悬臂式掘进机自动控制系统设计

针对目前悬臂式掘进机机身定位存在精度低、自动化控制性能差和工作效率低等问题,设计了悬臂式掘进机自动控制系统,详细介绍了系统硬件、软件的设计。该系统采用姿态检测技术和自动截割技术,实现了对悬臂式掘进机的精确截割与自动控制。     

悬臂式掘进机机身位姿误差消除策略的研究

基于悬臂式掘进机机身位姿检测系统,提出了一种悬臂式掘进机机身位姿误差消除策略:根据悬臂式掘进机机身位姿检测系统所采集的数据,判断各方向位姿误差的大小;当误差较大时,通过控制履带、前铲板与后支撑对悬臂式掘进机整体进行调整,减小机身各方向误差;当误差减小到截割臂的控制补偿范围,根据当前位姿误差设定截割轮廓的正确位置并进行自动截割;解算出各方向剩余位姿误差的补偿量,根据补偿量在自动刷帮过程中控制截割断面的边界位置。该策略对实现自动定向掘进和掘进远程控制具有一定的参考价值。     

基于激光靶向跟踪的悬臂式掘进机位姿测量系统研究

掘进机位姿准确快速测量是煤矿巷道智能掘进的前提和基础。目前悬臂式掘进机位姿测量存在非绝对位姿测量、测量精度低、布置复杂或仅能测量少数位姿参数等问题,无法满足智能掘进需要。针对上述问题,在基于激光靶向跟踪的悬臂式掘进机位姿测量方法的基础上,设计了一种基于激光靶向跟踪的悬臂式掘进机位姿测量系统。该系统由激光跟踪装置和激光标靶组成,激光跟踪装置安装在巷道后方,发射激光到安装在悬臂式掘进机机身上的激光标靶上并跟踪激光标靶移动,通过求解激光跟踪装置、激光标靶、掘进机和巷道等坐标系间的转换矩阵即可测得掘进方向位置、偏距、高度、偏向角、俯仰角和翻滚角6个绝对位姿参数,实现了悬臂式掘进机在巷道大地坐标系中绝对位姿的全参数实时测量。分析了该系统的误差影响因素,仿真得到了其误差分布规律：随着掘进距离增加,掘进机姿态测量误差在一定范围内变化,偏距和高度测量误差呈线性增加趋势;在5～80 m测量范围内,掘进机偏向角、俯仰角和翻滚角测量误差分别小于1.4,1,0.03°,掘进方向位置测量误差小于5 mm,偏距和高度测量误差均小于20 mm。利用履带式机器人底盘搭建了位姿测量实验系统,开展了其在模拟巷道中的位姿测...     

悬臂式掘进机自动调速控制技术的研究

针对通用悬臂式掘进机截割控制存在无法实现截割轨迹规划与自动调速控制的问题,本文研究了悬臂式掘进机自动调速控制技术,借助PCC与工控机实现悬臂式掘进机的自动调速控制,利用ABAQUS软件对截割头与煤层三维模型进行有限元分析,以获取相关工况信息的关系,采用改进S形切割线路规划截割轨迹,构建截割臂摆动全局最优速度模型,最终采用模糊PID控制算法实现控制量计算,获取截割臂的最优控制,并通过反馈至工控机,由工控机下达可获取截割臂最佳摆动速度的控制指令。     

几何布局对掘进机位姿检测精度的影响分析

为实现综掘工作面悬臂式掘进机位姿无人化、高精度检测,提出了一种基于超宽带测距技术的掘进机位姿检测系统,推导了基于该系统的掘进机定位坐标及机身姿态角计算方法,通过Matlab仿真分析了基站布局间距、角度对定位精度的影响及机身定位点间距对姿态角检测精度的影响。仿真结果表明:随着基站至掘进机机身定位点的测量距离增大,系统定位精度降低;基站布局间距越大,系统定位精度越高;基站布局角度在yoz平面呈60°时系统定位精度优于基站布局角度呈0°及90°时;基站至掘进机机身定位点的测量距离对姿态角检测精度没有显著影响;机身定位点间距越小,系统姿态角检测精度越高。     

