CN116988843A - 矿井地下电动铲运机智能作业系统及作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿井地下电动铲运机智能作业系统及作业方法，涉及矿井作业系统技术领域。包括地表远程控制中心、通讯网络和若干台铲运机，所述若干台铲运机分别通过通讯网络与地表远程控制中心相连接；所述地表远程控制中心位于井上，所述通讯网络包括井上部分和井下部分，所述若干台铲运机位于井下；所述铲运机包括铲运机主体，所述铲运机主体上设有机载控制单元，以及分别与机载控制单元连接的环境监控单元和状态监控单元。本发明解决了现有的铲运机中，所存在着的智能化程度较低、功能集成度低、所需人力成本高的问题。

Description

矿井地下电动铲运机智能作业系统及作业方法

技术领域

本发明涉及矿井作业系统技术领域，具体为一种矿井地下电动铲运机智能作业系统及作业方法。

背景技术

近年来，在矿井开采及维护领域中，随着对高效、安全、环保、机械化作业需求的不断提高，煤矿井下辅助运输方面正逐步采用无轨辅助运输方式代替传统辅助运输方式，铲运机是实现矿井地下无轨运输的主力设备。随着人工智能相关技术与矿井生产的深度结合，智能矿井已成为当下的主要发展方向；基于此，也就对铲运机作业提出了更高的智能化要求。

然而，大多数传统铲运机仍然为人工驾驶方式，除了无法满足智能化发展要求之外，人工驾驶方式还会导致较高的安全隐患。例如公开号为CN116025022A的中国专利提供了一种铲运机，包括动力箱、驾驶室、铲头和用于驱动铲头运转的驱动总成，动力箱内设置有用于给驱动总成提供能源的供能装置，供能装置散发的热量可进入驾驶室给驾驶室保温，令该铲运机在冬季使得作业人员体感相对较好；但是，该铲运机不具备智能化，仍旧需要作业人员进行现场人工驾驶，所以存在着安全性低、工作效率低、人力成本高等问题。

基于上述情况，市场上逐渐出现了一些能够遥控驾驶的铲运机，以将人工操作从作业环境中解放出来，从而提高作业人员的安全性。然而，这类铲运机中的大部分也只能实现单纯的遥控效果，并不具备监测、避障、报警等其他相关方面的智能化，使得这些工作仍需要依赖人工完成，从而不能较大程度上减轻人工成本，也无法保证良好的作业效果。例如公开号为CN116254889A的中国专利提供了一种地下小型遥控铲运机工作装置，其电控箱内安装有电力系统，通过外部的遥控装置控制行走结构运行，实现铲运车的前进和后退，取代人工操作的方式，解决了人员直面采场，避免了人员可能伤亡的情况；但是该遥控装置依赖人工进行持续操作，并且铲运机上不具备进行监测、避障、报警等其他相关功能的实现结构，使得装置本身和作业方式的智能化程度都比较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿井地下电动铲运机智能作业系统及作业方法，以解决现有的铲运机中，所存在着的智能化程度较低、功能集成度低、所需人力成本高的问题。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种矿井地下电动铲运机智能作业系统，包括地表远程控制中心、通讯网络和若干台铲运机，所述若干台铲运机分别通过通讯网络与地表远程控制中心相连接；所述地表远程控制中心位于井上，所述通讯网络包括井上部分和井下部分，所述若干台铲运机位于井下；所述铲运机包括铲运机主体，所述铲运机主体上设有机载控制单元，以及分别与机载控制单元连接的环境监控单元和状态监控单元；所述铲运机用于执行井下铲运作业，所述通讯网络用于实现铲运机与地表远程控制中心之间的通讯互联，所述地表远程控制中心用于实现对铲运机的远程监控。

本发明所提供的铲运机智能作业系统中，相对于现有技术，进行了以下三大方面的优化：其一，关于铲运机本身，通过设置机载控制单元实现了对铲运机的遥控以及铲运机的自动运行，并且在此基础上进一步设置环境监控单元和状态监控单元，使得铲运机在作业时还能够自动获取作业现场环境信息和铲运机状态信息；其二，建立位于井上的地表远程控制中心，使得操作人员能够远程监控地下铲运机的各类状态信息以及铲运机所处的作业环境信息，不必到达作业现场；其三，在地下矿井和地表远程控制中心之间建立通讯网络，使得铲运机上的机载控制单元能够与地表远程控制中心之间进行通讯和信息传递。

