CN112878981B - 一种凿岩台车的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凿岩台车的控制系统及控制方法，系统包括中央控制模块，以及一一对应分别设置于各凿岩台车的本机控制系统，中央控制模块包括控制中心模块，各本机控制系统分别均包括工作单元、凿岩台车主控制器，工作单元包括监探单元、钻孔单元、用于获取凿岩台车前方的掌子面信息的布孔单元，并计算打孔位置及打孔顺序生成打孔控制指令，各凿岩台车主控制器分别与其对应的监探单元、布孔单元、钻孔单元通信连接，凿岩台车主控制器生成钻臂控制指令，根据所述钻臂控制指令控制钻孔单元工作。本发明提供的控制系统及控制方法，能够使得凿岩台车进行全自动化智能控制，具有分级式智能、更易联动性，施工优质高效的优点。

Description

一种凿岩台车的控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及凿岩工程控制技术领域，具体涉及一种凿岩台车的控制系统及控制方法。

背景技术

凿岩台车又称钻孔台车，是钻孔爆破岩石的主要设备之一，具有转场灵活、作业高效、施工多样化的特点。随着煤矿工业的不断发展，岩巷的快速掘进已成为高效矿井建设的关键，而且岩巷掘进机械化是实现快速掘进的有效途经。但目前凿岩台车的控制方式绝大部分是人工手动控制，导致了在施工过程中存在安全隐患、效率低下及巷道成型差、施工作业成本高等缺陷。

因此，目前亟需一种使凿岩台车智能地执行多道工序并将数据直观地向用户展示的技术方案。

发明内容

本发明的目的：提供一种减少人工控制、施工作业成本低的凿岩台车的控制系统及控制方法。

技术方案：本发明提供的智能凿岩台车的控制系统，用于控制至少一台智能凿岩台车的运作；其特征在于，包括中央控制模块，以及一一对应分别设置于各凿岩台车的本机控制系统；

中央控制模块包括控制中心模块；

各本机控制系统结构彼此相同，各本机控制系统分别均包括工作单元、凿岩台车主控制器；

工作单元包括监探单元、布孔单元、钻孔单元；布孔单元，用于获取凿岩台车前方的掌子面信息，进而计算打孔位置及打孔顺序，生成打孔控制指令；掌子面信息包括掌子面形状信息和尺寸信息；

控制中心模块和各凿岩台车主控制器通信连接，各凿岩台车主控制器分别与其对应的监探单元、布孔单元、钻孔单元通信连接；

凿岩台车主控制器，用于通过监探单元获取凿岩台车地理位置信息、姿态信息、凿岩台车周围环境信息，通过布孔单元获取打孔控制指令，进而生成钻臂控制指令，根据所述钻臂控制指令控制钻孔单元工作；凿岩台车主控制器，还用于获取对应智能凿岩台车的工作状态信息，将该工作状态信息和凿岩台车周围环境信息发送至控制中心模块，控制中心模块根据获取的信息对凿岩台车进行监控。

作为本发明的一种优选方案，所述钻孔单元包括钻杆末端定位模块、以及钻臂；

钻杆末端定位模块包括设置在凿岩台车车身上的激光发射与接收装置，以及设置在钻杆末端与激光发射与接收装置相对应的激光反射装置；

激光发射与接收装置包括激光测距仪，以及用于控制激光测距仪转动的伺服电机；所述激光测距仪和伺服电机分别与凿岩台车主控制器通信连接；

伺服电机接收凿岩台车主控制器发送的钻臂控制指令，并根据钻臂控制指令控制激光测距仪转动至预设角度，激光测距仪发射激光然后接收激光反射装置反射的激光，根据接收激光的结果判断钻杆位置是否达到预设的钻杆位置，将判断结果实时反馈至凿岩台车主控制器。

