CN112943323B - 锚杆台车控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种锚杆台车控制系统，包括远程控制端和锚杆台车，远程控制端不设置在锚杆台车所在的施工现场，锚杆台车包括网络通讯模块、数据采集模块和控制器。数据采集模块将采集的施工现场环境数据、目标物位置数据、锚杆台车的车身姿态数据和路径信息反馈至远程控制端和控制器，用户基于数据采集模块反馈的数据在远程控制端通过网络通讯模块向处于施工现场的锚杆台车下发远程实时操控锚杆台车的控制指令，锚杆台车的控制器根据台车当前位置数据、作业面参数信息和目标位置数据控制臂架各关节从当前位置运动至目标位置。本申请可提高锚杆台车的自动化程度和安全性能，降低作业人员的操作难度和施工风险。

Description

锚杆台车控制系统

技术领域

本申请涉及地下施工技术领域，特别是涉及一种锚杆台车控制系统。

背景技术

锚杆台车是在井下巷道顶板或侧帮中钻凿锚杆孔并完成部分或全部安装锚杆工序的自移式设备。随着矿山井巷、隧道等地下工程锚杆支护作业的普及与发展，国外各大矿山设备公司都相继推出了功能全、自动化程度高的台车式锚杆钻装车，真正实现了锚杆支护施工的高度机械化、智能化，从而减轻了工人负担，提高了工作效率和施工质量。

现有技术中的锚杆台车控制系统操作复杂，自动化程度低，无法实现远程操作，导致操作员在环境恶劣的施工现场的操作要求难度增高，作业安全性低；此外，自动化程度不高的锚杆台车的锚杆臂架找作业面时经常出现臂架顶作业面不稳和顶作业面过猛的问题。而顶作业面不稳会导致锚杆台车钻孔时钻杆偏移，极易损坏钻杆，而顶作业面过猛会导致臂架损伤、台车滑移乃至倾斜等重大事故发生。

发明内容

本申请提供了一种锚杆台车控制系统，提高锚杆台车的自动化程度和安全性能，降低作业人员的操作难度和施工风险。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例提供了一种锚杆台车控制系统，包括不设置在施工现场的远程控制端和设置在锚杆台车上的网络通讯模块、数据采集模块、控制器；

所述远程控制端通过所述网络通讯模块向所述锚杆台车下发控制指令，以使用户远程实时操控所述锚杆台车；

所述数据采集模块用于将采集的施工现场环境数据、目标物位置数据、所述锚杆台车的车身姿态数据和路径信息反馈至所述远程控制端和所述控制器；

所述控制器用于根据所述锚杆台车的当前位置数据、作业面参数信息和目标位置数据控制臂架各关节从当前位置运动至目标位置。

可选的，所述控制器进一步用于：

根据所述锚杆台车的当前位置和所述作业面的轮廓数据计算所述锚杆台车和所述作业面的相对位置信息；

根据所述臂架的车速姿态数据计算所述臂架与所述锚杆台车的相对位置信息；

根据所述锚杆台车和所述作业面的相对位置信息、所述臂架与所述锚杆台车的相对位置信息计算得到所述臂架与所述工作面的相对位置信息；

基于所述臂架与所述工作面的相对位置信息，根据所述臂架的各关节与所述目标位置之间的距离，对各关节动作进行分区域pid控制，以通过不同区域应用不同的pid控制各关节的阀门，实现所述臂架各关节从当前位置运动到所述目标位置。

可选的，所述根据所述锚杆台车的当前位置和所述作业面的轮廓数据计算所述锚杆台车和所述作业面的相对位置信息包括：

获取所述施工现场的已知目标的三维坐标信息，以根据所述已知目标的三维坐标信息定位所述锚杆台车；

获取所述作业面的三维坐标信息；

根据所述已知目标的三维坐标信息和所述作业面的三维坐标信息计算所述锚杆台车和所述作业面的相对位置信息。

可选的，所述数据采集模块包括图像采集装置、三维目标检测系统、台车行走系统及传感器装置；

所述图像采集装置用于采集所述施工现场以及所述锚杆台车的周边环境图像数据；

所述三维目标检测系统用于定位目标并输出相应位置信息；

所述台车行走系统用于辅助操作员远程操作所述锚杆台车并反馈所述锚杆台车的路径信息；

所述传感器装置包括设置在所述锚杆台车的臂架和锚杆上的多个传感器，用于通过检测所述臂架及所述锚杆的实时状态实现臂架的自动移动和锚杆的操控。

可选的，所述网络通讯模块包括网络互连设备和无线接入点；

所述远程控制端的总线数据转换为TCP/IP数据，并基于所述网络互连设备、通过所述无线接线点连接施工现场网络传输控制指令至所述锚杆台车，以实现远距离对所述锚杆台车的实时操作和数据监控。