进一步地，所述机载控制单元包括机载控制箱、机载无线接收器和GPS追踪器，机载控制箱内置路径信息和无人驾驶算法；所述环境监控单元包括三维激光扫描仪、广角红外传感器、防爆摄像头和温湿度传感器；所述状态监控单元包括陀螺仪、加速度传感器和转角传感器。

进一步地，所述铲运机主体包括前机架部分和后机架部分，所述前机架部分与后机架部分之间通过铰接结构连接，所述前机架部分和后机架部分的下部两侧均分别设有行走轮胎，所述前机架部分的前端位置处设有铲斗，所述铲斗和前机架部分之间设有举升动臂，所述后机架部分的前端位置处设有驾驶室；所述前机架部分和后机架部分的上部位置处分别设有三维激光扫描仪、广角红外传感器和防爆摄像头，所述举升动臂的销轴位置处设有陀螺仪和转角传感器，所述后机架部分上设有加速度传感器和温湿度传感器，所述驾驶室内设有机载控制箱、机载无线接收器和GPS追踪器。

进一步地，所述前机架部分上的广角红外传感器和防爆摄像头为朝向前方设置，所述后机架部分上的广角红外传感器和防爆摄像头为朝向后方设置。

进一步地，所述铲运机主体上还设有故障警示单元，故障警示单元包括警示灯和喇叭。

进一步地，所述地表远程控制中心包括中心服务器单元，以及分别与中心服务器单元连接的视频监控单元、报警单元和终端操作台；所述中心服务器单元中设置有数据处理模块、通讯模块、指令生成模块、存储模块，所述视频监控单元包括液晶显示屏，所述报警单元执行的是声光报警形式，所述终端操作台包括主机、操作面板和操作按钮。

进一步地，所述中心服务器单元中还设置有短信发送模块，所述短信发送模块用于将报警信息以短信的形式发送至操作人员的手机上。

进一步地，所述液晶显示屏包括若干个显示分屏，所述若干个显示分屏分别用于显示作业现场环境信息、铲运机状态信息、报警信息。

进一步地，所述通讯网络的井上部分包括服务器和总交换机，所述通讯网络的井下部分包括矿用环网交换机和若干个无线AP装置；所述服务器与总交换机连接，所述矿用环网交换机的一端与总交换机连接，矿用环网交换机的另一端分别与若干个无线AP装置连接，若干个无线AP装置分别设置在井下的多条作业巷道内。

一种矿井地下电动铲运机智能作业系统的作业方法，应用于以上所述的智能作业系统，包括如下步骤：

S1：开始作业后，机载控制单元控制铲运机自动运行，随着铲运机的动作，环境监控单元实时监测并获取作业现场环境信息，状态监控单元实时获取铲运机状态信息；

S2：作业现场环境信息和铲运机状态信息发送至机载控制单元，机载控制单元对接收到的信息进行运算处理，经过运算处理后得到上报信息与控制指令，机载控制单元通过通讯网络将上报信息发送至地表远程控制中心，并通过控制指令控制铲运机执行行走、铲装、避障、报警等动作；

S3：操作人员通过地表远程控制中心查看铲运机传回的上报信息，上报信息包括作业现场环境信息、铲运机状态信息和报警信息；

S4：当需要人工进行干预时，操作人员通过终端操作台作出相应的操作指令，操作指令经过中心服务器单元处理后，通过通讯网络传至铲运机，机载控制单元对接收到的操作指令进行解析后控制铲运机执行相应动作。

本发明实现的有益效果是：

本发明提供一种矿井地下电动铲运机智能作业系统及作业方法，通过建立地表远程控制中心和通讯网络，并对传统铲运机的结构设置和作业方式进行改进，能够实现自动运行、同步监控、及时反馈、作用精准等效果。与需要人工现场作业或者只能实现单纯遥控效果的现有铲运机和作业方式相比，本发明除能够对铲运机进行远程遥控操作之外，还能够使铲运机自动运行，铲运机在作业时能够自动获取作业现场环境信息和铲运机状态信息，并且不仅能够将这些信息传至地表远程控制中心以显示给操作人员，还可以根据这些信息进行自主避障、导向行走等功能。因此，本发明所述的作业系统和作业方法具备较高的智能化程度，可以保证人员安全性并大大节省人力成本，同时有利于作业效果和作业效率的大幅度提高，符合市场的发展需求。

