CN116091602A - 一种掘进机器人数字孪生交互方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种掘进机器人数字孪生交互方法及系统,该方法,包括:获取全站仪的零位以及棱镜在大地坐标系下的坐标;根据获取的坐标数据,将掘进机的坐标和巷道断面的坐标统一到大地坐标系;应用数字孪生技术,将掘进机以及巷道断面的三维动态模型进行实时展示;对掘进机的位置、姿态信息以及掘进机的运行状态信息进行实时解算和分析,结合三维动态巷道模型,对掘进机的运行进行闭环控制。本发明能够实现掘进机在巷道内的数字孪生,解决了目前掘进机远程控制时掘进工作面现场情况不可视、掘进机及截割头的空间位置难以获取的问题,为掘进机的智能控制奠定了基础。
Description
技术领域
本发明属于数字孪生技术领域,尤其涉及一种掘进机器人数字孪生交互方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。
目前国内外部分比较先进的悬臂式掘进机能够在机身坐标固定、姿态不变的情况下进行自动截割,但由于掘进机在掘进过程中受巷道拐弯、变坡及岩石冲击扰动,机身坐标及姿态不断变化,所以在现场无法真正实现自动截割。部分厂家通过摄像机、红外摄像机、热成像仪来实时监测断面情况辅助工人进行远程遥控操作,虽然掘进机已经能够实现远程控制,但由于未能实现地下空间的自主测量和定位,无法建立掘进机自身位姿和巷道之间的位置关系,无法自动感知和定位周围环境,因此只能依靠视频进行作业,无法实现自动精确开采。同时由于现场粉尘、水汽比较大,造成摄像机、热成像、乃至激光技术在截割过程中仍然不能透视,工作效率低。因此,掘进机远程控制时掘进工作面不可见、不透明、掘进机及截割头的空间位置和姿态难以获取是需要解决的问题。
发明内容
为克服上述现有技术的不足,本发明提供了一种掘进机器人数字孪生交互方法及系统。
为实现上述目的,本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案:
本发明第一方面提供了一种掘进机器人数字孪生交互方法,包括:
获取全站仪的零位以及棱镜在大地坐标系下的坐标;
根据获取的坐标数据,将掘进机的坐标和巷道断面的坐标统一到大地坐标系;
应用数字孪生技术,将掘进机以及巷道断面的三维动态模型进行实时展示;
对掘进机的位置、姿态信息以及掘进机的运行状态信息进行实时解算和分析,结合三维动态巷道模型,对掘进机的运行进行闭环控制。
本发明第二方面提供了一种掘进机器人数字孪生交互系统,包括:
坐标获取模块,被配置为:获取全站仪的零位以及棱镜在大地坐标系下的坐标;
坐标转换模块,被配置为:根据获取的坐标数据,将掘进机的坐标和巷道断面的坐标统一到大地坐标系;
三维模型建立模块,被配置为:应用数字孪生技术,模拟掘进机、截割头的空间位置及断面的变化情况,将掘进机以及的巷道断面的三维动态模型进行实时展示;
闭环控制模块,被配置为:对掘进机的位置、姿态信息以及掘进机的运行状态信息进行实时解算和分析,结合三维动态巷道模型,对掘进机的运行进行闭环控制。
本发明第三方面提供了计算机可读存储介质,其上存储有程序,该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的一种掘进机器人数字孪生交互方法中的步骤。
本发明第四方面提供了电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序,所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的一种掘进机器人数字孪生交互方法中的步骤。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果:
本发明能够实现掘进机在巷道内的数字孪生,解决了目前掘进机远程控制时掘进工作面现场情况不可视、掘进机及截割头的空间位置难以获取的问题,为掘进机的智能控制奠定了基础;
