悬臂式掘进机视觉导航与定向掘进控制技术

煤矿巷道掘进装备位姿测量是国内外目前研究的热点,不同的巷道快速掘进系统均面临定向导航难题。为解决煤矿井下悬臂式掘进机自动定向掘进控制难题,提出一种基于视觉导航的悬臂式掘进机自动定向掘进控制方法,利用单目视觉测量技术,以巷道中激光指向仪的激光点和激光束为特征构建基于门形结构的掘进机机身位姿视觉测量模型,通过空间矩阵变换解算巷道中机身位姿。根据悬臂式掘进机运动特点确定掘进机纠偏控制策略,基于悬臂式掘进机运动学建立掘进机定向掘进运动控制模型,采用backstepping方法,选取合适的Lyapunov函数设计掘进机轨迹跟踪控制器,有效解决掘进机轨迹跟踪控制问题。实验结果表明:悬臂式掘进机机身位姿视觉测量方法可有效实现井下工作环境中悬臂式掘进机机身的位姿测量,得到掘进机机身位置测量误差在±40 mm以内,姿态角角度测量误差在±0.3°以内;轨迹跟踪控制器可实现悬臂式掘进机的自动定向掘进功能,其运动控制精度在±20 mm以内,满足巷道施工的精度要求。该方法中工业相机固定安装于掘进装备机身,且利用激光指向仪点-线特征构建门型三线模型作为位姿测量基准,与相关研究对比,具有不易脱靶、标靶移动少等优点。     

悬臂式掘进机截割头姿态视觉检测系统

针对悬臂式掘进机截割头姿态检测难题,提出一种利用视觉传感器识别红外标靶特征的截割头姿态测量方法,并构建了测量系统。该系统以掘进机截割部所安装标识板上的红外LED作为信息来源,通过对红外LED特征点成像特征的分析,建立掘进机截割头姿态空间解算模型。通过防爆工业相机采集布置于掘进机截割部标识板的红外LED特征点图像,利用高斯曲面拟合算法对特征点进行中心定位;采用P4P方法对特征点的空间三维坐标进行求解;并且建立了基于误差模型的对偶四元数截割头位姿最优解算模型,完成掘进机截割头姿态角解算。最终,在实验室条件下,搭建了掘进机截割部姿态视觉测量平台,模拟截割部实际工况姿态。试验结果表明,该方法的角度测量误差在0.5°范围以内,可以满足掘进机截割过程中截割头姿态角自动、准确、实时测量的要求。     

基于单目视觉的煤矿井下智能掘进系统研究

针对目前煤矿井下掘进系统智能化建设推进的众多阻碍，为了井下悬臂式掘进机在复杂环境下的动态定位测量，提出一种基于单目视觉的采用点-线激光标靶和防爆相机相结合的悬臂式掘进机及截割头的非接触式精准测量智能系统，该系统通过激光束及红外标靶成像进行掘进机机身及截割头的定位测量，具有定位速度快、实时同步数据、结构简单等特点，优化了掘进机在井下复杂环境中动态定位的准确性。同时，针对掘进机械定位过程中可能导致的测量误差进行了分析，并提出了相应的改进措施。     

基于ADAMS仿真的悬臂式掘进机截割过程机身位姿变化分析

基于ADAMS仿真对掘进机截割过程中机身位姿变化进行分析。利用Solid Works建立掘进机整机三维实体模型,然后导入ADAMS中建立虚拟样机模型,对截割头施加载荷进行仿真,得到掘进机截割过程中机身位姿变化规律。悬臂式掘进机截割过程机身位姿变化规律能够为掘进机机身位姿纠偏和自适应截割提供重要的理论依据。     

