CN113236223A - 一种用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计系统及方法，包括：数据导入模块、参数设置模块、数据存储模块、钻孔控制模块、定位导航模块、自主行走避障模块、信号采集模块、人机交互模块；数据导入模块、参数设置模块、数据存储模块均与智能终端设备连接；钻孔控制模块、定位导航模块、自主行走避障模块和信号采集模块均与智能终端设备和人机交互模块连接；人机交互模块还与钻孔机器人连接，能够实现自动钻进、自动调姿、自动防卡钻、自动装卸钻杆、远程钻进、定位及遥控操作，可实现整个钻探工作循环的自动化；本发明还具有钻进参数自动检测功能，根据地层信息自动调整钻进参数，远程检测钻孔施工状态与远程操控钻孔施工机器人动作。
Description
技术领域
本发明属于煤矿瓦斯抽采钻孔技术领域，特别是涉及一种用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计系统及方法。
背景技术
我国煤矿瓦斯灾害严重，事故多发，近五年瓦斯爆炸事故起数占煤矿重大事故起数的60％以上，死亡人数约1071人。瓦斯抽采是瓦斯防止的根本措施，目前井下以抽采为主，钻孔工程量大、施工人员多、劳动强度大，因此，开发智能化、无人化关键技术装备是未来我国煤矿井下瓦斯智能抽采的发展方向。
煤矿抽采部门设计大多数使用AutoCAD，其效率低、工作量大，对于复杂的抽采设计，则不能很好反映设计思想和清楚表达钻孔工程与岩层之间的相互关系。在进行抽采设计时，设计人员首先选用设计模版或者惯用的设计参数，而这种选择不一定是当前条件下的最优设计参数，甚至不符合煤矿井下复杂变化的赋存条件，导致产生空白带、不符合规程等不良后果。
因此，亟需一种在符合煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工工艺和装备的基础下进行人工智能设计系统的开发，进而实现钻孔的智能化发展成为研究人员热门的话题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计系统及方法，能够实现自动钻进、自动调姿、自动防卡钻、自动装卸钻杆、远程钻进、定位及遥控操作，可实现整个钻探工作循环的自动化。
为实现上述目的，本发明提出一种用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计系统，包括：数据导入模块、参数设置模块、数据存储模块、钻孔控制模块、定位导航模块、自主行走避障模块、信号采集模块、人机交互模块；
所述数据导入模块、参数设置模块、数据存储模块均与智能终端设备连接；所述钻孔控制模块、定位导航模块、自主行走避障模块和所述信号采集模块均与所述智能终端设备和所述人机交互模块连接；所述人机交互模块还与钻孔机器人连接；
所述数据导入模块，用于图形或者数据的导入；所述参数设置模块，用于钻孔基础参数的设置；所述数据存储模块，用于存储钻孔及煤矿环境相关信息；所述钻孔控制模块，用于对所述钻孔机器人的钻孔位置进行控制；所述定位导航模块，用于实时对所述钻孔机器人进行位置监控；所述自主行走避障模块，用于对所述钻孔机器人的行走轨迹进行实时避障；所述信号采集模块，用于采集煤矿井下环境相关信息；所述人机交互模块，用于所述智能终端与所述钻孔机器人之间的信息或指令传输。
优选地，还包括辅助模块；所述辅助模块，用于所述钻孔机器人一键式钻进或退钻。
优选地，所述钻孔控制模块，包括：自动调幅调角单元、自动装卸钻杆控制单元和电液控制单元；所述自动调幅调角单元、自动装卸钻杆控制单元和所述电液控制单元均与所述人机交互模块和所述智能终端设备连接；
所述自动调幅调角单元，用于控制所述钻孔机器人的钻孔钻进的幅度和角度；所述装卸钻杆控制单元，用于钻杆的自动存取；所述电液控制单元，用于高精度、快响应控制所述钻孔机器人的行为。
优选地，所述钻孔基础参数，包括：钻孔位置、钻孔编号、钻孔类型、孔径、测量间距、勘探线方位角、磁偏角、最大弯曲强度、开孔高度、目标高度和设计钻孔预期平面轨迹线。
优选地，所述钻孔及煤矿环境相关信息，包括：施工区队、钻孔类型、煤层参数、采掘计划、开孔断面、用户信息、系统运行日志。
