悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量系统研究

针对煤矿井下悬臂式掘进机机身及截割头位姿测量难题,提出一种基于激光束和红外光斑特征的悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量系统。在掘进工作面的巷道顶部安装3个激光指向仪,通过固定安装在掘进机机身上的防爆相机对激光束图像进行采集,利用改进的随机Hough变换对激光束进行直线检测,通过建立的基于两点三线的掘进机位姿解算模型得到掘进机机身在巷道坐标下的位姿。同时,通过防爆相机对截割部所安装的红外标靶图像进行采集,利用高斯曲面拟合算法对光斑进行中心定位,通过建立的基于对偶四元数的掘进机截割头位姿解算模型得到截割头在机身坐标系下的位姿,结合得到的机身坐标系与巷道坐标系间的转换关系,得到巷道坐标系下的截割头中心点位姿。最终,在实验室搭建了掘进机机身及截割头位姿视觉测量平台,并在该平台上模拟掘进机的实际工况位姿,结果表明,该方法测得的掘进机截割头中心点在巷道坐标系下的姿态测量误差在0.5°范围以内,位置测量误差在40 mm以内,可以满足掘进机机身及截割头位姿自动、准确、实时测量的要求。     

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。     

非接触测量技术在截割滚筒外形测量中的应用

截割滚筒表面的齿座定位精度要求高、测量难度大。针对这一问题,将非接触测量技术用于掘进机截割滚筒外形测量,分析了基于双目视觉技术的非接触三维测量技术原理以及点云数据获取、点云拼接、曲面重构以及测量结果与设计模型比对等关键技术,利用这一技术完成了掘进机截割滚筒的三维外形测量。测量结果表明,截割滚筒小端齿座的定位偏差明显大于其他区域的齿座定位偏差,为截割滚筒质量改进提供了参考数据。     

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...     

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.     

煤矿悬臂式掘进机截割头位置精确控制方法

针对煤矿悬臂式掘进机截割断面自动成形控制问题,建立了截割头控制系统传递函数模型,并提出了一种基于PID控制的悬臂式掘进机截割头位置精确控制方法。根据悬臂式掘进机截割部结构及其运动学分析,建立了掘进机截割头控制系统传递函数模型。为了验证建立的截割头控制系统传递函数模型的正确性和PID控制方法的效果,进行了仿真实验分析和在悬臂式掘进机实验平台上进行加入PID与否的对比实验验证。实验结果表明:在加入PID反馈控制后,截割头位置控制精度大大提高,竖直截割实验最大误差约为1%,水平截割最大误差约为1.7%,矩形断面截割高度和宽度最大误差均约为1%。因此,根据建立的控制系统传递函数模型和基于PID的控制方法实现了煤矿悬臂式掘进截割头位置的精确控制,对于实现掘进机的智能化和确保煤矿安全高效生产具有重要意义。     

固定截割方向掘进机截割臂摆角垂直跳动规律

基于系统动力学Lagrange方程,推导建立了掘进机截割臂摆角跳动动力学模型,然后根据其求解的输入问题,提出了一种截割头载荷计算方法,并通过仿真计算分析得到截割头载荷与截割臂驱动油缸压力及截割臂摆角之间的关系。建立了Simulink仿真模型,在截割臂垂直摆动和水平摆动两种截割工况下,分别选取5种截割臂摆角进行仿真求解分析,得到固定截割方向截割摆角垂直跳动规律:截割臂垂直摆动截割时,随截割头载荷的增大,其水平摆角跳动量先减小后增大,最大值可达到5.3°,最小值为0.5°;随截割臂垂直摆角的增大,其水平摆角跳动量先增大后减小,约在20°时达到最大值。截割臂水平摆动截割时,其垂直摆角跳动量先减小后增大,最大值可达到5.4°,最小值为0.3°;随截割臂水平摆角的增大,其垂直摆角跳动量基本呈线性减小。掘进机截割臂摆角跳动规律可为截割臂自动控制及截割头空间位置纠偏提供借鉴。     

基于虚拟样机的掘进机截割头振动信号分析

利用Pro/E软件搭建掘进机整机模型,将该模型导入ADAMS软件中建立掘进机虚拟样机模型;在MATLAB中模拟掘进机截割头的受力曲线,导入ADAMS中生成样条曲线,施加于截割头质心处,进行振动仿真,得到掘进机截割头的振动信号变化规律并进行分析。了解煤岩硬度与掘进机截割头振动信号变化之间的关系,对实现掘进机动载荷智能识别以及掘进机自动化开采具有重要意义。     

截割头齿座参数化定位技术研究

为提高掘进机截割头的设计效率、齿座定位精度和检测能力,提出了由设计模块、制造模块和检测模块组成的截割头齿座参数化定位系统。截割头参数化设计专用软件按照一定约束条件对截齿布置参数进行快速计算;根据工业机器人工作原理和齿座空间排布特点,研制了高精度齿座定位机器人系统,实现了齿座在截割头表面的快速准确定位;通过齿座定位机器人结合非接触式双目视觉测量技术,提出了齿座定位精度的数值检测方法。对掘进机截割头进行设计制造和定量检测的生产应用结果表明,截割头齿座参数化定位技术能够满足各类型截割头产品的高精度制造。     

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.     

