CN116625356A - 悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统，涉及综掘巷道悬臂式掘进机的测量与智能控制技术领域。该系统具备掘进机全参数感知、远程测控、可视化交互式远程操控等功能，实现了机身位姿、作业环境、设备状态三大类参数的多视角零盲区智能感知。系统具有巷道任意形状断面自动截割、巷道断面误差修正和摆速自适应控制等功能，拥有远程可视化智能集控仓和地面可视化智能监测平台的掘进机可视化交互式远程智能操控平台，实现了掘进机远程可视化手动控制和智能化控制，建成为国内外一流的掘进机远程智能控制系统研发平台和先进技术展示平台。

Description

悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统

技术领域

本发明属于悬臂式掘进机智能控制领域，具体涉及一种悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统。

背景技术

煤炭行业作为我国重要的传统能源行业，是我国国民经济的重要组成部分，其智能化建设直接关系我国国民经济和社会智能化的进程。煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，对于提升煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义。

与智能化综采工作面建设速度相比，巷道掘进智能化进展缓慢，“采掘失衡”(即掘进速度远远低于采煤速度)严重制约煤炭行业安全高效生产。巷道综掘自动化、智能化、机器人化已经成为全国煤矿的迫切需求，最终达到快速掘进，实现少人化、无人化的目的。

本发明目的旨在突破悬臂式掘进机智能化系列关键技术难题，实现悬臂式掘进机感知和作业控制智能化，实现其远程可视化智能监控，可以有效减少危险掘进环境作业人员、降低安全风险、提高生产效率、减轻矿工劳动强度，为全面实现智能化少人无人巷道掘进，对推动煤炭开采技术革命、实现煤炭工业高质量发展、保障国家能源安全供应具有重要意义。

发明内容

本发明的主要内容在于提出一种悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统，包括掘进机全参数感知系统、智能测控软件系统、远程可视化智能操控平台。悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统创新性地提出了掘进机位姿和行走轨迹测控方法，对掘进机参数和综掘工作面环境进行全方位的多视角零盲区智能感知，并对异常信号进行报警，能够实现机身位姿误差检测、截割头空间轨迹检测；提出自动截割+记忆截割+误差纠偏智能化控制技术，具有巷道任意形状断面自动截割与记忆截割、巷道断面误差修正、截割臂防闷车、硬质点(矸石)识别与摆速自适应控制等智能化功能；研制出矿用全参数可视化交互式掘进机远程智能化操控平台，对掘进机全参数进行监视，且在光照较弱或者粉尘较大等复杂工况条件下，可通过热成像实现掘进机视频+红外视频的监控作业，实现远程可视化手动控制和智能化控制，实现掘进机井下远程可视化智能控制以及井上可视化智能监控，建成为国内外一流的掘进机远程智能控制系统研发平台和先进技术展示平台。

为实现上述目的，解决技术问题所采用的技术方案如下：

悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统按照硬件所在区域，分为掘进工作面设备系统、井下远程集控仓、地面控制台三部分，具体分为掘进机、掘进机行走定位系统、掘进机断面自动截割系统、掘进机总控系统、掘进机远程操作平台(井下集控仓)、截割自适应控制系统(即，煤矸自动识别系统)、数据处理系统(井上监控平台)共包括七个子系统。

掘进机在具备煤矿井下完成巷道掘进功能的基础上，还具备智能掘进所需功能要求的结构和硬件，包括：加装智能机载控制器、机载显示器、掘进机激光位姿检测系统、惯性定位系统、掘进机定位系统(RPS)、超声波传感器、激光测距仪、防爆网络交换机、防爆摄像仪和红外摄像仪、双轴倾角传感器、油缸位移传感器、矿用压力传感器、电机电流传感器、本安型遥控器、瓦斯及粉尘传感器等，以及与上述功能和装置匹配的液压及电气系统的改造。