矿用悬臂式掘进机截割头姿态视觉测量系统

针对目前悬臂式掘进机截割头姿态测量方法需要改变掘进机结构且测量稳定性不高的问题,采用单目视觉测量技术,设计了一种矿用悬臂式掘进机截割头姿态视觉测量系统。首先,在安装于截割臂靠近回转台处的红外标靶上采用多点状红外光源组成正方形,通过摄像机定时采集红外标靶图像;然后,通过提取光斑中心计算正方形顶点在像素坐标系中的坐标,再利用四点透视方法得到红外标靶在摄像机坐标系中的坐标;最后,利用建立的截割头姿态测量模型计算出截割头姿态角。实验结果表明,该系统测得的垂直摆角误差在±0.8°以内,水平摆角误差在±0.5°以内。     

考虑煤岩硬度的悬臂式掘进机截割控制

煤岩硬度显著影响悬臂式掘进机空间运行状态,分析掘进机空间运行状态与煤岩硬度变化的关联性,有助于更好地实现悬臂式掘进机自动化截割控制。为提高截割控制精度,提出了一种考虑煤岩硬度的悬臂式掘进机截割控制方法。根据动力学原理获得了悬臂式掘进机空间运行状态与煤岩硬度变化的关系,得出随着截割头与目标点之间的距离、运动范围半径及动态角度增大,截割头的运行稳定性会相应提高。采用加权平衡的方式确定自动化控制参数,采用PID控制和闭环模糊控制方法实现掘进机自动化截割控制。实验结果表明,该方法横向控制和纵向控制都表现出较好的性能,掘进机截割头摆速在2 s内达到稳定值,动态工作稳定性好;悬臂式掘进机截割头回转和升降角度变化轨迹与期望轨迹之间的吻合度较高,整体偏离程度较小,控制精度较高。     

截割头载荷对掘进机机身偏向角的影响规律分析

为研究悬臂式掘进机截割过程中截割头载荷对机身偏向角的影响规律,建立了掘进机机身偏向角动力学模型,根据模型求解的输入问题,提出了一种截割头载荷计算方法,并通过仿真计算得到截割头载荷与驱动油缸压力及悬臂截割位置之间的关系。对掘进机截割过程中机身偏向角的变化进行了仿真分析,得到了不同工况下和不同悬臂截割位置时截割头载荷对掘进机机身偏向角的影响规律:横向截割工况下,机身偏向角随截割头载荷的增大而增大,且在悬臂水平摆角为14°时达到最大值;纵向截割工况下,机身偏向角随截割头载荷的增大而减小,且悬臂垂直摆角越大,机身偏向角越小。     

基于机器视觉的矿用悬臂掘进机自主定位关键技术的研究

针对传统的悬臂式掘进机极少带定位,主要依靠人工放线来确定方位和角度,且目前井下导航技术受恶劣工况影响,存在精度不高、定位不准确等问题,本文采用机器视觉技术提出了一种悬臂式掘进机自动定位与导航技术的理念,促进井下推进设备的自动定位和轨迹收集。本文主要介绍了悬臂掘进机自动定位与导航技术的原理,对硬件设施进行了理论求证,以及加设配套定位统与程序的理念描述。按照机器视觉技术的应用,预计定位精度可达厘米级,总定位偏差非常小,应用效果较为可观,以期为后期实现煤矿井下设备的智能控制和无人化管理提供参考。     

悬臂式掘进机导航技术现状及其发展方向

阐述了悬臂式掘进机导航定位问题,并分析了其特殊性,给出了其数学描述;详细分析了掘进机光电导航和位姿检测技术现状、掘进机惯性导航技术现状、基于多信息融合的掘进机导航定位技术现状,并进行了比较与评价。得出结论:光电导航装备技术成熟、精度高,但在煤矿井下应用存在较严重的环境适应性问题;惯性导航技术环境适应性强、姿态检测精度较高,但长时定位精度差;将光电导航技术和惯性导航技术相结合的多信息多传感器融合的导航技术可能是解决悬臂式掘进机空间位姿检测问题的较优途径,实现信息融合的关键在于解决多信息多传感器带来的测量基准统一问题,且需要鲁棒性更强的融合算法。     

悬臂式掘进机截割断面极限位置分析

针对悬臂式掘进机机身位姿出现偏差时截割断面会出现偏差而严重影响定向掘进的问题,提出了一种控制截割臂进行截割断面自动补偿的方法;分析了截割臂回转和升降摆动控制原理,建立了截割臂回转和升降联合模型,并给出了该联合模型的Matlab仿真验证及控制截割臂进行截割断面边界补偿的应用方法。仿真结果验证了该方法的正确性。     