附图说明

图1是本发明实施例所述智能作业系统的组成示意图；

图2是本发明实施例所述通讯网络的架构示意图；

图3是本发明实施例所述铲运机的结构示意图；

图中：1、前机架部分；2、后机架部分；3、铰接结构；4、行走轮胎；5、铲斗；6、举升动臂；7、三维激光扫描仪；8、广角红外传感器；9、防爆摄像头。

具体实施方式

为清楚说明本发明中的方案，下面结合附图做进一步说明：

实施例1

本实施例第一方面提供一种矿井地下电动铲运机智能作业系统，如图1所示，包括地表远程控制中心、通讯网络和若干台铲运机，若干台铲运机分别通过通讯网络与地表远程控制中心相连接；地表远程控制中心位于井上，通讯网络包括井上部分和井下部分，若干台铲运机位于井下。具体地：

地表远程控制中心包括中心服务器单元，以及分别与中心服务器单元连接的视频监控单元、报警单元和终端操作台；中心服务器单元中设置有数据处理模块、通讯模块、指令生成模块、存储模块，视频监控单元包括液晶显示屏，报警单元执行的是声光报警形式，终端操作台包括主机、操作面板和若干个操作按钮。中心服务器单元中还设置有短信发送模块，通过短信发送模块可将报警信息以短信的形式发送至操作人员的手机上。液晶显示屏包括若干个显示分屏，若干个显示分屏分别用于显示作业现场环境信息、铲运机状态信息、报警信息。

如图2所示，通讯网络的井上部分包括服务器和总交换机，通讯网络的井下部分包括矿用环网交换机和若干个无线AP装置。服务器与总交换机连接，矿用环网交换机的一端与总交换机连接，矿用环网交换机的另一端分别与若干个无线AP装置连接，若干个无线AP装置分别设置在井下的多条作业巷道内，由此可以实现铲运机作业巷道的无线信号全覆盖。其中，无线AP装置采用高通方案，并支持IEEE802.11ac标准的高性能、高带宽、多功能电信级无线设备，其WIFI信号具有较好的抗干扰和反射、折射能力，使得在操作人员与铲运机之间能够形成可靠、稳定、迅捷的传输网络。

通讯网络是本智能化技术方案中关键的一环，其性能的优劣直接决定了整个作业系统的工作性能。本实施例中，对通讯网络的具体性能参数见下表：

表1通讯网络性能要求

如图3所示，铲运机包括铲运机主体，铲运机主体上设有机载控制单元，以及分别与机载控制单元连接的环境监控单元、状态监控单元、故障警示单元。

具体地：

机载控制单元包括机载控制箱、机载无线接收器和GPS追踪器，机载控制箱内置路径信息和基于LQR的无人驾驶算法；环境监控单元包括三维激光扫描仪7、广角红外传感器8、防爆摄像头和温湿度传感器；状态监控单元包括陀螺仪、加速度传感器和转角传感器；故障警示单元包括警示灯和喇叭。

铲运机主体包括前机架部分1和后机架部分2，前机架部分1与后机架部分2之间通过铰接结构3连接，前机架部分1和后机架部分2的下部两侧均分别设有行走轮胎4，前机架部分1的前端位置处设有铲斗5，铲斗5和前机架部分1之间设有举升动臂6，后机架部分2的前端位置处设有驾驶室。前机架部分1和后机架部分2的上部位置处分别设有三维激光扫描仪7、广角红外传感器8和防爆摄像头9，举升动臂6的销轴位置处设有陀螺仪和转角传感器，后机架部分2上设有加速度传感器、温湿度传感器、警示灯和喇叭，驾驶室内设有机载控制箱、机载无线接收器和GPS追踪器。其中，前机架部分1上的广角红外传感器8和防爆摄像头9为朝向前方设置，后机架部分2上的广角红外传感器8和防爆摄像头9为朝向后方设置；当实际条件允许的情况下，可以采用旋转式的防爆摄像头9。