一种用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计方法，具体包括以下步骤：
S1、采集煤矿井下周围环境数据，判断出周围的地质构造，并给出巷道布置和采掘计划；
S2、基于所述地质构造、巷道布置和所述采掘计划，建立可视化三维空间模型；
S3、根据所述可视化三维空间模型，对钻孔基础参数进行初始设置，然后对所述初始设置参数进行检测，并将检测不合格的参数进行调整和更新，直至检测合格；
S4、通过分析检测合格的钻孔基础参数随地层条件变化规律，建立钻孔基础参数与煤岩特性关系，得到典型煤岩识别准则，生成钻进参数适配库，并结合系统图像和数据导入的文件，形成基于钻孔基础参数为主、导入图像或数据文件为辅的煤岩识别模型；
S5、建立机器人自学习与优化准则，将实时采集的钻进工作参数输入到所述煤岩识别模型中进行工作状态的自动评估，通过差分优化算法对控制向量进行优化，使钻孔机器人自主运行在效率较高、钻孔故障较低的稳定工作区。
优选地，对所述煤矿井下周围环境数据进行采集时，钻孔机器人与自动装卸钻杆控制单元通过多机协作完成钻孔施工，自动装卸钻杆控制单元工作过程中需通过实时感知周围环境、与钻孔机器人的相对位置关系，完成环境模型的建立与更新，并根据所述环境模型采集周围环境数据。
优选地，所述S1还包括对采集的所述煤矿井下周围环境数据进行评估，具体采用基于干扰环境下的无线传感网络定位方法、基于里程测量与惯性元件的航迹推算与激光扫描融合的同步定位与地图构建方法、基于多源信息融合的环境自适应鲁棒容错定位策略来进行综合评估。
优选地，所述多源信息融合的环境自适应鲁棒容错定位策略，具体为：基于机器视觉与合作目标的多系统协调跟踪控制方法与钻杆装卸机械手被动柔顺控制方法，实现钻杆装卸机械手对振动引起的钻孔机器人位置变化进行自适应跟踪与精确定位。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明能够实现自动钻进、自动调姿、自动防卡钻、自动装卸钻杆、远程钻进、定位及遥控操作，可实现整个钻探工作循环的自动化；本发明具有钻进参数自动检测功能，可根据地层信息自动调整钻进参数，可远程检测钻孔施工状态与远程操控钻孔施工机器人动作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
参照图1所示，本发明提出一种用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计系统，包括：数据导入模块、参数设置模块、数据存储模块、钻孔控制模块、定位导航模块、自主行走避障模块、信号采集模块、人机交互模块；
所述数据导入模块、参数设置模块、数据存储模块均与智能终端设备连接；所述钻孔控制模块、定位导航模块、自主行走避障模块和所述信号采集模块均与所述智能终端设备和所述人机交互模块连接；所述人机交互模块还与钻孔机器人连接；
所述数据导入模块，用于图形或者数据的导入；其中，图形导入功能可以将AutoCAD格式的采掘工程平面图导入系统，作为钻孔设计的底图，然后通过智能终端将系统自动生成的系列钻孔设计施工图、三维立体图等进行打印，或导出为Au－toCAD、PDF、PNG、JPG等格式；数据导入功能主要是将模板化的Excel格式钻孔轨迹数据和煤层顶底板标高数据导入系统，作为钻孔设计过程中煤层赋存分析的基础，然后通过智能终端将钻孔的设计参数、设计轨迹数据等直接打印或导出为Excel格式。
所述参数设置模块，用于钻孔基础参数的设置；其中，所述钻孔基础参数，包括：钻孔位置、钻孔编号、钻孔类型、孔径、测量间距、勘探线方位角、磁偏角、最大弯曲强度、开孔高度、目标高度和设计钻孔预期平面轨迹线等；
所述数据存储模块，用于存储钻孔及煤矿环境相关信息；其中，所述钻孔及煤矿环境相关信息，包括：施工区队、钻孔类型、煤层参数、采掘计划、开孔断面、用户信息、系统运行日志。
所述钻孔控制模块，用于对所述钻孔机器人的钻孔位置进行控制；所述钻孔控制模块，包括：自动调幅调角单元、自动装卸钻杆控制单元和电液控制单元，具有远程遥控施工、连续钻进施工、安全可靠等特点。所述自动调幅调角单元、自动装卸钻杆控制单元和所述电液控制单元均与所述人机交互模块和所述智能终端设备连接；所述自动调幅调角单元，用于控制所述钻孔机器人的钻孔钻进的幅度和角度；所述装卸钻杆控制单元，用于钻杆的自动存取；所述电液控制单元，用于高精度、快响应控制所述钻孔机器人的行为。