作为本发明的一种优选方案，所述钻孔单元还包括自动换钻模块、钻臂控制模块；自动换钻模块、钻臂控制模块分别和凿岩台车主控制器通信连接；

自动换钻模块，用于根据凿岩台车主控制器发送的钻臂控制指令，换取对应的钻杆；

钻臂控制模块，用于根据凿岩台车主控制器发送的钻臂控制指令，控制钻臂移动至预设钻点位置。

作为本发明的一种优选方案，所述监探单元，用于获取对应凿岩台车的地理位置信息、凿岩台车的姿态信息，以及凿岩台车周围环境信息并获取凿岩台车周围环境三维地图，并将凿岩台车地理位置信息、姿态信息、凿岩台车周围环境信息和周围环境三维地图发送至凿岩台车主控制器；

所述钻孔单元，用于接收凿岩台车主控制器发送的钻臂控制指令，并根据钻臂控制指令控制钻臂进行打孔作业，并将钻臂的工作状态信息实时反馈至凿岩台车主控制器。

作为本发明的一种优选方案，所述中央控制模块还包括智能移动设备、云端服务器；

智能移动设备、云端服务器和控制中心模块彼此之间通信连接；控制中心模块将各凿岩台车的运行状态信息发送至移动设备和/或云端服务器。

作为本发明的一种优选方案，监探单元包括车身定位模块、随钻检测模块、测距模块、巷道扫描模块；车身定位模块、随钻检测模块、测距模块、巷道扫描模块分别和凿岩台车主控制器通信连接；

车身定位模块，用于获取凿岩台车在其作业的巷道中的经纬位置及该巷道的深度信息；

随钻检测模块，用于获取凿岩台车在进行钻孔作业时钻孔单元的状态信息，钻孔单元的状态信息包括钻孔的倾斜角和方位角、钻孔单元中钻具的工作扭矩、压力和温度信息；

测距模块，用于获取凿岩台车与其作业的巷道的各巷道壁面的距离；

巷道扫描模块，用于获取凿岩台车所处区域的环境信息。

作为本发明的一种优选方案，所述布孔单元包括掌子面扫描模块，掌子面扫描模块和凿岩台车主控制器通信连接；所述掌子面扫描模块用于获取掌子面信息。

本发明还提供了一种智能凿岩台车的控制方法，其特征在于，方法包括如下步骤：

监探单元获取凿岩台车的地理位置信息、姿态信息，将所述地理位置信息、姿态信息发送至凿岩台车主控制器；

布孔单元获取凿岩台车前方的掌子面信息，进而计算打孔位置及打孔顺序，生成打孔控制指令，并将打孔控制指令发送至凿岩台车主控制器；

凿岩台车主控制器根据获取的信息和打孔控制指令生成钻臂控制指令，并根据所述钻臂控制指令控制钻孔单元工作。

监探单元还用于获取凿岩台车周围环境信息，并将凿岩台车周围环境信息发送至凿岩台车主控制器；凿岩台车主控制器获取对应凿岩台车的工作状态信息，并将所述工作状态信息和凿岩台车周围环境信息发送至控制中心模块，控制中心模块根据获取的信息对凿岩台车进行监控。

作为本发明的一种优选方案，根据钻臂控制指令控制钻孔单元工作的方法包括对钻孔单元中的钻杆进行定位；

对钻杆进行定位的方法包括：设置在凿岩台车车身上的伺服电机接收凿岩台车主控制器发送的钻臂控制指令，并根据钻臂控制指令控制激光测距仪转动至预设角度，激光测距仪发射激光并接收位于钻杆末端的激光反射装置反射的激光，根据接收激光的结果判断钻杆位置是否达到预设的钻杆位置，将判断结果实时反馈至凿岩台车主控制器。

有益效果：相对于现有技术，本发明提供的智能凿岩台车控制系统及控制方法具有如下有益效果：无需另外人工导入钻孔信息，布孔单元能够根据实时获取的掌子面形状等信息，直接计算得出钻孔数量和钻孔顺序，根据钻孔数量和钻孔顺序生成相关指令控制钻孔单元进行作业，减少人工控制，减少人工控制，提高了工作效率。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的凿岩台车的控制系统的模块连接示意图；

