相连，所述网络交换机通过通信总线与远程遥控平台相连，所述远程遥控平台中设置有多台监控计算机；
所述掘进车体所在的巷道中还设置有多个无线基站和一个遥控发送器，所述多个无线基站通过无线网络将数据通信模块与网络交换机进行无线连接；
所述遥控发送器与遥控接收器无线连接。
所述数据通信模块通过CAN或者RS-485现场通信总线与网络交换机相连。
所述遥控接收器和遥控发送器之间设置433MHz或者WIFI通信网络进行连接。
所述远程遥控平台上设置有电控手柄、拨动开关、旋钮和急停开关。
一种基于激光扫描仪的掘进机自动控制方法，包括如下步骤：
步骤一：将掘进车体设置在待掘进坑道中，在掘进车体机身上安装激光扫描仪并开机，此时激光扫描仪将向巷道周围发射测距激光线束；
步骤二：控制掘进车体进行掘进工作，在掘进过程中，所述激光扫描仪通过向四周发射和接收测距激光，获取当前掘进车体所处巷道位置轮廓的点云位置数据，并将获取到的巷道轮廓的点云位置数据发送至车载控制器分析处理，进行坐标数据的换算和特征提取，得到巷道轮廓点云坐标数据；
步骤三：所述车载控制器由直线拟合数据处理得出掘进机当前与巷道两边的距离数据，并基于所拟合出的巷道两边的距离数据，计算定位出巷道断面的中心线，建立掘进机的掘进角度坐标，计算得出掘进机当前掘进的水平角、掘进机机身航向角偏移量、巷道中心线偏移量；
步骤四：通过设置在掘进车体上的倾角传感器获取掘进机当前机身的俯仰角，翻滚角数据；
步骤五：基于得到的掘进机机身航向角偏移量、俯仰角、翻滚角和巷道中心线偏移量，将上述数据反馈回车载控制器，由车载控制器判断当前掘进角度是否出现偏差；
如存在掘进角度偏移，则车载控制器通过对偏移量进行校正，计算得出掘进角度控制油缸，得到位移传感器的补偿值，车载控制器将补偿信号发送至液压电磁阀，由液压电磁阀控制油缸动作，使掘进车体的截割头控制油缸向正确的方向掘进；
步骤六：在掘进过程中，车载控制器不断比对掘进机机身航向角偏移量、俯仰角、翻滚角和巷道中心线偏移量数据，控制掘进机截割头自动完成整个循环的掘进工作。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的掘进机自动控制装置可以实现本地控制、视距无线遥控和远程有线遥控，安装使用灵活，整个掘进装置以激光扫描仪为位姿测量和校正核心，基于激光测距功能获取掘进机位姿监测数据，对掘进角度和掘进巷道断面尺寸进行实时检测与校正，有效提高掘进效率与质量；本发明提供的掘进装置具备定位导航、纠偏、工作参数监控、状态监测与故障预判、远程干预等功能，实现掘进机的高精度定向、位姿调整、自适应截割及掘进环境可视化功能，具备广阔的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明控制装置的电路结构示意图；
图4是本发明激光扫描定位方法流程图；
图中：1为掘进车体、2为激光扫描仪、3为遥控接收器、4为车载控制器、5为位移传感器、6为倾角传感器、7为监控摄像头、8为数据通信模块、9为液压电磁阀、10为控制继电器、11为工况监测传感器、12为无线基站、13为远程遥控平台、14为监控计算机、15为遥控发送器、16为网络交换机。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明一种基于激光扫描仪的掘进机自动控制装置，包括设置在掘进车体（1）上的激光扫描仪（2）、遥控接收器（3）、车载控制器（4）、倾角传感器（6）和数据通信模块（8）；
所述掘进车体（1）中各油缸的内部还设置有位移传感器（5）；
所述掘进车体（1）的前后端还设置有监控摄像头（7）；
所述掘进车体（1）内部的液压管路上还设置有液压电磁阀（9）；
所述车载控制器（4）的内部还设置有控制继电器（10）；
所述掘进车体（1）的机械臂上的还设置有工况监测传感器（11）；
所述车载控制器（4）通过导线分别与激光扫描仪（2）、遥控接收器（3）、位移传感器（5）、倾角传感器（6）、监控摄像头（7）、数据通信模块（8）、液压电磁阀（9）、控制继电器（10）、工况监测传感器（11）相连；
所述数据通信模块（8）通过现场通信总线或无线网络与网络交换机（16）相连，所述网络交换机（16）通过通信总线与远程遥控平台（13）相连，所述远程遥控平台（13）中设置有多台监控计算机（14）；