所述定位导航模块，用于实时对钻孔机器人进行位置监控；
所述自主行走避障模块，用于对钻孔机器人的行走轨迹进行实时避障；
所述信号采集模块，用于采集煤矿井下环境相关信息；
所述人机交互模块，用于所述智能终端与所述钻孔机器人之间的信息或指令传输。
本发明系统还包括辅助模块，如换杆装置、钻杆输送装置等来减小劳动强度，提高施工效率，实现一键式钻进或退钻。
本发明还提供一种用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计方法，具体包括以下步骤：
S1、通过人机交互模块，使得智能终端设备远程操控煤矿井下钻孔机器人的行为，然后通过信号采集模块采集煤矿井下周围环境数据，判断出周围的地质构造，并给出巷道布置和采掘计划；
在对煤矿井下周围环境数据进行采集时，会产生干扰环境以及道路障碍，此时，钻孔机器人与自动装卸钻杆控制单元通过多机协作完成钻孔施工，自动装卸钻杆控制单元工作过程中需通过实时感知周围环境、与钻孔机器人的相对位置关系，完成环境模型的建立与更新，并根据所述环境模型采集周围环境数据。钻孔机器人钻进过程中需智能感知自身的施工状态，确认钻杆装卸是否到位、机械手是否撤离到安全位置、是否存在故障等；
本发明基于干扰环境下的无线传感网络定位方法、基于里程测量与惯性元件的航迹推算与激光扫描融合的同步定位与地图构建方法、基于多源信息融合的环境自适应鲁棒容错定位策略，对煤矿井下周围环境数据进行采集和评估；并采用多动态约束的局部避障和行进行优化；最后判断出周围的地质构造，并给出巷道布置和采掘计划。
其中，所述多源信息融合的环境自适应鲁棒容错定位策略，具体为：基于机器视觉与合作目标的多系统协调跟踪控制方法与钻杆装卸机械手被动柔顺控制方法，实现钻杆装卸机械手对振动引起的钻孔机器人位置变化进行自适应跟踪与精确定位；其中，钻杆装卸机械手被动柔顺控制方法，能够避免钻杆装卸协同作业过程中钻孔机器人的夹持力对钻杆装卸机械手造成冲击；
S2、基于所述地质构造、巷道布置和所述采掘计划，建立可视化三维空间模型；
S3、根据所述可视化三维空间模型，利用与参数设置模块相连的智能终端的界面来设置钻孔基础参数；然后通过智能终端中的数据分析模块进行钻进参数自动检测功能，可根据地层信息自动调整或更新钻孔基础参数，可远程检测钻孔施工状态与远程操控钻孔施工机器人动作。
S4、通过分析钻孔基础参数随地层条件变化规律，建立钻孔基础参数与煤岩特性关系，获得典型煤岩识别准则，生成钻进参数适配库，结合系统图像和数据导入的文件，形成基于钻孔基础参数为主、导入图像或数据文件为辅的煤岩识别模型；
S5、建立机器人自学习与优化准则，将实时采集钻进工作参数输入到所述煤岩识别模型中进行工作状态的自动评估，通过差分优化算法对控制向量进行优化，使钻孔机器人自主运行在效率较高、钻孔故障较低的稳定工作区。
综上，本发明能够实现自动钻进、自动调姿、自动防卡钻、自动装卸钻杆、远程钻进、定位及遥控操作，可实现整个钻探工作循环的自动化；本发明具有钻进参数自动检测功能，可根据地层信息自动调整钻进参数，可远程检测钻孔施工状态与远程操控钻孔施工机器人动作。
Claims (9)
1.一种用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计系统，其特征在于，包括：数据导入模块、参数设置模块、数据存储模块、钻孔控制模块、定位导航模块、自主行走避障模块、信号采集模块、人机交互模块；
所述数据导入模块、参数设置模块、数据存储模块均与智能终端设备连接；所述钻孔控制模块、定位导航模块、自主行走避障模块和所述信号采集模块均与所述智能终端设备和所述人机交互模块连接；所述人机交互模块还与钻孔机器人连接；
所述数据导入模块，用于图形或者数据的导入；所述参数设置模块，用于钻孔基础参数的设置；所述数据存储模块，用于存储钻孔及煤矿环境相关信息；所述钻孔控制模块，用于对所述钻孔机器人的钻孔位置进行控制；所述定位导航模块，用于实时对所述钻孔机器人进行位置监控；所述自主行走避障模块，用于对所述钻孔机器人的行走轨迹进行实时避障；所述信号采集模块，用于采集煤矿井下环境相关信息；所述人机交互模块，用于所述智能终端与所述钻孔机器人之间的信息或指令传输。