基于掘进机位姿测量系统的自主标定方法误差分析

围绕在狭长综掘巷道中掘进机位姿激光测量系统位姿参数高精度自动测量的问题,首先系统介绍了位姿测量系统,研究了位姿测量系统测站移站后高精度自动全站仪自主标定原理。依据激光测量原理及掘进机工作特点,构建了全站仪移站后全站仪设站点坐标与定位棱镜坐标测量误差数学平差模型,并通过Matlab进行了不同标定距离、不同测量距离对悬臂式掘进机位姿参数测量误差影响规律的仿真分析。分析结果表明:掘进方向的位姿误差比较大,掘进机姿态角误差均随测量距离和标定距离的增加而增加,且测量距离对姿态角误差影响更明显;姿态角的最大测量误差为航向角,测量误差为0. 015 7°。从而验证了激光导向系统自主标定的可行性,并由此提出了一种相对最优的自主标定策略。完全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。     

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。     

基于捷联惯导的采煤机定位定姿技术实验研究

针对煤矿井下"三机"自动化中的采煤机定位精度较低的问题,根据采煤机工作环境恶劣、空间封闭、干扰较多的特点,提出了一种基于捷联惯性导航(SINS)的采煤机位姿定位方法。该方法利用捷联惯性导航系统中的三轴加速度计和三轴陀螺仪实时测量采煤机的加速度和角速度信息,并根据四元数捷联惯导位姿解算方法解算出采煤机的实时位置和姿态信息,得到精确的采煤机运动轨迹,实现对采煤机的实时体定位。对定位平台进行仿真和利用综采工作面"三机"实验装置搭建采煤机捷联惯导定位实验平台进行实验,结果表明,采煤机捷联惯导定位系统能够准确跟踪基准轨迹,采煤机沿工作面方向运行20 m,位置姿态跟踪误差分别为0.5 m和0.7°,满足煤矿采煤机定位精度要求,该系统能够实现采煤机的实时精确定位。     

采空区热源温度红外测定试验研究

为研究采空区高温热源的升温特征和热量传递规律,设计了采空区热源温度红外测定试验方案,分析了高温热源热量传递规律与红外测定试验温度变化的关系.研究结果表明:高温热源与测点温度均随时间呈指数形式增长,且随着测点与热源距离的增加,测点温度以二次函数形式衰减;恒温热源条件下,随着热源温度升高,测点温度整体以二次函数规律增长,但...     

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。     

Vibration measurement and modal analysis for tunneller

In this paper, the method of vibration measurement and modal analysis for AMS0 Tunneller machine is presented. When the machine was used for cutting man-made coal bed and real coal bed, the vibration of the machine was measured and the results of signal analysis show that the vibration characteristics under the two kinds of working situations are similar. The modal model of the machine is established, and then, the intrinsic vibration characteristics of AMS0 tunneller are investigated by means of the method of experimental modal analysis. The vibration response simulation under a set of loading spectra measured is carried out by force response simulation software.     

基于位姿测量与煤层DEM的采煤机滚筒自动调高方法

针对现有滚筒调高方法存在的问题,提出了一种综合利用地球物理探测、地学信息建模和位姿测量技术的自动调高方法,通过震波CT(Computerized Tomography)探查工作面内各点煤厚变化,结合地质测量巷道钻孔探测的煤厚值,建立波速煤厚统计模型以准确计算工作面内煤厚值,而后利用地学信息建模构建煤层顶底板DEM(Digital Elevation Model),结合基于位姿传感系统测量的采煤机姿态,定位滚筒截割边界点,再采用空间分析函数对DEM和边界点进行叠置分析,计算滚筒调高量值,最后传输至采煤机控制系统,完成自动调高。以山西某煤矿为例进行了应用,结果表明,该调高方法具有简单、易行、稳定的优点,且实时性和精确度都能较好地满足现场需求。     

基于超宽带定位的掘进机姿态监测仿真与实验研究

考虑到目前煤矿井下掘进机姿态监测与定向装置自动化程度低,测量精度低等问题,对一种基于UWB定位技术的掘进机姿态测量方法进行研究,该方法通过跟随掘进机同步移动的测量装置实现掘进机与测量装置在巷道内交替进行姿态监测。通过Matlab仿真软件和实验方法对姿态测量技术进行实例分析,结果验证该方法的可行性。研究结果表明：增加基站与标签距离会降低姿态测量精度,因此需要合理设置掘进机与测量装置的间距;增加标签与标签距离会提高姿态测量精度,因此需要合理设置标签的安装位置;标签Z轴的测量精度较低,会影响姿态测量的精度,可通过融合多种测量技术的办法来提高掘进机姿态测量的精度。