所述掘进车体（1）所在的巷道中还设置有多个无线基站（12）和一个遥控发送器（15），所述多个无线基站（12）通过无线网络将数据通信模块（8）与网络交换机（16）进行无线连接；
所述遥控发送器（15）与遥控接收器（3）无线连接。
所述数据通信模块（8）通过CAN或者RS-485现场通信总线与网络交换机（16）相连。
所述遥控接收器（3）和遥控发送器（15）之间设置433MHz或者WIFI通信网络进行连接。
所述远程遥控平台（13）上设置有电控手柄、拨动开关、旋钮和急停开关。
一种基于激光扫描仪的掘进机自动控制方法，包括如下步骤：
步骤一：将掘进车体（1）设置在待掘进坑道中，在掘进车体（1）机身上安装激光扫描仪（2）并开机，此时激光扫描仪（2）将向巷道周围发射测距激光线束；
步骤二：控制掘进车体（1）进行掘进工作，在掘进过程中，所述激光扫描仪（2）通过向四周发射和接收测距激光，获取当前掘进车体（1）所处巷道位置轮廓的点云位置数据，并将获取到的巷道轮廓的点云位置数据发送至车载控制器（4）分析处理，进行坐标数据的换算和特征提取，得到巷道轮廓点云坐标数据；
步骤三：所述车载控制器（4）由直线拟合数据处理得出掘进机当前与巷道两边的距离数据，并基于所拟合出的巷道两边的距离数据，计算定位出巷道断面的中心线，建立掘进机的掘进角度坐标，计算得出掘进机当前掘进的水平角、掘进机机身航向角偏移量、巷道中心线偏移量；
步骤四：通过设置在掘进车体（1）上的倾角传感器获取掘进机当前机身的俯仰角，翻滚角数据；
步骤五：基于得到的掘进机机身航向角偏移量、俯仰角、翻滚角和巷道中心线偏移量，将上述数据反馈回车载控制器（4），由车载控制器（4）判断当前掘进角度是否出现偏差；
如存在掘进角度偏移，则车载控制器（4）通过对偏移量进行校正，计算得出掘进角度控制油缸，得到位移传感器（5）的补偿值，车载控制器（4）将补偿信号发送至液压电磁阀（9），由液压电磁阀（9）控制油缸动作，使掘进车体（1）的截割头控制油缸向正确的方向掘进；
步骤六：在掘进过程中，车载控制器（4）不断比对掘进机机身航向角偏移量、俯仰角、翻滚角和巷道中心线偏移量数据，控制掘进机截割头自动完成整个循环的掘进工作。
本发明涉及一种以激光扫描仪（又称激光雷达）为核心的掘进机自动控制装置及其方法，适用于具有掘进机位姿定位要求的自动化掘进场所；本发明主要由激光扫描仪、车载遥控接收器、车载控制器、位移传感器、倾角传感器、监控摄像头、网络交换机、液压电磁阀、控制继电器、工况监测传感器、无线基站、远程遥控单元、遥控发送器等模块单元组成，以激光扫描仪为位姿检测核心，还包括油缸位移传感器、倾角传感器，可以实现对掘进机位置和姿态的监测以及补偿。
掘进机机体上设置有车载控制子系统，该子系统主要包括：
车载供电单元：由隔爆兼本安型电源给所需要的传感器、激光扫描仪、车载控制器、车载遥控接收器、视频摄像头等模块进行供电；
位姿检测单元：以激光扫描仪为核心设备，结合掘进车体悬臂中设置的油缸位移传感器、倾角传感器实现对掘进机位姿参数（水平偏角、水平偏距、俯仰角、横滚角、车前距）的自动检测；
工况监测传感器单元：主要包括电压、电流、压力、液位、温度等传感器，可以对掘进机工作状态进行监测；
车载控制器：用于采集相应传感器数据，实现掘进机核心自适应截割、摆速自适应、位姿自动补偿等数据分析和处理；
监控摄像头：主要包括矿用高清网络监控摄像头，其获取掘进机现场工作的视频图像，并将图像通过网络传输给远程监控平台；
液压系统单元：主要包括负载敏感型比例电磁阀，可实现本地手动控制和远程电控功能。
在车载控制子系统各设备之间设置CAN或者RS-485总线通信用于车载控制器和遥控接收器之间的通信；网络摄像头和网络交换机之间通过以太网络实现通信；
在掘进机自动控制装置中，当需要进行设备维修或某些特殊情况下，掘进机操作司机可以携带遥控发送器，近距离视距遥控掘进机。遥控发送器配置有遥控控制手柄、拨动开关、LED指示灯、按键、急停开关等，实现对掘进机的各种控制和工作参数设置。
在掘进机自动控制装置中，车载遥控接收器和遥控发送器之间设置433MHz或者WIFI通信网络的通信网络；车载控制器和远程遥控平台之间可以通过网络交换机连接WIFI网线基站实现无线网络通信（如图1所示），或者两者之间直接通过两个网络交换机连接，利用有线局域网实现网络通信（如图2所示）；