可选的，所述控制器进一步还用于：

向所述锚杆的推进梁发送推进指令，以使所述推进梁按照第一速度匀速向所述作业面靠近；所述第一速度不大于预设低速度阈值；

在所述推进梁运动过程中，获取所述推进梁的推进速度数据和伸缩油缸压力数据，当检测到所述推进速度下降，同时推进梁伸缩油缸压力值增大，发送停止推进指令。

可选的，所述控制器进一步还用于：

当检测到所述锚杆推进到位后，自动旋转锚杆进行预应力释放；同时获取旋转扭矩数据和旋转压力数据；

当检测到当前旋转扭矩和当前旋转压力同时满足预设标准扭矩和预设标准旋转压力时，自动停止旋转锚杆。

可选的，所述机械手设置信息读取装置，所述信息读取装置用于当所述机械手抓取所述锚杆时，自动扫描施工锚杆上的图形码信息，并根据所述图形码信息中的锚杆种类自动匹配相应的锚杆施工工序方法及锚杆注浆量。

可选的，所述控制器进一步还用于通过自动对比图像扫描结果进行施工数据分析并生成施工作业日志。

可选的，所述控制器进一步还用于自动存储所述施工作业日志；基于所述施工作业日志进行施工作业质量分析并生成施工质量报告。

本申请提供的技术方案的优点在于，用户通过数据采集模块采集的施工现场环境数据和锚杆台车自身相关数据在远程控制端通过网络通讯模块下台车下发操控指令，从而可远程操控锚杆台车，极大改善操作员施工环境，降低施工风险；锚杆台车的控制器可根据台车当前位置数据、作业面参数信息和目标位置数据自动控制臂架各关节从当前位置运动至目标位置，锚杆臂架可自动平稳准确找作业面，不仅降低钻杆、臂架在施工过程中损坏概率，提升台车安全性能，还可有效提高台车的自动化程度，降低操作员的操作难度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的锚杆台车控制系统的一种具体实施方式结构图；

图2为本发明实施例提供的锚杆台车控制系统的另一种具体实施方式结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先参见图1，图1为本发明实施例提供的一种锚杆台车控制系统在一种实施方式下的结构示意图，本发明实施例可包括以下内容：

锚杆台车控制系统可包括远程控制端1和锚杆台车2，锚杆台车2工作于施工现场如地下隧道，远程控制端1并不设置在施工现场，也即远程控制端1与锚杆台车2并不在同一个地点，用户也即操作锚杆台车2的施工人员或者是控制锚杆台车2的维护人员等可在远程控制端1对远在施工现场的锚杆台车进行远程操控。远程控制端1可为上位机或者还可一个数据中心，数据中心可包括多台服务器，这样可同时操控多个锚杆台车2。

本申请的锚杆台车2上除了包括锚杆台车固有的机身、臂架、锚杆、执行机构等常规零件之外，还可包括网络通讯模块21、数据采集模块22和控制器23。锚杆台车2通过网络通讯模块21接入当前施工现场的局域网中，如隧道局域网，远程控制端1通过网络通讯模块21向锚杆台车2下发控制指令，以使用户远程实时操控锚杆台车。作为一种可选的实施方式，网络通讯模块21例如可包括网络互连设备和无线接入点AP，网络互连设备可为网关设备，远程控制端1的总线数据转换为TCP/IP数据，并基于网络互连设备、通过无线接线点连接施工现场网络如隧道内网络传输控制指令至锚杆台车，以实现远距离对锚杆台车的实时操作和数据监控。数据采集模块22用于将采集的施工现场的周围环境数据如车身周边环境、目标物位置数据如障碍物位置、锚杆台车的车身姿态数据、路径信息如已行走的路径以及规划路径等反馈至远程控制端1和控制器23。控制器23用于根据锚杆台车2的当前位置数据、作业面参数信息和目标位置数据控制臂架各关节从当前位置运动至目标位置。本实施例的目标位置可为作业面整体位置，也可为某个关节最终要到达的位置，或者是施工过程中某个指定位置，这均不影响本申请的实现。