需要特别说明的是，铲运机主体的进一步具体结构组成属于本领域现有技术，因此本文中不再进行赘述，只是将本技术方案中相对于现有铲运机的不同之处加以说明，并在本实施例的附图3中仅体现了需要重点强调位置的三维激光扫描仪7、广角红外传感器8和防爆摄像头9，其他器件的具体位置可由本领域技术人员根据实际情况进行确定。

本实施例中，铲运机的具体参数设置见下表：

表2 WJD-2铲运机主要参数

本实施例第二方面提供一种矿井地下电动铲运机智能作业系统的作业方法，应用于以上所述的智能作业系统，包括如下步骤：

S1：开始作业后，机载控制单元控制铲运机自动运行(本作业系统同样支持手动驾驶模式，由操作人员根据现场实际情况选择手动或自动驾驶)，随着铲运机的动作，环境监控单元实时监测并获取作业现场环境信息，状态监控单元实时获取铲运机状态信息。

具体地：机载控制单元中，根据机载控制箱内置的路径信息和无人驾驶算法来驱动铲运机自动行走，机载无线接收器可以接收地表远程控制中心通过通讯网络传送而来的指令，GPS追踪器可对铲运机进行位置跟踪与位置信息发送。环境监控单元中，通过三维激光扫描仪7和广角红外传感器8可实时扫描识别路障信息及进行相应处理，通过防爆摄像头9可实时获取作业巷道内的图像，通过温湿度传感器可以检测作业巷道内的温湿度数值。状态监控单元中，通过陀螺仪和转角传感器可以检测并获取铲运机的转向状态信息，通过加速度传感器可以获取铲运机工作的加速度数值。

S2：作业现场环境信息和铲运机状态信息发送至机载控制单元，机载控制单元对接收到的信息进行运算处理，经过运算处理后得到上报信息与控制指令，机载控制单元通过通讯网络将上报信息发送至地表远程控制中心，并通过控制指令控制铲运机执行行走、铲装、避障、报警等动作。

具体地：机载控制单元中的控制算法对接收到的信息进行运算处理后，会得到上报信息通过通讯网络发送至地表远程控制中心，并根据运算处理的结果发出相应控制指令，以控制铲运机执行行走、铲装、避障等动作。当机载控制单元判断作业现场环境参数和铲运机状态参数超过设定门限时，会控制故障警示单元执行声光报警，同时也会将报警信息上传至地表远程控制中心。

S3：操作人员通过地表远程控制中心的液晶显示屏，查看铲运机传回的上报信息，上报信息包括作业现场环境信息、铲运机状态信息和报警信息。

S4：当有突发状况发生、需要人工进行干预时，操作人员通过终端操作台作出相应的操作指令，操作指令经过中心服务器单元处理后，通过通讯网络传至铲运机，机载控制单元对接收到的操作指令进行解析后控制铲运机执行相应动作。

综上所述，本实施例提供的矿井地下电动铲运机智能作业系统及作业方法，通过建立地表远程控制中心和通讯网络，并对传统铲运机的结构设置和作业方式进行改进，能够实现自动运行、同步监控、及时反馈、作用精准等效果，具备较高的智能化程度，可以保证人员安全性并大大节省人力成本，同时有利于作业效果和作业效率的大幅度提高，符合市场的发展需求。

当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种矿井地下电动铲运机智能作业系统，其特征在于：

包括地表远程控制中心、通讯网络和若干台铲运机，所述若干台铲运机分别通过通讯网络与地表远程控制中心相连接；所述地表远程控制中心位于井上，所述通讯网络包括井上部分和井下部分，所述若干台铲运机位于井下；所述铲运机包括铲运机主体，所述铲运机主体上设有机载控制单元，以及分别与机载控制单元连接的环境监控单元和状态监控单元；

所述铲运机用于执行井下铲运作业，所述通讯网络用于实现铲运机与地表远程控制中心之间的通讯互联，所述地表远程控制中心用于实现对铲运机的远程监控。

2.根据权利要求1所述的矿井地下电动铲运机智能作业系统，其特征在于：所述机载控制单元包括机载控制箱、机载无线接收器和GPS追踪器，机载控制箱内置路径信息和无人驾驶算法；所述环境监控单元包括三维激光扫描仪(7)、广角红外传感器(8)、防爆摄像头(9)和温湿度传感器；所述状态监控单元包括陀螺仪、加速度传感器和转角传感器。