基于空间交汇测量技术的悬臂式掘进机位姿自主测量方法

根据深部危险煤层无人化开采的需求,要实现无人环境下对悬臂式掘进机位姿的高精度测量。提出一种基于空间交汇测量技术的悬臂式掘进机自主位姿测量方法,由悬臂式掘进机搭载激光发射器并发射旋转激光平面,在其后方安装位置固定的激光接收器并通过激光平面获取激光发射器相对于其自身的方位,从而得到悬臂式掘进机相对于由激光接收器确定的巷道坐标系的位姿状态。构建悬臂式掘进机位姿测量的数学模型,运用仿真软件对该模型进行仿真并分析位姿测量精度。仿真表明：在激光发射器与激光接收器相距25 m时悬臂式掘进机定位点的最大测量误差在X轴,测量误差为0.082 3 m;姿态角的最大测量误差为横滚角,测量误差为2.018 4°。基本满足目前煤矿综掘工作面对悬臂式掘进机位姿测量精度的要求。     

悬臂式掘进机视觉伺服截割控制系统研究

悬臂式掘进机的自动化、智能化程度低严重制约着煤矿巷道施工技术的发展,智能掘进技术成为目前国内外研究的热点.针对煤矿悬臂式掘进机自动截割控制问题,将视觉测量传感器应用于悬臂式掘进机截割头的控制系统中,提出了悬臂式掘进机视觉伺服截割控制系统.根据悬臂式掘进机的运动学,利用视觉测量系统有效实时反馈截割头位姿,融合惯性导航系统...     

悬臂式掘进机空间位姿的运动学模型与仿真

为实现掘进断面自动截割成形控制,达到无人采掘装备自主巡航目标,研究了悬臂式掘进机空间位姿运动学模型并进行了仿真。将悬臂式掘进机的机械机构简化为一系列平移或旋转关节串联而成的运动链,建立了掘进机空间位姿坐标体系;利用齐次坐标变换和机器人运动学相关理论建立了掘进机机身位姿和截割头相对于大地坐标系的空间位姿矩阵。采用D-H法求解了正向运动学问题即截割头空间位姿精确定位;采用代数法分析研究了逆向运动学问题即截割头轨迹规划及控制的数学模型。以EBZ200机型为例,实验仿真了类S形自下而上矩形截割断面工艺路径,并进行了现场多组试验。试验结果表明：设定巷道断面4 500 mm×4 000 mm,两帮综合最大误差为65 mm,相对控制最大误差为1.4%,达到煤巷断面质量精度要求,且重复精度高、无累计偏差。     

机器人化掘进机的运动分析及车体定位

为实现对悬臂式掘进机的截割断面实时监测和自动控制,对其机器人化模型进行简化.采用平行坐标系法建立掘进机连杆坐标系和工作坐标系,通过坐标变换矩阵描述掘进机悬臂的姿态以及掘进机车体相对巷道坐标系的位姿变换关系,并基于闭环尺寸链实现了掘进机车体以及截割头在作业空间的姿态定位.在分析掘进机悬臂运动学的基础上,讨论了掘进作业控制的正向和逆向问题,并进行了仿真验证.分析表明,掘进机作业控制正解是截割断面监测的基础,逆解可指导掘进操作和实现掘进自动控制.     

基于机器视觉的悬臂式掘进机机身位姿检测系统

针对矿井巷道自动掘进的需求,为矿用悬臂式掘进机构建了一套机身位姿实时检测系统。该系统以十字激光器与激光标靶为信息来源,通过对标靶上十字光线成像特征的分析,建立了掘进机机身位姿空间解算模型。该模型利用机身与十字激光面的空间关系,使用空间矩阵变换方法,得到机身相对于巷道的三轴倾角以及在巷道断面上的偏离位移,实现了掘进机机身位姿的自动实时检测。最终,在实验室条件下,搭建了机身位姿自动检测试验平台,模拟掘进机在巷道内的姿态,试验结果表明:测量范围在2~100 m时,系统的角度测量误差在0.5°范围内,位移的检测误差小于20 mm,能够满足巷道施工过程中掘进机机身位姿自动、精确、实时测量的要求。     