在本发明实施例提供的技术方案中，用户通过数据采集模块采集的施工现场环境数据和锚杆台车自身相关数据在远程控制端通过网络通讯模块下台车下发操控指令，从而可远程操控锚杆台车，极大改善操作员施工环境，降低施工风险；锚杆台车的控制器可根据台车当前位置数据、作业面参数信息和目标位置数据自动控制臂架各关节从当前位置运动至目标位置，锚杆臂架可自动平稳准确找作业面，不仅降低钻杆、臂架在施工过程中损坏概率，提升台车安全性能，还可有效提高台车的自动化程度，降低操作员的操作难度。

在上述实施例中，对于控制器如何控制臂架各关节运动并不做限定，本实施例中给出一种实施方式，可包括如下步骤：

根据锚杆台车的当前位置和作业面的轮廓数据计算锚杆台车和作业面的相对位置信息；根据臂架的车速姿态数据计算臂架与锚杆台车的相对位置信息；根据锚杆台车和作业面的相对位置信息、臂架与锚杆台车的相对位置信息计算得到臂架与工作面的相对位置信息。基于臂架与工作面的相对位置信息，根据臂架的各关节与目标位置之间的距离，对各关节动作进行分区域pid(proportional-integral-derivative control，比例积分微分控制)控制，以通过不同区域应用不同的pid控制各关节的阀门，实现臂架各关节从当前位置运动到目标位置。pid控制是指根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

在本实施例中，根据锚杆台车的当前位置和作业面的轮廓数据计算锚杆台车和作业面的相对位置信息的一个实施方式可包括：

获取施工现场的已知目标的三维坐标信息，以根据已知目标的三维坐标信息定位锚杆台车；

获取作业面的三维坐标信息；

根据已知目标的三维坐标信息和作业面的三维坐标信息计算锚杆台车和作业面的相对位置信息。

在本实施例中，台车可安装3D扫描仪，3D扫描仪通过对现场已知点扫描进行台车快速自动定位，3D扫描仪对作业面的扫描得到作业面的轮廓数据，控制器23可通过如3D扫描仪定位台车自身位置和隧道作业面轮廓计算台车与作业面相对位置，基于臂架上设置的传感器获取各关节作业姿态，根据各关节与目前位置距离对各关节动作进行分区pid控制，控制器在不同区域应用不同的pid控制各关节的CAN阀，实现臂架各关节快速准确平稳的运动到指定位置。

上述实施例对数据采集模块21的结构并未进行限定，为了使所属领域技术人员更加清楚明白本申请技术方案，本申请还提供了一个实施例，请参阅图2，数据采集模块21可包括图像采集装置、三维目标检测系统、台车行走系统及传感器装置，以用于根据其采集的现场实时状态和车身姿态、路径等数据来辅助操作员远程操控台车。

图像采集装置用于采集施工现场以及锚杆台车的周边环境图像数据；三维目标检测系统用于定位目标并输出相应位置信息；台车行走系统用于辅助操作员远程操作锚杆台车并反馈锚杆台车的路径信息；传感器装置包括设置在锚杆台车的臂架和锚杆上的多个传感器，用于通过检测臂架及锚杆的实时状态实现臂架的自动移动和锚杆的操控，如自动检打锚杆、自动注浆等一系列锚杆操作。

作为一种可选的实施方式，为了进一步提高找作为面的稳定性和准确度，基于上述实施例，控制器23进一步还可用于：

向锚杆的推进梁发送推进指令，以使推进梁按照第一速度匀速向作业面靠近；第一速度不大于预设低速度阈值；

在推进梁运动过程中，获取推进梁的推进速度数据和伸缩油缸压力数据，当检测到推进速度下降，同时推进梁伸缩油缸压力值增大，发送停止推进指令。例如可从推进梁的伸缩传感器获取推进速度数据，从设置在推进梁油缸的压力传感器获取推进梁伸缩油缸压力数据。