3.根据权利要求2所述的矿井地下电动铲运机智能作业系统，其特征在于：所述铲运机主体包括前机架部分(1)和后机架部分(2)，所述前机架部分(1)与后机架部分(2)之间通过铰接结构(3)连接，所述前机架部分(1)和后机架部分(2)的下部两侧均分别设有行走轮胎(4)，所述前机架部分(1)的前端位置处设有铲斗(5)，所述铲斗(5)和前机架部分(1)之间设有举升动臂(6)，所述后机架部分(2)的前端位置处设有驾驶室；所述前机架部分(1)和后机架部分(2)的上部位置处分别设有三维激光扫描仪(7)、广角红外传感器(8)和防爆摄像头(9)，所述举升动臂(6)的销轴位置处设有陀螺仪和转角传感器，所述后机架部分(2)上设有加速度传感器和温湿度传感器，所述驾驶室内设有机载控制箱、机载无线接收器和GPS追踪器。

4.根据权利要求3所述的矿井地下电动铲运机智能作业系统，其特征在于：所述前机架部分(1)上的广角红外传感器(8)和防爆摄像头(9)为朝向前方设置，所述后机架部分(2)上的广角红外传感器(8)和防爆摄像头(9)为朝向后方设置。

5.根据权利要求1所述的矿井地下电动铲运机智能作业系统，其特征在于：所述铲运机主体上还设有故障警示单元，故障警示单元包括警示灯和喇叭。

6.根据权利要求1所述的矿井地下电动铲运机智能作业系统，其特征在于：所述地表远程控制中心包括中心服务器单元，以及分别与中心服务器单元连接的视频监控单元、报警单元和终端操作台；所述中心服务器单元中设置有数据处理模块、通讯模块、指令生成模块、存储模块，所述视频监控单元包括液晶显示屏，所述报警单元执行的是声光报警形式，所述终端操作台包括主机、操作面板和操作按钮。

7.根据权利要求6所述的矿井地下电动铲运机智能作业系统，其特征在于：所述中心服务器单元中还设置有短信发送模块，所述短信发送模块用于将报警信息以短信的形式发送至操作人员的手机上。

8.根据权利要求6所述的矿井地下电动铲运机智能作业系统，其特征在于：所述液晶显示屏包括若干个显示分屏，所述若干个显示分屏分别用于显示作业现场环境信息、铲运机状态信息、报警信息。

9.根据权利要求1所述的矿井地下电动铲运机智能作业系统，其特征在于：所述通讯网络的井上部分包括服务器和总交换机，所述通讯网络的井下部分包括矿用环网交换机和若干个无线AP装置；所述服务器与总交换机连接，所述矿用环网交换机的一端与总交换机连接，矿用环网交换机的另一端分别与若干个无线AP装置连接，若干个无线AP装置分别设置在井下的多条作业巷道内。

10.一种矿井地下电动铲运机智能作业系统的作业方法，应用于权利要求1-9任一所述的智能作业系统，其特征在于，包括如下步骤：

S1：开始作业后，机载控制单元控制铲运机自动运行，随着铲运机的动作，环境监控单元实时监测并获取作业现场环境信息，状态监控单元实时获取铲运机状态信息；

S2：作业现场环境信息和铲运机状态信息发送至机载控制单元，机载控制单元对接收到的信息进行运算处理，经过运算处理后得到上报信息与控制指令，机载控制单元通过通讯网络将上报信息发送至地表远程控制中心，并通过控制指令控制铲运机执行行走、铲装、避障、报警动作；

S3：操作人员通过地表远程控制中心查看铲运机传回的上报信息，上报信息包括作业现场环境信息、铲运机状态信息和报警信息；

S4：当需要人工进行干预时，操作人员通过终端操作台作出相应的操作指令，操作指令经过中心服务器单元处理后，通过通讯网络传至铲运机，机载控制单元对接收到的操作指令进行解析后控制铲运机执行相应动作。