掘进机行走定位系统共包含激光位姿检测系统、掘进机行走轨迹及偏差感知系统、环境参数感知与障碍预警系统共三个子系统。激光位姿检测系统能够检测掘进机机身位姿参数偏向角、偏向位移、俯仰角、滚动角和车前距；掘进机行走轨迹及偏差感知系统具有掘进机机身位姿自动检测功能，利用光纤捷联惯导、激光偏距感知系统、二维里程测量装置，能够确定掘进机航向角及运动轨迹，为定向掘进提供必备参数；环境参数感知与障碍预警系统具有与障碍物距离相对应的绿、黄、红三级显示报警机制，具有掘进机行走远程控制功能，且远程控制距离不小于200米。

掘进机断面自动截割系统包含掘进巷道断面自动成形截割系统、巷道断面记忆截割系统与机身位姿误差动态补偿系统三个子系统，掘进巷道断面自动成形截割系统能够实现包括矩形、梯形、拱形等形状的巷道断面自动截割；巷道断面记忆截割系统能够实现截割过程人工示教和截割记忆复现，掘进机记忆截割过程由人工示范和记忆截割两部分组成。司机利用遥控器进行示范截割，控制系统根据对路径信息的拟合和优化进行记忆截割过程；机身位姿误差动态补偿系统通过偏向角和偏距等信息判断掘进机位姿偏差程度，若偏差较大，对掘进机位置、方向进行粗调整后，再进行掏槽；掏槽完成后，根据此时的偏向角和偏距调整截割参数以反向补偿掘进机位姿偏差，保证巷道精准掘进。

掘进机总控系统是掘进机的控制中心，与行走定位系统控制掘进机实现机身位姿自动检测功能；能够控制掘进机自动检测位置坐标、航向角、俯仰角和横滚角，通过数字化地图将掘进机的位置、轨迹、航向和姿态等信息实时直观呈现，为掘进机远程智能控制提供参数基础；与断面自动截割系统控制掘进机实现任常见状巷道断面自动截割成形，自动刷帮，控制掘进机记忆截割；能够控制掘进机根据位姿参数和误差补偿极限，补偿位姿误差，保证巷道断面截割精度和定向掘进；与截割自适应控制系统联合实现PID截割臂摆臂速度自适应控制功能，识别截割过程中煤矸性状，保护截割驱动系统；能够实现掘进过程掘进机位姿、巷道环境参数、截割过程控制参数全感知及其远程通信功能。

掘进机远程操作平台(井下集控仓)能够实现掘进机远程控制，掘进机工作状态多参数监测与显示、远程视频监控；能够实现掘进机位姿、巷道环境、截割控制全参数远程可视化监测；能够实现远程控制掘进机实现任意常见巷道断面自动截割成形，自动刷帮，记忆截割；能够远程控制掘进机补偿掘进机位姿误差，保证巷道断面截割精度和定向掘进；能够远程控制掘进机实现PID截割臂摆臂速度自适应截割，识别截割过程中煤矸性状，保护截割驱动系统；能够远程视频和红外视频监控掘进机作业，在光照不高或者粉尘大的情况下，通过热成像对工作面进行成像，判断巷道或者障碍物的基础轮廓。

截割自适应控制系统即煤矸自动识别系统，能够基于多种传感器信息判断截割情况，实现截割臂自适应煤岩截割，处理特殊截割工况，能够针对巷道断面煤矸性状不同，基于PID技术实现掘进机悬臂摆速自适应控制功能，预防闷车功能和车体减振防摆功能。

数据处理系统即井上监控平台能够与掘进机行走定位系统、断面自动截割系统、掘进机总控系统、远程操作平台、煤矸自动识别系统进行通信，通过煤矿工业环网接收掘进机井下监控系统传来的掘进机的各种信息，实现地面远程监测、遥控、视频监控功能，同时具有数据智能显示分析功能，包括掘进机位姿、巷道环境、截割控制的全参数远程可视化，包括掘进机机身位姿5参数(偏向角、偏向位移、俯仰角、滚动角、车前距)，掘进机位置坐标，截割头空间位置与轨迹，巷道数字化地图，掘进机巷道位置、轨迹、航向和姿态等，当掘进机各项参数出现故障或异常时进行预警提示，且具有截割状态和位姿误差智能显示分析功能，包括对自动截割成形、自动刷帮、记忆截割和误差补偿信息进行显示与智能分析，并装有6个摄像仪以及1个热成像摄像仪实现摄像仪视频和红外摄像仪视频信息显示功能。