悬臂式掘进机姿态检测及记忆截割控制系统研究

为实现悬臂式掘进机定向截割和断面截割自动控制,进一步提高自动截割成形控制精度,提出了悬臂式掘进机机身的姿态检测技术和记忆自动截割技术。通过对悬臂式掘进机机身位姿进行自动检测,提高了截割精度,并结合可编程计算机控制器PCC设计了记忆自动截割控制系统,提高了掘进机的自动化控制精度。通过井下工业性试验结果表明,该系统运行稳定可靠,控制精度较高。     

基于激光靶向跟踪的掘进机位姿测量方法

为了通过单点布站实现掘进机所有位姿参数的自动测量,在分析现有掘进机位姿测量方法的基础上,提出基于激光跟踪云台与激光标靶组合测量的掘进机位姿测量方法。阐述了测量系统的组成、工作原理及激光标靶提取光斑坐标的方法,通过研究掘进机位姿、激光标靶位姿、激光跟踪云台位姿以及巷道坐标系之间的转换关系,建立掘进机位姿测量系统的数学模型,解算出掘进机相对于巷道坐标系的绝对位姿的数学表达式,并采用Matlab分析了掘进机各位置和姿态参数的测量误差。实验结果表明:测量距离为60 m时的翻滚角误差小于0.7°,俯仰角误差小于0.7°,方向角误差小于0.2°,X轴误差小于10 mm,Y轴误差小于40 mm,Z轴误差小于30 mm,满足掘进机位姿测量的精度要求。     

试论悬臂式掘进机的稳定性

<正> 一、概述七十年代以来,随着采煤机械化的发展,巷道掘进的机械化也有了较大发展,国内外研制和使用的巷道掘进机,类型很多。按照掘进机对于巷道断面的作用方式,可分为全断面巷道掘进机和部分断面巷道掘进机两大类。部分断面巷道掘进机,也称为循环作用式巷道掘进机。其工作机构仅能同时截割工作面煤岩断面的一部分,为了截割破落整个工作面的煤岩,必须在断面内多次连续地移动工作机构的截割头。不同形式的截割头安装在工作机构的悬臂上,悬臂又可沿工作面的水平或垂直方向作左右或上下的摆动,这种称为悬臂式工作机构,具有悬臂式工作机构的掘进机,通常     

悬臂式掘进机自动截割控制系统研究

以煤矿 EBZ220 型悬臂式掘进机悬臂机构为研究对象,建立悬臂机构的截割运动在巷道断面的数学模 型,确定截割头在巷道断面投影的位置坐标与截割机构升降油缸、回转油缸伸缩长度及截割机构摆动角度之间的几 何关系。 经控制单元计算出掘进机截割头在巷道空间下的实时位置坐标,并与上位机设定的巷道边界参数进行比 较,提出具有反馈控制的巷道断面自动截割控制方案。 针对常见的矩形、梯形及半圆拱形 3 种巷道断面形状设计了控 制程序、截割工艺路径及人机交互界面功能。 以 EBZ220 型悬臂式掘进机为样机进行地面和井下试验,应用结果表 明,该控制系统可靠性高、实时性强,控制精度高,能满足巷道掘进工作面自动截割控制的要求,巷道断面自动成形控 制精度≤15 cm / 20 m,悬臂机构动态俯仰角和偏航角测量精度≤0. 1°,为实现煤矿掘进工作面智能化、无人化提供一 些技术研究基础。     

悬臂掘进机自动截割控制关键技术

阐述了悬臂掘进机巷道自动截割控制的4个关键技术,即掘进巷道断面自动成形控制、截割头恒功率自动牵引调速控制、掘进机位姿检测控制以及掘进机定向掘进控制。其中前2个关键技术已在EBZ160、EBZ200和EBH300机型上得到实施,试验效果很好。认为,该关键技术的研究为实现掘进工作面智能化、自动化、信息化和无人化奠定了基础。     