在本实施例中，锚杆推进梁自动找作业面，推进梁先以恒定的低速靠近作业面，当检测到推进梁推进速度下降，同时推进梁伸缩油缸压力突然增大时，停止推进，也即通过锚杆推进梁速度和推进压力结合判断锚杆推进梁找作业面，保证推进梁平稳准确找到作业面。

现有的锚杆台车打锚杆难以保证锚杆施工预应力，而过大或者过小预应力会导致锚杆无法锁紧或者锚杆损坏，锚杆施工的质量无法保证，最终导致锚杆的施工精度和质量难以保证。为了解决这个技术问题，基于上述实施例，控制器23进一步还可用于：

当检测到锚杆推进到位后，自动旋转锚杆进行预应力释放；同时获取旋转扭矩数据和旋转压力数据；

当检测到当前旋转扭矩和当前旋转压力同时满足预设标准扭矩和预设标准旋转压力时，自动停止旋转锚杆。

本实施例的锚杆自动施加预应力锁紧锚杆，锚杆施工时，锚杆推进到位后，通过旋转扭矩和旋转压力判断，自动准确施加预应力，保证锚杆施工质量。

作为另外一种可选的实施方式，为了提高锚杆台车的自动化程度，控制器23自动协调系统内各模块、器件之间协同工作，自动记录施工数据，施工锚杆还可预先贴上锚杆信息图形码信息如二维码或条形码，二维码中可存储锚杆种类等信息，机械手会预先设置二维码信息或者条形码数据的信息读取装置，信息读取装置用于当机械手抓取锚杆时，自动扫描施工锚杆上的图形码中存储的信息，并根据读取的图像码信息中的锚杆种类自动匹配相应的锚杆施工工序方法及锚杆注浆量。控制器23进一步还可用于通过自动对比图像扫描结果如二维码扫描结果进行施工数据分析并生成施工作业日志，然后可将生成的施工作业日志自动存储至预先指定的某个路径下。基于施工作业日志结合施工质量评价标准进行施工作业质量分析并生成施工质量报告，施工质量报告中可写明施工质量等级，施工不足的地方，需要返工的地方等。施工质量等级可以预先在施工质量评价标准中写明，这均可根据实际应用场景进行自定义设置，此处便不再赘述。

此外，基于上述实施例，锚杆台车控制系统的远程控制端和锚杆台车还可根据实际需要包括人机交互组件、网络端口、输入接口、存储器和处理器等等。

远程控制端和锚杆台车可通过网络端口进行数据传输；用户通过人机交互组件如显示器和键盘、鼠标经输入接口对远程控制端和锚杆台车进行操作，如设置一些工作参数和软件配置参数等。存储器可包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机可读指令，该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机可读指令的运行提供环境。处理器在一些实施例中可以是一中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，为电子设备提供计算和控制能力，执行所述存储器中保存的计算机程序时，可以实现前述任一实施例公开的锚杆台车控制系统各组件的功能。

输入接口可用于获取外部导入的计算机程序、参数和指令，经处理器控制保存至存储器中。人机交互组件可包括显示单元和输入装置，该输入接口可以与输入装置相连，接收用户手动输入的参数或指令。该输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是终端外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，也可以是键盘、触控板或鼠标等。显示单元可与处理器相连，用于显示处理器处理的数据以及用于显示可视化的用户界面即SAS的扰码编码电路的工作界面。该显示单元可以为LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。

网络端口同时可与处理器相连，用于与外部各终端设备进行通信连接。该通信连接所采用的通信技术可以为有线通信技术或无线通信技术，如移动高清链接技术(MHL)、通用串行总线(USB)、高清多媒体接口(HDMI)、无线保真技术(WiFi)、蓝牙通信技术、低功耗蓝牙通信技术、基于IEEE802.11s的通信技术等。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上对本申请所提供的一种锚杆台车控制系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种锚杆台车控制系统，其特征在于，包括不设置在施工现场的远程控制端和设置在锚杆台车上的网络通讯模块、数据采集模块、控制器；