本发明的悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本系统可用于加装和改装各种型号的悬臂式掘进机，也可用于其他类型的掘进机如掘描一体机等，具有一定兼容性和普适性；

(2)本发明的掘进机行走定位系统通过激光和机载综合惯导等系统能够自动检测掘进机位姿五参数、截割头轨迹、行走轨迹，结合数字化地图、截割误差补偿等技术，实现了掘进机智能精准定位导航和纠偏，通过巷道、障碍、人员感知等装置能够实现作业环境全参数多视角零盲区智能感知；

(3)本发明的掘进机断面自动截割系统能够实现机身位姿误差监测与动态补偿、截割头空间轨迹监测、巷道任意形状断面自动截割与记忆截割等智能化功能；

(4)本发明的截割自适应控制系统能够极大地提升掘进机截割系统的智能化水平，具有截割臂防闷车、硬质点(矸石)识别与摆速自适应控制功能，能及时保护截割机构部件，延长掘进机使用寿命，使掘进机能可靠工作；

(5)本发明的掘进机远程操作平台结合掘进机总控系统能够实现对掘进机的远程可视化手动控制和智能化控制；

(6)本发明的数据处理系统实现了掘进机全参数显示、远程可视化手动控制和智能化控制。在光照较弱或者粉尘较大等复杂工况条件下，通过热成像实现了掘进机视频+红外视频监控作业。

上述说明仅是本发明内容的概述，为了能够方便按照说明书内容实施，清楚表示和说明本发明的技术手段，以下为本发明的较优实施方式实例并配合附图详细说明如下：

附图说明

图1是本发明系统组成图

图2是悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统总体架构图

具体实施方式

为更进一步详细说明本发明设计为达成预定发明目的所采取的技术方案，以下结合附图及较佳实施实例，对本发明提出的一种悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统的具体实施方式、结构及其流程，详细说明如下：

如图1所示悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统分为掘进机、掘进机行走定位系统、掘进机断面自动截割系统、掘进机总控系统、掘进机远程操作平台(井下集控仓)、截割自适应控制系统(即，煤矸自动识别系统)、数据处理系统(井上监控平台)共包括七个子系统。

如图2所示悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统按照硬件所在区域，分为掘进工作面设备系统、井下远程集控仓、地面控制台三部分，掘进工作面设备与井下远程集控仓通过光纤连接，能够极好地降低网络延时，井下远程集控仓与地面操控台通过井下环网连接，三者相连接实现掘进机井下远程可视化智能控制以及井上可视化智能监控。

其中上述的掘进工作面设备主要包括主控制箱、主控显示设备(PCC480)以及交换机，三者相互连接。主控制箱中包括主控器(X90)、电压传感器、电流传感器、倾角传感器、执行控制单元与电机保护装置，主控器(X90)通过遥控接收机接受无线遥控器信号以实现远程控制。主控制箱中安装有若干传感器，水流量传感器、液压油压力传感器、电机温度传感器、液压油液位传感器、液压油温度传感器、截割升降油缸传感器、截割回转油缸传感器、截割压力传感器、截割电流传感器、截割头振动传感器、后支撑油缸传感器、前铲板油缸传感器、激光测距仪、瓦斯传感器、粉尘传感器以AI形式连接；捷联惯导、二维里程测量装置及振动传感器以CAN总线形式与主控制箱连接。主控显示设备与6个毫米波雷达以CAN总线连接，以232接口与2个激光标靶连接，以接收到扇形激光发射器的激光信号。掘进工作面设备中的交换机可以与热成像摄像头和6个红外摄像头进行数据传输，同时与井下远程集控仓以光纤连接进行通信，能够实现掘进过程掘进机位姿、巷道环境参数、截割过程控制参数全感知的功能。