为提高现场作业效率，掘进机自动控制装置中在远程遥控控制台上设置有监控计算机，所述监控计算机、远程遥控平台根据需要设置在掘进机机体后方一定距离位置，所述远程遥控平台上设置有电控手柄，拨动开关、旋钮和急停开关，用于控制掘进机的各种功能，所述远程遥控控制台上设置有现场计算机，该计算机用于显示掘进机现场视频图像以及掘进机工作参数、掘进机位姿和掘进机截割头坐标。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种基于激光扫描仪的掘进机自动控制装置，其特征在于：包括设置在掘进车体（1）上的激光扫描仪（2）、遥控接收器（3）、车载控制器（4）、倾角传感器（6）和数据通信模块（8）；
所述掘进车体（1）中各油缸的内部还设置有位移传感器（5）；
所述掘进车体（1）的前后端还设置有监控摄像头（7）；
所述掘进车体（1）内部的液压管路上还设置有液压电磁阀（9）；
所述车载控制器（4）的内部还设置有控制继电器（10）；
所述掘进车体（1）的机械臂上的还设置有工况监测传感器（11）；
所述车载控制器（4）通过导线分别与激光扫描仪（2）、遥控接收器（3）、位移传感器（5）、倾角传感器（6）、监控摄像头（7）、数据通信模块（8）、液压电磁阀（9）、控制继电器（10）、工况监测传感器（11）相连；
所述数据通信模块（8）通过现场通信总线或无线网络与网络交换机（16）相连，所述网络交换机（16）通过通信总线与远程遥控平台（13）相连，所述远程遥控平台（13）中设置有多台监控计算机（14）；
所述掘进车体（1）所在的巷道中还设置有多个无线基站（12）和一个遥控发送器（15），所述多个无线基站（12）通过无线网络将数据通信模块（8）与网络交换机（16）进行无线连接；
所述遥控发送器（15）与遥控接收器（3）无线连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的掘进机自动控制装置，其特征在于：所述数据通信模块（8）通过CAN或者RS-485现场通信总线与网络交换机（16）相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的掘进机自动控制装置，其特征在于：所述遥控接收器（3）和遥控发送器（15）之间设置433MHz或者WIFI通信网络进行连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的掘进机自动控制装置，其特征在于：所述远程遥控平台（13）上设置有电控手柄、拨动开关、旋钮和急停开关。
5.一种基于激光扫描仪的掘进机自动控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：将掘进车体（1）设置在待掘进坑道中，在掘进车体（1）机身上安装激光扫描仪（2）并开机，此时激光扫描仪（2）将向巷道周围发射测距激光线束；
步骤二：控制掘进车体（1）进行掘进工作，在掘进过程中，所述激光扫描仪（2）通过向四周发射和接收测距激光，获取当前掘进车体（1）所处巷道位置轮廓的点云位置数据，并将获取到的巷道轮廓的点云位置数据发送至车载控制器（4）分析处理，进行坐标数据的换算和特征提取，得到巷道轮廓点云坐标数据；
步骤三：所述车载控制器（4）由直线拟合数据处理得出掘进机当前与巷道两边的距离数据，并基于所拟合出的巷道两边的距离数据，计算定位出巷道断面的中心线，建立掘进机的掘进角度坐标，计算得出掘进机当前掘进的水平角、掘进机机身航向角偏移量、巷道中心线偏移量；
步骤四：通过设置在掘进车体（1）上的倾角传感器获取掘进机当前机身的俯仰角，翻滚角数据；
步骤五：基于得到的掘进机机身航向角偏移量、俯仰角、翻滚角和巷道中心线偏移量，将上述数据反馈回车载控制器（4），由车载控制器（4）判断当前掘进角度是否出现偏差；
如存在掘进角度偏移，则车载控制器（4）通过对偏移量进行校正，计算得出掘进角度控制油缸，得到位移传感器（5）的补偿值，车载控制器（4）将补偿信号发送至液压电磁阀（9），由液压电磁阀（9）控制油缸动作，使掘进车体（1）的截割头控制油缸向正确的方向掘进；
步骤六：在掘进过程中，车载控制器（4）不断比对掘进机机身航向角偏移量、俯仰角、翻滚角和巷道中心线偏移量数据，控制掘进机截割头自动完成整个循环的掘进工作。
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