2.根据权利要求1所述的用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计系统，其特征在于，还包括辅助模块；所述辅助模块，用于所述钻孔机器人一键式钻进或退钻。
3.根据权利要求1所述的用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计系统，其特征在于，所述钻孔控制模块，包括：自动调幅调角单元、自动装卸钻杆控制单元和电液控制单元；所述自动调幅调角单元、自动装卸钻杆控制单元和所述电液控制单元均与所述人机交互模块和所述智能终端设备连接；
所述自动调幅调角单元，用于控制所述钻孔机器人的钻孔钻进的幅度和角度；所述装卸钻杆控制单元，用于钻杆的自动存取；所述电液控制单元，用于高精度、快响应控制所述钻孔机器人的行为。
4.根据权利要求1所述的用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计系统，其特征在于，所述钻孔基础参数，包括：钻孔位置、钻孔编号、钻孔类型、孔径、测量间距、勘探线方位角、磁偏角、最大弯曲强度、开孔高度、目标高度和设计钻孔预期平面轨迹线。
5.根据权利要求1所述的用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计系统，其特征在于，所述钻孔及煤矿环境相关信息，包括：施工区队、钻孔类型、煤层参数、采掘计划、开孔断面、用户信息、系统运行日志。
6.一种用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、采集煤矿井下周围环境数据，判断出周围的地质构造，并给出巷道布置和采掘计划；
S2、基于所述地质构造、巷道布置和所述采掘计划，建立可视化三维空间模型；
S3、根据所述可视化三维空间模型，对钻孔基础参数进行初始设置，然后对所述初始设置参数进行检测，并将检测不合格的参数进行调整和更新，直至检测合格；
S4、通过分析检测合格的钻孔基础参数随地层条件变化规律，建立钻孔基础参数与煤岩特性关系，得到典型煤岩识别准则，生成钻进参数适配库，并结合系统图像和数据导入的文件，形成基于钻孔基础参数为主、导入图像或数据文件为辅的煤岩识别模型；
S5、建立机器人自学习与优化准则，将实时采集的钻进工作参数输入到所述煤岩识别模型中进行工作状态的自动评估，通过差分优化算法对控制向量进行优化，使钻孔机器人自主运行在效率较高、钻孔故障较低的稳定工作区。
7.根据权利要求6所述的用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计方法，其特征在于，对所述煤矿井下周围环境数据进行采集时，钻孔机器人与自动装卸钻杆控制单元通过多机协作完成钻孔施工，自动装卸钻杆控制单元工作过程中需通过实时感知周围环境、与钻孔机器人的相对位置关系，完成环境模型的建立与更新，并根据所述环境模型采集周围环境数据。
8.根据权利要求6所述的用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计方法，其特征在于，所述S1还包括对采集的所述煤矿井下周围环境数据进行评估，具体采用基于干扰环境下的无线传感网络定位方法、基于里程测量与惯性元件的航迹推算与激光扫描融合的同步定位与地图构建方法、基于多源信息融合的环境自适应鲁棒容错定位策略来进行综合评估。
9.根据权利要求8所述的用于煤矿井下瓦斯防治钻孔的智能设计方法，其特征在于，
所述多源信息融合的环境自适应鲁棒容错定位策略，具体为：基于机器视觉与合作目标的多系统协调跟踪控制方法与钻杆装卸机械手被动柔顺控制方法，实现钻杆装卸机械手对振动引起的钻孔机器人位置变化进行自适应跟踪与精确定位。
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2021
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