其中上述的井下远程集控仓中操作箱、交换机、显示主机与4块显示屏依次连接，井下远程集控仓中的交换机与掘进工作面设备的交换机以光纤连接，以网线形式与井下环网连接进行数据传输，实现井下远程可视化智能控制。

其中上述的地面控制台中操作箱、交换机、显示主机与显示屏依次连接，通过井下环网与井下远程集控仓连接，实现井上可视化智能监控功能。

针对于悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统的七个子系统实例如下：

掘进机在具备煤矿井下完成巷道掘进功能的基础上，还具备智能掘进所需功能要求的结构和硬件，包括：加装智能机载控制器、机载显示器、掘进机激光位姿检测系统、惯性定位系统、掘进机定位系统(RPS)、超声波传感器、激光测距仪、防爆网络交换机、防爆摄像仪和红外摄像仪、双轴倾角传感器、油缸位移传感器、矿用压力传感器、电机电流传感器、本安型遥控器、瓦斯及粉尘传感器等，以及与上述功能和装置匹配的液压及电气系统的改造。

掘进机行走定位系统共包含激光位姿检测系统、掘进机行走轨迹及偏差感知系统、环境参数感知与障碍预警系统共三个子系统。激光位姿检测系统能够检测掘进机机身位姿参数偏向角、偏向位移、俯仰角、滚动角和车前距；掘进机行走轨迹及偏差感知系统具有掘进机机身位姿自动检测功能，利用光纤捷联惯导、激光偏距感知系统、二维里程测量装置，能够确定掘进机航向角及运动轨迹，为定向掘进提供必备参数；环境参数感知与障碍预警系统具有与障碍物距离相对应的绿、黄、红三级显示报警机制，具有掘进机行走远程控制功能，且远程控制距离不小于200米。

掘进机断面自动截割系统包含掘进巷道断面自动成形截割系统、巷道断面记忆截割系统与机身位姿误差动态补偿系统三个子系统，掘进巷道断面自动成形截割系统能够实现包括矩形、梯形、拱形等形状的巷道断面自动截割；巷道断面记忆截割系统能够实现截割过程人工示教和截割记忆复现，掘进机记忆截割过程由人工示范和记忆截割两部分组成。司机利用遥控器进行示范截割，控制系统根据对路径信息的拟合和优化进行记忆截割过程；机身位姿误差动态补偿系统通过偏向角和偏距等信息判断掘进机位姿偏差程度，若偏差较大，对掘进机位置、方向进行粗调整后，再进行掏槽；掏槽完成后，根据此时的偏向角和偏距调整截割参数以反向补偿掘进机位姿偏差，保证巷道精准掘进。

掘进机总控系统是掘进机的控制中心，与行走定位系统控制掘进机实现机身位姿自动检测功能；能够控制掘进机自动检测位置坐标、航向角、俯仰角和横滚角，通过数字化地图将掘进机的位置、轨迹、航向和姿态等信息实时直观呈现，为掘进机远程智能控制提供参数基础；与断面自动截割系统控制掘进机实现任常见状巷道断面自动截割成形，自动刷帮，控制掘进机记忆截割；能够控制掘进机根据位姿参数和误差补偿极限，补偿位姿误差，保证巷道断面截割精度和定向掘进；与截割自适应控制系统联合实现PID截割臂摆臂速度自适应控制功能，识别截割过程中煤矸性状，保护截割驱动系统；能够实现掘进过程掘进机位姿、巷道环境参数、截割过程控制参数全感知及其远程通信功能。