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1为第一个实施例的方法流程图。
图2为第一个实施例的掘进机的实时定位过程示意图。
图3为第一个实施例的巷道断面建模示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示,本实施例公开了一种掘进机器人数字孪生交互方法,包括:
步骤1、获取全站仪的零位以及棱镜在大地坐标系下的坐标;
步骤2、根据获取的坐标数据,将掘进机的坐标和巷道断面的坐标统一到大地坐标系;
步骤3、应用数字孪生技术,将掘进机以及巷道断面的三维动态模型进行实时展示;
步骤4、对掘进机的位置、姿态信息以及掘进机的运行状态信息进行实时解算和分析,结合三维动态巷道模型,对掘进机的运行进行闭环控制。
如图2所示,在步骤1中,获取全站仪的零位以及棱镜在大地坐标系下的坐标,具体包括:
利用全站仪测得定位箱上的第一棱镜在大地坐标系下的坐标以及掘进机上的第二棱镜在大地坐标系下的坐标。
将定位箱移动到掘进机后方某处固定好,利用巷道后方至少两个已知导线点的大地坐标系的坐标,由测量人员操作站点处的全站仪在已知点的前方某一位置设站,测量出全站仪的零位在大地坐标系下的坐标;
再将全站仪进行反转对定位箱上的第一棱镜进行测量,从而测得第一棱镜在大地坐标系下的坐标(x1,y1,z1);
在掘进机车体的后部某个固定位置安装一个棱镜(以下称第二棱镜),利用定位箱测量出第二棱镜在大地坐标系下的坐标(x2,y2,z2),从而实现在大地坐标系中实时追踪掘进机车体上一点的坐标。
在步骤2中,根据获取的坐标数据,将掘进机的坐标统一到大地坐标系,具体包括:
由于掘进机的机械参数是固定的,因此第二棱镜与掘进机回转中心在三维空间上的相对位置(△xa,△ya,△za)是固定的,利用惯性导航技术测量掘进机车体在大地坐标系下的航向和姿态,即可由第二棱镜在大地坐标系下的坐标(x2,y2,z2)推导出掘进机回转中心在大地坐标系下的坐标(x3,y3,z3);
再通过行程传感器测量炮头伸缩油缸、升降油缸、回转油缸、铲板油缸、后支撑油缸的行程,根据掘进机的机械参数就可计算出掘进机上任意一点在大地坐标系下的坐标(x4,y4,z4)。
如图3所示,将巷道断面的坐标统一到大地坐标系,具体包括:
获取煤层顶板的几何参数:
假设要掘进的断面垂直于地平面,设计巷道形状为矩形,净宽为a,沿煤层顶板掘进没有变坡,顶板向下净高为b,每个循环截割深度为c,中线方位角为γ,偏中线与右帮垂直距离为d;
获取断面偏中线上贴近断面处悬挂的第三棱镜到煤层顶板的垂直距离以及第三棱镜在大地坐标系下的坐标:
在要掘进的断面前挂偏中线,偏中线上贴近断面处悬挂一个棱镜(以下称第三棱镜),人工测量第三棱镜到顶板的垂直距离e,利用前述的定位装置测量第三棱镜在大地坐标系下的坐标(x5,y5,z5);
依据上述参数计算出巷道断面上任意一点在大地坐标系下的坐标:
由于巷道的形状和设计参数已知,测量出棱镜3到顶板的垂直距离后,棱镜3与要掘进的断面在三维空间上的相对位置是固定的,因此不论巷道的形状多么复杂,都可依据上述方法计算出巷道断面上任意一点在大地坐标系下的坐标(x6,y6,z6)。
在步骤3中,应用数字孪生技术,将掘进机以及巷道断面的三维动态模型进行实时展示,具体包括:
基于全局和局部、宏观和微观探测得到的地质数据和工程数据,利用三维地理信息技术、二三维一体化自动建模和面向对象特征的快速建模技术、无人化采掘工作面的适时精准建模和三维模型自动更新方法等先进技术,建立精准的地层、地质构造、巷道、掘进机以及相关辅助设备等三维模型,并且附带必要的相关属性信息,对其进行绝对地理坐标系统的初始化和可视化,为智能掘进提供精准模型。软件能够实时定位掘进装备在真实大地坐标下的绝对位置,并能根据生产过程的推进,利用常态自动探测及采集的地质信息,自动更新地层、巷道模型,为智能掘进提供连续的、精准的地质模型,实现真正意义上的智能掘进数字孪生。
其中,①掘进机三维实体建模包括:
针对掘进机,结合其运动方式、姿态控制、关联关系等,进行零部件的拆分实现各部件的精细参数化自动建模,并按照特定连接关系要求实现零部件模型的连接,组合成一个完整的设备模型。通过掘进机的机械构造以及关联关系,结合计算机图形学等内容,实现掘进机的参数化设计,能够根据现场实际的掘进机,快速生成1:1的数字模型,实现设备模型的快速化、模块化和参数化自动生成,为掘进机的姿态展现、设备状态表达和远程可视化控制等提供精准模型。
②巷道及断面三维地质建模包括:
基于不同的勘探方式得到的地质数据和工程数据,充分获取地层顶底板信息、地层厚度信息、地质构造信息、煤岩体物理和化学参数等信息,利用地质数据多元复用、自适应地质体插值、复杂地质体初始建模、多次适时逼真建模、二三维一体化自动建模和面向对象特征的快速建模等技术,建立精准的钻孔、地层、断层等地质模型,为智能掘进提供精准的初始化地质环境。
在步骤4中,对掘进机的位置、姿态信息以及掘进机的运行状态信息进行实时解算和分析,结合三维动态巷道模型,对掘进机的运行进行闭环控制,具体包括:
通过采集定位装置测量的掘进机在大地坐标系下的坐标和掘进机上惯导测量的掘进机在大地坐标系下的航向和姿态,实时解算掘进机的位置和姿态信息;通过采集掘进机的油缸行程、液压管路压力、电机电压、电流以及故障等信息,实时获取掘进机的运行状态。应用数字孪生技术,将整个掘进机三维动态模型实时展示。同时结合三维动态巷道模型,通过实时计算、分析,能够对井下掘进机的运行进行闭环控制。
实施例二
本实施例公开了一种掘进机器人数字孪生交互系统,包括:
坐标获取模块,被配置为:获取全站仪的零位以及棱镜在大地坐标系下的坐标;
坐标转换模块,被配置为:根据获取的坐标数据,将掘进机的坐标和巷道断面的坐标统一到大地坐标系;
三维模型建立模块,被配置为:应用数字孪生技术,模拟掘进机、截割头的空间位置及断面的变化情况,将掘进机以及的巷道断面的三维动态模型进行实时展示;
闭环控制模块,被配置为:对掘进机的位置、姿态信息以及掘进机的运行状态信息进行实时解算和分析,结合三维动态巷道模型,对掘进机的运行进行闭环控制。
实施例三
本实施例的目的是提供计算机可读存储介质。
计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的一种掘进机器人数字孪生交互方法中的步骤。
实施例四
本实施例的目的是提供电子设备。
电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序,所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的一种掘进机器人数字孪生交互方法中的步骤。
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应,具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质;还应当被理解为包括任何介质,所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
本领域技术人员应该明白,上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现,可选地,它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现,从而,可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行,或者将它们分别制作成各个集成电路模块,或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种掘进机器人数字孪生交互方法,其特征在于,包括:
获取全站仪的零位以及棱镜在大地坐标系下的坐标;
根据获取的坐标数据,将掘进机的坐标和巷道断面的坐标统一到大地坐标系;
应用数字孪生技术,将掘进机以及巷道断面的三维动态模型进行实时展示;
对掘进机的位置、姿态信息以及掘进机的运行状态信息进行实时解算和分析,结合三维动态巷道模型,对掘进机的运行进行闭环控制。
2.如权利要求1所述的一种掘进机器人数字孪生交互方法,其特征在于,所述的获取全站仪的零位以及棱镜在大地坐标系下的坐标,包括:
将定位箱固定在掘进机后方某一位置,通过遂道后方至少两个已知点的大地坐标系的坐标,获取全站仪的零位在大地坐标系下的坐标;
利用全站仪测得定位箱上的第一棱镜在大地坐标系下的坐标以及掘进机上的第二棱镜在大地坐标系下的坐标。
3.如权利要求1所述的一种掘进机器人数字孪生交互方法,其特征在于,所述的根据获取的坐标数据,将掘进机的坐标统一到大地坐标系,包括:
利用惯性导航技术获取掘进机在大地坐标系下的航向和姿态;
利用坐标变换算法,计算出掘进机回转中心在大地坐标系下的坐标;
根据掘进机油缸行程数据以及掘进机的机械参数,计算掘进机上任意一点在大地坐标系下的坐标。
4.如权利要求1所述的一种掘进机器人数字孪生交互方法,其特征在于,所述的将巷道断面的坐标统一到大地坐标系,包括:
获取煤层顶板的几何参数;
获取断面偏中线上贴近断面处悬挂的第三棱镜到煤层顶板的垂直距离以及第三棱镜在大地坐标系下的坐标;
依据上述参数计算出巷道断面上任意一点在大地坐标系下的坐标。
5.如权利要求4所述的一种掘进机器人数字孪生交互方法,其特征在于,所述获取煤层顶板的几何参数,包括:获取巷道的净宽,煤层顶板向下净高,每个循环截割深度,中线方位角以及偏中线与右帮垂直距离。
6.如权利要求1所述的一种掘进机器人数字孪生交互方法,其特征在于,所述应用数字孪生技术,将掘进机以及巷道断面的三维动态模型进行实时展示,包括:
基于获取的地质数据和工程数据,利用三维地理信息技术、三维一体化自动建模和面向对象特征的快速建模技术和三维模型自动更新方法,建立精准的地层、地质构造、巷道、掘进机以及相关辅助设备的三维模型;
根据掘进机生产过程的推进,利用常态自动探测及采集的地质信息,自动更新地层和巷道模型。
7.如权利要求6所述的一种掘进机器人数字孪生交互方法,其特征在于,对掘进机进行三维实体建模,包括:结合掘进机运动方式、姿态控制以及零部件关联关系,分别对掘进机的零部件进行精细参数化自动建模;
按照特定连接关系对零部件模型进行连接,组合成一个完整的设备模型;
根据掘进机的机械构造以及关联关系,结合计算机图形学,实现掘进机的参数化设计。
8.一种掘进机器人数字孪生交互系统,其特征在于:包括:
坐标获取模块,被配置为:获取全站仪的零位以及棱镜在大地坐标系下的坐标;
坐标转换模块,被配置为:根据获取的坐标数据,将掘进机的坐标和巷道断面的坐标统一到大地坐标系;
三维模型建立模块,被配置为:应用数字孪生技术,模拟掘进机、截割头的空间位置及断面的变化情况,将掘进机以及的巷道断面的三维动态模型进行实时展示;
闭环控制模块,被配置为:对掘进机的位置、姿态信息以及掘进机的运行状态信息进行实时解算和分析,结合三维动态巷道模型,对掘进机的运行进行闭环控制。
9.计算机可读存储介质,其上存储有程序,其特征在于,该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的一种掘进机器人数字孪生交互方法中的步骤。
10.电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序,其特征在于,所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的一种掘进机器人数字孪生交互方法中的步骤。
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CN117011479A (zh) * | 2023-10-08 | 2023-11-07 | 煤炭科学研究总院有限公司 | 井巷建模缺口参数化处理方法及装置 |
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CN117011479B (zh) * | 2023-10-08 | 2024-02-02 | 煤炭科学研究总院有限公司 | 井巷建模缺口参数化处理方法及装置 |
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