图2是根据本发明实施例提供的钻杆末端定位模块的结构示意图；

图3是根据本发明实施例提供的基于钻杆末端定位模块进行定位的流程框图；

图4是根据本发明实施例提供的激光测距装置的结构示意图；

图5是根据本发明实施例提供的智能凿岩台车的控制方法流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

参照图1，本发明提供的凿岩台车的控制系统，包括中央控制模块、以及一一对应分别设置于各凿岩台车的本机控制系统。

中央控制模块包括控制中心模块、智能移动设备、云端服务器；智能移动设备、云端服务器和控制中心模块彼此之间通信连接；控制中心模块将各凿岩台车的运行状态信息发送至移动设备和/或云端服务器。

各本机控制系统结构彼此相同，各本机控制系统分别均包括工作单元、凿岩台车主控制器，凿岩台车主控制器和中央控制模块中的控制中心模块通信连接。

各凿岩台车主控制获取获取对应智能凿岩台车的工作状态信息和凿岩台车周围环境三维地图发送至控制中心模块，控制中心模块根据获取的信息对凿岩台车进行监控，基于这种结构行程分级—分布式树状智能控制方式；基于该分级-分布式控制方式，当凿岩台车的运行出现错误时容易查找，易管理，信息传达清楚明确。

工作单元包括监探单元、布孔单元、钻孔单元；

监探单元，被配置为凿岩台车获取自身在隧道中的地理位置、各关节姿态信息、获取工作环境信息并绘制周围环境三维地图；

布孔单元，被配置为自动获取掌子面信息并绘制掌子面二维图、自动计算生成打孔位置及打孔顺序，并生成打孔控制指令；进一步的，扫描掌子面形状并构建掌子二维图纸，根据掌子面形状和大小计算得出打孔数量及打孔位置，并生成打孔控制指令，即：布孔单元能够扫面并识别掌子面形状并绘制掌子面二维图并在图中规划打孔位置和打孔顺序，即根据掌子面形状规划钻孔单元中钻臂的运动情况，将相关指令发送至凿岩台车主控制器，进而以最优路径控制钻臂进行打孔作业。布孔单元能够根据实时获取的掌子面形状、深度等信息，直接计算得出钻孔数量和钻孔顺序，无需另外人工导入钻孔信息，提高了凿岩台车的作业效率。

钻孔单元，被配置为接受控制指令并控制钻臂进行打孔作业，并能够实时检测打孔位置是否准确并实时调整钻臂；

凿岩台车主控制器负责凿岩台车地数据整理、计算、发送及接收数据；云端服务器和智能移动设备可以远程查看和操控凿岩台车的状态。所述的控制中心模块还可以操控与其通信连接的施工现场的其他施工设备。监探单元包括车身定位模块，被配置为获取凿岩台车在巷道中的经纬度信息及巷道深度信息，进而进行定位并获取凿岩台车自身相对巷道的位置信息；巷道深度信息是指巷道距离其上方的地平面之间的垂直距离；随钻检测模块，被配置为在钻进作业时，实时获取并解析钻孔模块反馈的信息，反馈的信息包括钻孔的倾斜角和方位角，钻臂的工作扭矩、压力和温度等，随钻检测模块实时监测凿岩台车前方的岩体信息，并反馈给凿岩台车主控制器进行凿岩台车的安全判断；巷道扫描模块，被配置为扫描凿岩台车所处巷道的环境信息并绘制三维地图发送至凿岩台车主控制器；视频监控模块，被配置为获取凿岩台车前方图像和周围环境图像并实时传输至控制中心模块；具体的，获取凿岩台车所处巷道的环境信息的步骤包括：扫描凿岩台车的周围环境，并构建三维地图，通过测距模块来判断凿岩台车相对巷道周围的位置；测距模块为测距仪，用于通过多点测距来识别凿岩台车前方相对掌子面的距离。