所述远程控制端通过所述网络通讯模块向所述锚杆台车下发控制指令，以使用户远程实时操控所述锚杆台车；

所述数据采集模块用于将采集的施工现场环境数据、目标物位置数据、所述锚杆台车的车身姿态数据和路径信息反馈至所述远程控制端和所述控制器；

所述控制器用于根据所述锚杆台车的当前位置数据、作业面参数信息和目标位置数据控制臂架各关节从当前位置运动至目标位置；

所述控制器进一步用于：

根据所述锚杆台车的当前位置和所述作业面的轮廓数据计算所述锚杆台车和所述作业面的相对位置信息；

根据所述臂架的车速姿态数据计算所述臂架与所述锚杆台车的相对位置信息；

根据所述锚杆台车和所述作业面的相对位置信息、所述臂架与所述锚杆台车的相对位置信息计算得到所述臂架与所述作业面的相对位置信息；

基于所述臂架与所述作业面的相对位置信息，根据所述臂架的各关节与所述目标位置之间的距离，对各关节动作进行分区域pid控制，以通过不同区域应用不同的pid控制各关节的阀门，实现所述臂架各关节从当前位置运动到所述目标位置。

2.根据权利要求1所述的锚杆台车控制系统，其特征在于，所述根据所述锚杆台车的当前位置和所述作业面的轮廓数据计算所述锚杆台车和所述作业面的相对位置信息包括：

获取所述施工现场的已知目标的三维坐标信息，以根据所述已知目标的三维坐标信息定位所述锚杆台车；

获取所述作业面的三维坐标信息；

根据所述已知目标的三维坐标信息和所述作业面的三维坐标信息计算所述锚杆台车和所述作业面的相对位置信息。

3.根据权利要求1所述的锚杆台车控制系统，其特征在于，所述数据采集模块包括图像采集装置、三维目标检测系统、台车行走系统及传感器装置；

所述图像采集装置用于采集所述施工现场以及所述锚杆台车的周边环境图像数据；

所述三维目标检测系统用于定位目标并输出相应位置信息；

所述台车行走系统用于辅助操作员远程操作所述锚杆台车并反馈所述锚杆台车的路径信息；

所述传感器装置包括设置在所述锚杆台车的臂架和锚杆上的多个传感器，用于通过检测所述臂架及所述锚杆的实时状态实现臂架的自动移动和锚杆的操控。

4.根据权利要求3所述的锚杆台车控制系统，其特征在于，所述网络通讯模块包括网络互连设备和无线接入点；

所述远程控制端的总线数据转换为TCP/IP数据，并基于所述网络互连设备、通过所述无线接入点连接施工现场网络传输控制指令至所述锚杆台车，以实现远距离对所述锚杆台车的实时操作和数据监控。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的锚杆台车控制系统，其特征在于，所述控制器进一步还用于：

向所述锚杆的推进梁发送推进指令，以使所述推进梁按照第一速度匀速向所述作业面靠近；所述第一速度不大于预设低速度阈值；

在所述推进梁运动过程中，获取所述推进梁的推进速度数据和伸缩油缸压力数据，当检测到所述推进速度下降，同时推进梁伸缩油缸压力值增大，发送停止推进指令。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的锚杆台车控制系统，其特征在于，所述控制器进一步还用于：

当检测到所述锚杆推进到位后，自动旋转锚杆进行预应力释放；同时获取旋转扭矩数据和旋转压力数据；

当检测到当前旋转扭矩和当前旋转压力同时满足预设标准扭矩和预设标准旋转压力时，自动停止旋转锚杆。

7.根据权利要求6所述的锚杆台车控制系统，其特征在于，机械手设置信息读取装置，所述信息读取装置用于当所述机械手抓取所述锚杆时，自动扫描施工锚杆上的图形码信息，并根据所述图形码信息中的锚杆种类自动匹配相应的锚杆施工工序方法及锚杆注浆量。

8.根据权利要求7所述的锚杆台车控制系统，其特征在于，所述控制器进一步还用于通过自动对比图像扫描结果进行施工数据分析并生成施工作业日志。

9.根据权利要求8所述的锚杆台车控制系统，其特征在于，所述控制器进一步还用于自动存储所述施工作业日志；基于所述施工作业日志进行施工作业质量分析并生成施工质量报告。

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