掘进机远程操作平台(井下集控仓)能够实现掘进机远程控制，掘进机工作状态多参数监测与显示、远程视频监控；能够实现掘进机位姿、巷道环境、截割控制全参数远程可视化监测；能够实现远程控制掘进机实现任意常见巷道断面自动截割成形，自动刷帮，记忆截割；能够远程控制掘进机补偿掘进机位姿误差，保证巷道断面截割精度和定向掘进；能够远程控制掘进机实现PID截割臂摆臂速度自适应截割，识别截割过程中煤矸性状，保护截割驱动系统；能够远程视频和红外视频监控掘进机作业，在光照不高或者粉尘大的情况下，通过热成像对工作面进行成像，判断巷道或者障碍物的基础轮廓。

截割自适应控制系统即煤矸自动识别系统，能够基于多种传感器信息判断截割情况，实现截割臂自适应煤岩截割，处理特殊截割工况，能够针对巷道断面煤矸性状不同，基于PID技术实现掘进机悬臂摆速自适应控制功能，预防闷车功能和车体减振防摆功能。

数据处理系统即井上监控平台能够与掘进机行走定位系统、断面自动截割系统、掘进机总控系统、远程操作平台、煤矸自动识别系统进行通信，通过煤矿工业环网接收掘进机井下监控系统传来的掘进机的各种信息，实现地面远程监测、遥控、视频监控功能，同时具有数据智能显示分析功能，包括掘进机位姿、巷道环境、截割控制的全参数远程可视化，包括掘进机机身位姿5参数(偏向角、偏向位移、俯仰角、滚动角、车前距)，掘进机位置坐标，截割头空间位置与轨迹，巷道数字化地图，掘进机巷道位置、轨迹、航向和姿态等，当掘进机各项参数出现故障或异常时进行预警提示，且具有截割状态和位姿误差智能显示分析功能，包括对自动截割成形、自动刷帮、记忆截割和误差补偿信息进行显示与智能分析，并装有6个摄像仪以及1个热成像摄像仪实现摄像仪视频和红外摄像仪视频信息显示功能。

Claims (8)

1.一种悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统，其特征在于该系统按照硬件所在区域，分为掘进工作面设备系统、井下远程集控仓、地面控制台三部分，具体分为掘进机、掘进机行走定位系统、掘进机断面自动截割系统、掘进机总控系统、掘进机远程操作平台(井下集控仓)、截割自适应控制系统(即，煤矸自动识别系统)、数据处理系统(井上监控平台)共包括七个子系统，具备掘进机全参数感知、远程测控、可视化交互式远程操控等功能。

2.根据权利要求1所述的一种悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统，其特征在于所述的掘进机在具备煤矿井下完成巷道掘进功能的基础上，还具备智能掘进所需功能要求的结构和硬件，包括：加装智能机载控制器、机载显示器、掘进机激光位姿检测系统、惯性定位系统、掘进机定位系统(RPS)、超声波传感器、激光测距仪、防爆网络交换机、防爆摄像仪和红外摄像仪、双轴倾角传感器、油缸位移传感器、矿用压力传感器、电机电流传感器、本安型遥控器、瓦斯及粉尘传感器等，以及与上述功能和装置匹配的液压及电气系统的改造。

3.根据权利要求1所述的一种悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统，其特征在于所述的掘进机行走定位系统共包含激光位姿检测系统、掘进机行走轨迹及偏差感知系统、环境参数感知与障碍预警系统共三个子系统，激光位姿检测系统能够检测掘进机机身位姿参数偏向角、偏向位移、俯仰角、滚动角和车前距；掘进机行走轨迹及偏差感知系统具有掘进机机身位姿自动检测功能，利用光纤捷联惯导、激光偏距感知系统、二维里程测量装置，能够确定掘进机航向角及运动轨迹，为定向掘进提供必备参数；环境参数感知与障碍预警系统具有与障碍物距离相对应的绿、黄、红三级显示报警机制，具有掘进机行走远程控制功能，且远程控制距离不小于200米。