钻孔单元包括：钻杆末端定位模块，被配置为检测钻杆末端是否准确移动到预的钻点；自动换钻模块，被配置为在钻孔过程中，需要更换钻杆时，进行自动更换钻杆，进一步的，根据所需钻杆规格，自动换钻模块能够进行自动换钻；钻臂控制模块，被配置为接收相应控制指令并驱动各液压缸动作，使各钻臂到达指定位置。

在监探单元、布孔单元、钻孔单元上分别加上相应的控制器进行分别控制计算，而不是将所有采集到的数据直接发给主控制然后由主控制器进行计算，这样可以提高计算效率，

参照图2和图3，在一个实施例中，钻杆末端定位模块包括激光发射装置和激光接收装置；激光发射装置通过接收凿岩台车主控制器发出的控制指令，控制激光发射装置转动相应的角度，向特定方向发射激光束，激光接收装置能够接收激光发射器发射的激光，进而确定钻臂的距离和角度信息，当激光接收装置接收到激光时，判定钻杆已到达指定的预设位置，控制钻杆进行作业，若激光接收装置不能接收到激光，判定钻杆未到达指定位置，报告故障，通知检察人员进行检修。钻杆末端定位模块进行定位时，在钻孔模块中，凿岩台车主控制器根据预打孔位置信息计算出激光发射器的发射角度来控制激光发射器以特定角度发射激光，根据激光接收装置接收与否，来判断钻杆是否到达指定位置，若激光接收装置接收到激光，说明钻臂已调整至预设的钻臂位置，若接收不到激光，激光接收装置将该接收结果发送至凿岩台车主控制器，凿岩台车根据该结果对钻臂的位置进行调整，直至其能接收到激光接收装置发出的激光。基于该钻杆末端定位模块能实时检测打孔位置是否准确并实时调整修正，使凿岩台车的打孔更加精确。

参照图4，在另一个实施例中，钻杆末端定位模块包括设置在凿岩台车车身上的激光发射与接收装置，以及设置在钻杆末端的激光反射装置；

激光发射与接收装置包括激光测距仪，以及用于控制激光测距仪转动的伺服电机；激光测距仪和伺服电机分别与凿岩台车主控制器通信连接；激光测距仪包括激光发射装置和激光接收装置。

伺服电机接收凿岩台车主控制器发送的钻臂控制指令，并根据钻臂控制指令控制激光测距仪转动至预设角度，激光测距仪发射激光然后接收激光反射装置反射的激光，根据接收激光的结果判断钻杆位置是否达到预设的钻杆位置，将判断结果实时反馈至凿岩台车主控制器。

参照图5，本发明提供的智能凿岩台车的控制方法具体包括如下步骤：

智能凿岩台车在工作时首先会进行自检，确保凿岩台车中的各部件能够正常运行，若监测出凿岩台车有故障，控制凿岩台车停止工作并发出警报；自检过后，监探单元开始工作，通过车身定位来获取凿岩台车所处区域的空间信息，通过监探单元中的摄像头和测距仪获取凿岩台车在其作业的巷道中的位置信息；根据凿岩台车与其前方即将进行打孔的掌子面的距离，判断是否需要转动或移动凿岩台车车身从而到达最优位置，待到达最优位置后，启动布孔单元进行工作，由布孔单元中的摄像头和掌子面扫描模块获取前述的掌子面形状，进而形成掌子面二维图，并在该二维图中构建坐标系，智能凿岩台车主控制器根据生成的掌子面形状生成打孔位置及打孔顺序，然后根据生成的打孔位置和打孔顺序生成打孔控制指令，并确定需要的钻杆类型，由自动换杆模块根据确定的钻杆类型换取合适的钻杆；然后钻孔单元接受布孔单元生成的打孔控制指令并生成钻臂控制指令，进而控制其中的钻臂进行打孔作业，并实时检测打孔位置是否准确并实时调整钻臂，并将调整的数据信息上传并记录在控制中心模块，如此往复，最终完成钻孔作业。