基于机器视觉的掘进机截割头姿态检测系统

对掘进机截割机构模型进行简化,采用俯仰角和旋转角作为描述截割头姿态的参数,设计了基于机器视觉的掘进机截割头位姿检测系统,并介绍了双目视觉检测方法的原理。为了验证检测系统的检测效果,通过实验将采用本系统得到的截割头姿态参数与采用传感器测得的数据进行对比,结果显示截割头姿态参数相差不到1°,误差基本都在10%以内,由此证明采用机器视觉对掘进机截割头进行姿态检测得到的数据是有效的。     

悬臂式掘进机截割头监测系统

提出了悬臂式掘进机截割头监测系统的设计方法。该系统通过截割悬臂监测参数获取截割头的位置,在巷道断面坐标模型的基础上,建立悬臂转角、液压缸位移和截割头空间坐标的函数关系,根据角度和位移传感器采集的实时数据,通过AVR单片机处理分析,确定截割头的位置坐标,完成掘进机截割头位置的实时监测,避免矿井掘进机作业中的超挖和欠挖现象,具有很好的应用前景。     

掘进机远程控制技术及监测系统研究与应用

综合应用自动化、智能化和信息化等高新技术研制开发了适合煤矿综掘工作面地质与环境条件的掘进机远程控制技术及监测系统,实现了掘进机工作过程的定向、定位和定形的自动化远程控制.实现了掘进机位姿参数在线自动检测、自动定向掘进、断面自动截割成形和截割臂摆速自适应控制,首次在我国井下煤巷掘进工况中实现悬臂式掘进机机身位姿误差的绝对法测量,避免了相对法测量过程中误差积累的问题,保证了高精度定向掘进;在井下实现了远程监控、无线遥控和视频监控,实现了在多尘、振动条件下掘进机工况多角度可视化一键式遥控;在井下环网或地面任何网络接入点,实现了掘进机运行状态参数包括位姿参数等信息的实时监测与显示,并具有远程故障诊断和报警等功能.     

悬臂掘进机截割头功率和运动参数的分析

<正> 掘进机是实现巷道掘进机械化的主要设备。近年来,在煤和半煤岩巷道中,各国均在大力研制和推广使用各种类型的巷道掘进机,其中以部分断面型的悬臂式掘进机应用最多。悬臂式掘进机工作机构的破煤装置是截割头。使用和研究表明,截割头所具有的力参数、运动参数、几何参数和截齿结构与强度,直接决定了掘进机对煤岩的适应性和掘进速度。因此,合理地选择截割头的有关参数,是悬臂式掘进机工作机构设计中的一个重要问题。但由于煤岩性质的复杂多变,以     

纵轴式掘进机巷道断面自动截割成形控制方法

为减少无用掘进量和充填量,提高掘进效率,提出了巷道断面自动截割成形控制方法.首先根据煤矿实际工况制定了巷道断面自动截割工艺流程;然后对断面自动截割成形控制进行运动学分析,进行截割头空间位置及其机构实现的几何分析,得出截割头空间位置坐标与油缸伸缩量及截割臂摆动角之间的几何关系式.研究结果表明,直接测量控制截割头摆角更简单有效.该方法在EBZ160和EBZ200机型上得到实施,试验效果较好,为进一步研究掘进机位姿检测及定向纠偏奠定了基础.     

悬臂式掘进机远端监控系统设计

煤矿井巷道悬臂式掘进机广泛应用于煤、软岩巷道及中等硬度的半煤岩巷道中,掘进工作面现场环境异常恶劣,操作人员不宜在掘进工作面工作,设计一种掘进机远端操作台,该远端操作台能显示掘进各项参数和各种故障报警信息,实现掘进机履带行走、截割头升降回转伸缩、星轮正反转、一运正反转、后支撑升降、油泵电机启停、截割电机启停等所有动作的控制。同时在巷道掘进工作面处安装防爆摄像头,画面信号通过同轴视频电缆传输至远端操作台上的显示屏,实现掘进机的远端监控。