4.根据权利要求1所述的一种悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统，其特征在于所述的掘进机断面自动截割系统包含掘进巷道断面自动成形截割系统、巷道断面记忆截割系统与机身位姿误差动态补偿系统三个子系统，掘进巷道断面自动成形截割系统能够实现包括矩形、梯形、拱形等形状的巷道断面自动截割；巷道断面记忆截割系统能够实现截割过程人工示教和截割记忆复现，掘进机记忆截割过程由人工示范和记忆截割两部分组成，司机利用遥控器进行示范截割，控制系统根据对路径信息的拟合和优化进行记忆截割过程；机身位姿误差动态补偿系统通过偏向角和偏距等信息判断掘进机位姿偏差程度，若偏差较大，对掘进机位置、方向进行粗调整后，再进行掏槽；掏槽完成后，根据此时的偏向角和偏距调整截割参数以反向补偿掘进机位姿偏差，保证巷道精准掘进。

5.根据权利要求1所述的一种悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统，其特征在于所述的掘进机总控系统是掘进机的控制中心，与行走定位系统控制掘进机实现机身位姿自动检测功能；能够控制掘进机自动检测位置坐标、航向角、俯仰角和横滚角，通过数字化地图将掘进机的位置、轨迹、航向和姿态等信息实时直观呈现，为掘进机远程智能控制提供参数基础；与断面自动截割系统控制掘进机实现任常见状巷道断面自动截割成形，自动刷帮，控制掘进机记忆截割；能够控制掘进机根据位姿参数和误差补偿极限，补偿位姿误差，保证巷道断面截割精度和定向掘进；与截割自适应控制系统联合实现PID截割臂摆臂速度自适应控制功能，识别截割过程中煤矸性状，保护截割驱动系统；能够实现掘进过程掘进机位姿、巷道环境参数、截割过程控制参数全感知及其远程通信功能。

6.根据权利要求1所述的一种悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统，其特征在于所述的掘进机远程操作平台即井下集控仓能够实现掘进机远程控制，掘进机工作状态多参数监测与显示、远程视频监控；能够实现掘进机位姿、巷道环境、截割控制全参数远程可视化监测；能够实现远程控制掘进机实现任意常见巷道断面自动截割成形，自动刷帮，记忆截割；能够远程控制掘进机补偿掘进机位姿误差，保证巷道断面截割精度和定向掘进；能够远程控制掘进机实现PID截割臂摆臂速度自适应截割，识别截割过程中煤矸性状，保护截割驱动系统；能够远程视频和红外视频监控掘进机作业，在光照不高或者粉尘大的情况下，通过热成像对工作面进行成像，判断巷道或者障碍物的基础轮廓。

7.根据权利要求1所述的一种悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统，其特征在于所述的截割自适应控制系统即煤矸自动识别系统，能够基于多种传感器信息判断截割情况，实现截割臂自适应煤岩截割，处理特殊截割工况，能够针对巷道断面煤矸性状不同，基于PID技术实现掘进机悬臂摆速自适应控制功能，预防闷车功能和车体减振防摆功能。

8.根据权利要求1所述的一种悬臂式掘进机位姿感知与智能截割遥控系统，其特征在于所述的数据处理系统即井上监控平台能够与掘进机行走定位系统、断面自动截割系统、掘进机总控系统、远程操作平台、煤矸自动识别系统进行通信，通过煤矿工业环网接收掘进机井下监控系统传来的掘进机的各种信息，实现地面远程监测、遥控、视频监控功能，同时具有数据智能显示分析功能，包括掘进机位姿、巷道环境、截割控制的全参数远程可视化，包括掘进机机身位姿5参数(偏向角、偏向位移、俯仰角、滚动角、车前距)，掘进机位置坐标，截割头空间位置与轨迹，巷道数字化地图，掘进机巷道位置、轨迹、航向和姿态等，当掘进机各项参数出现故障或异常时进行预警提示，且具有截割状态和位姿误差智能显示分析功能，包括对自动截割成形、自动刷帮、记忆截割和误差补偿信息进行显示与智能分析，并装有6个摄像仪以及1个热成像摄像仪实现摄像仪视频和红外摄像仪视频信息显示功能。