在进行钻孔作业的过程中，钻孔单元中的处理模块实时监测钻孔单元中推进梁在竖直方向的挠度误差，将挠度误差传输至凿岩台车主控制器，凿岩台车主控制器记录该挠度误差，并根据该挠度误差对钻臂的位置进行修正，并根据修正结果调整钻臂控制指令，控制钻杆末端定位装置中激光发生装置发射激光的角度。

控制中心模块接收并存储各凿岩台车的运行状态信息，并进行远程控制，控制中心模块还存储各凿岩台车的历史运行信息，存储该历史运行信息用于在凿岩台车出现故障时，调用对应的历史运行状态信息对凿岩台车进行故障诊断。中央控制模块包括人机交互界面，施工状态监控模块、数据库、故障诊断模块；其中数据库中储存着包含但不止智能凿岩台车的机器参数、施工流程、机器预计维修数据、机器姿态以及钻臂调整数据的等信息。施工状态监控模块能够对正在施工的现场情况进行监控和控制；故障诊断模块可以根据各个机器上传的信息加以整理和计算，以判断机器的损伤情况，最终通过无线或有线的方式与各个工作机的主控制器进行信息交换。

本发明提供的智能凿岩台车的控制系统及控制方法，在隧道施工作业时完全省去人工画点环节、打孔过程中进行隧道前方安全性测量、无需人工计算打孔点数及打孔位置、无需人工判断打孔准确性、能够在作业过程中生成三维巷道地图，对操作人员的经验要求不高，可以减少凿岩台车施工作业时人员投入，大大提高隧道施工作业的工作效率，能够与其他智能工作机进行联动，便于管理和调配，为隧道施工带来更大的经济效益与社会效益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种智能凿岩台车的控制系统，用于控制至少一台智能凿岩台车的运作；其特征在于，包括中央控制模块，以及一一对应分别设置于各凿岩台车的本机控制系统；

中央控制模块包括控制中心模块；

各本机控制系统结构彼此相同，各本机控制系统分别均包括工作单元、凿岩台车主控制器；

工作单元包括监探单元、布孔单元、钻孔单元；布孔单元，用于获取凿岩台车前方的掌子面信息，进而计算打孔位置及打孔顺序，生成打孔控制指令；掌子面信息包括掌子面形状信息和尺寸信息；

控制中心模块和各凿岩台车主控制器通信连接，监探单元、布孔单元、钻孔单元上具有其对应的控制器，各凿岩台车主控制器分别与其对应的监探单元、布孔单元、钻孔单元的控制器通信连接；

凿岩台车主控制器，用于通过监探单元获取凿岩台车地理位置信息、姿态信息、凿岩台车周围环境信息，通过布孔单元获取打孔控制指令，进而生成钻臂控制指令，根据所述钻臂控制指令控制钻孔单元工作；凿岩台车主控制器，还用于获取对应智能凿岩台车的工作状态信息，将该工作状态信息和凿岩台车周围环境信息发送至控制中心模块，控制中心模块根据获取的信息对凿岩台车进行监控；

所述钻孔单元，用于接收凿岩台车主控制器发送的钻臂控制指令，并根据钻臂控制指令控制钻臂进行打孔作业，并将钻臂的工作状态信息实时反馈至凿岩台车主控制器；所述钻孔单元包括钻杆末端定位模块、以及钻臂；钻杆末端定位模块包括设置在凿岩台车车身上的激光发射与接收装置，以及设置在钻杆末端与激光发射与接收装置相对应的激光反射装置；激光发射与接收装置包括激光测距仪，以及用于控制激光测距仪转动的伺服电机；所述激光测距仪和伺服电机分别与凿岩台车主控制器通信连接；伺服电机接收凿岩台车主控制器发送的钻臂控制指令，并根据钻臂控制指令控制激光测距仪转动至预设角度，激光测距仪发射激光然后接收激光反射装置反射的激光，根据接收激光的结果判断钻杆位置是否达到预设的钻杆位置，将判断结果实时反馈至凿岩台车主控制器；

所述监探单元，用于获取对应凿岩台车的地理位置信息、凿岩台车的姿态信息，以及凿岩台车周围环境信息并获取凿岩台车周围环境三维地图，并将凿岩台车地理位置信息、姿态信息、凿岩台车周围环境信息和周围环境三维地图发送至凿岩台车主控制器；所述监探单元包括车身定位模块、随钻检测模块、测距模块、巷道扫描模块；车身定位模块、随钻检测模块、测距模块、巷道扫描模块分别和凿岩台车主控制器通信连接；车身定位模块，用于获取凿岩台车在其作业的巷道中的经纬位置及该巷道的深度信息； 随钻检测模块，用于获取凿岩台车在进行钻孔作业时钻孔单元的状态信息，钻孔单元的状态信息包括钻孔的倾斜角和方位角、钻孔单元中钻具的工作扭矩、压力和温度信息；测距模块，用于获取凿岩台车与其作业的巷道的各巷道壁面的距离；巷道扫描模块，用于获取凿岩台车所处区域的环境信息；

所述布孔单元，被配置为自动获取掌子面信息并绘制掌子面二维图、自动计算生成打孔位置及打孔顺序，并生成打孔控制指令；进一步的，扫描掌子面形状并构建掌子二维图纸，根据掌子面形状和大小计算得出打孔数量及打孔位置，并生成打孔控制指令；所述布孔单元包括掌子面扫描模块，掌子面扫描模块和凿岩台车主控制器通信连接；所述掌子面扫描模块用于获取掌子面信息。

2.根据权利要求1所述的智能凿岩台车的控制系统，其特征在于，所述钻孔单元还包括自动换钻模块、钻臂控制模块；自动换钻模块、钻臂控制模块分别和凿岩台车主控制器通信连接；

自动换钻模块，用于根据凿岩台车主控制器发送的钻臂控制指令，换取对应的钻杆；

钻臂控制模块，用于根据凿岩台车主控制器发送的钻臂控制指令，控制钻臂移动至预设钻点位置。

3.根据权利要求1所述的智能凿岩台车的控制系统，其特征在于，所述中央控制模块还包括智能移动设备、云端服务器；

智能移动设备、云端服务器和控制中心模块彼此之间通信连接；控制中心模块将各凿岩台车的运行状态信息发送至移动设备和/或云端服务器。

4.一种采用权利要求1至3任意一项所述智能凿岩台车的控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

监探单元获取凿岩台车的地理位置信息、姿态信息，将所述地理位置信息、姿态信息发送至凿岩台车主控制器；

布孔单元获取凿岩台车前方的掌子面信息，进而计算打孔位置及打孔顺序，生成打孔控制指令，并将打孔控制指令发送至凿岩台车主控制器；

凿岩台车主控制器根据获取的信息和打孔控制指令生成钻臂控制指令，并根据所述钻臂控制指令控制钻孔单元工作；

监探单元还用于获取凿岩台车周围环境信息，并将凿岩台车周围环境信息发送至凿岩台车主控制器；凿岩台车主控制器获取对应凿岩台车的工作状态信息，并将所述工作状态信息和凿岩台车周围环境信息发送至控制中心模块，控制中心模块根据获取的信息对凿岩台车进行监控。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，根据钻臂控制指令控制钻孔单元工作的方法包括对钻孔单元中的钻杆进行定位；

对钻杆进行定位的方法包括：设置在凿岩台车车身上的伺服电机接收凿岩台车主控制器发送的钻臂控制指令，并根据钻臂控制指令控制激光测距仪转动至预设角度，激光测距仪发射激光并接收位于钻杆末端的激光反射装置反射的激光，根据接收激光的结果判断钻杆位置是否达到预设的钻杆位置，将判断结果实时反馈至凿岩台车主控制器。

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