基于Power Panel和PCC的悬臂掘进机新型电控系统设计

分析了掘进机电控系统的功能需求;提出了一种以Power Panel和PCC为控制器的悬臂掘进机新型电控系统的设计方案,详细介绍了该新型电控系统的软、硬件设计和实现方法。该新型电控系统以PCC为下位机、Power Panel为上位机,具备巷道断面自动成形功能、截割臂恒功率自动牵引调速功能、机身位姿自动检测功能、定向掘进功能及全功能遥控,实现了巷道自动截割与定向掘进系统的计算机控制,为悬臂掘进机的自动化和智能化奠定了基础。实际运行结果表明,该系统控制效果良好。     

组合导航定位系统研究

掘进机是煤矿生产的主要机械装备之一,为使其高效、安全工作,满足人工化和智能化的发展趋势,设计了基于惯性导航系统和全站仪的悬臂式掘进机机身导航定位系统。本文将掘进机简化成两条履带,其它部件略去,建立掘进机机器人化数学模型。分别分析了基于全站仪和惯性导航系统的掘进机自动导航和定位技术的原理和特点,结合两者优点,将惯性导航系统和全站仪有机结合,介绍两系统相组合的巷道导航系统,并对组合系统在掘进机在使用中的导航和定位原理进行说明。     

掘进机器人仿形截割建模与轨迹仿真研究

针对掘进机器人掘进过程中,尖峰负荷影响,及切割机构的非平稳振动,引起欠挖和超挖,机器损耗加剧等问题,以悬臂式掘进机巷道自动成形为研究对象,建立了掘进机仿形截割的动态数学模型,推导出截割头运动到半圆拱形巷道边界时,悬臂偏移角和油缸伸长量之间的通用公式,在使用数字液压缸按照所给巷道运动时,通过控制各个油缸伸长量来实现掘进机的自动控制机理。采用MATLAB软件仿真了截割头仿形截割运动过程,取得和实际工况相一致的结果,验证了模型的可行性和优越性,为掘进机器人研究奠定了通用的控制理论基础。     

基于数字孪生的煤矿掘进机器人纠偏控制研究

针对复杂巷道环境下掘进机器人自主纠偏控制难题,通过分析掘进机器人偏移原因,明确了掘进机器人纠偏控制功能需求,提出了一种基于数字孪生的煤矿掘进机器人纠偏控制系统,介绍了系统组成;以掘进机器人对中纠偏为例,分析了系统纠偏控制机理,提出了基于双目视觉图像信息的掘进机器人纠偏控制方法,以双目视觉检测的巷道图像为基础数据,通过提取巷道图像特征及分析巷道坐标系与掘进机器人坐标系关系,解算出掘进机器人相对于巷道空间的位姿参数,根据解算结果对掘进机器人进行纠偏控制;构建了掘进机器人及巷道数字模型和定位定向参数数据库,通过虚实映射关系,实现了掘进机器人虚拟远程纠偏控制。实验结果表明,基于数字孪生的煤矿掘进机器人纠偏控制系统在不同工况下均可有效补偿掘进机器人偏航角和偏移距离,纠偏过程可实时显示在监测监控界面,且纠偏路径规划仿真结果与实际工况一致。     

虚拟正畸治疗中的错位牙齿自动排列方法

针对虚拟正畸技术中人工排牙效率低下问题，提出一种基于拟合优化的错位牙齿 自动排列方法。对输入的牙列模型建立排牙坐标系，定义单颗牙齿特征点并建立牙齿局部坐标 系。在此基础上，从低维角度分析牙列中各颗牙齿的位置和姿态，采用加权拟合优化的方法分别 计算牙齿的坐标平移量与局部坐标轴旋转量，形成牙齿位姿与空间牙列曲线的关联约束，并结合 矩形包围盒的碰撞检测方法，设计基于最速下降法的迭代算法在空间牙列曲线约束范围内调整牙 齿位姿，完成牙齿的自动排列。实验结果表明，排好的牙列与人工排牙结果相差无异，排牙效率 大大提高；与现有排牙方法相比，更贴近临床牙齿矫治，且牙齿移动代价总量明显降低。     

船舶狭小空间虚拟人维修姿态建模技术

针对现有虚拟人仿真技术在船舶狭小空间维修作业中存在的效率低下、需要较多人工干预、仿真成本高等问题,提出一种虚拟人姿态混合建模仿真技术。根据狭小空间中人体维修作业的特点,将虚拟人姿态建模分为虚拟人躯干及下肢姿态建模与虚拟人手臂姿态建模两部分。首先,提出一种基于姿态库的狭小空间姿态自动匹配算法,以确定虚拟人在狭小空间中的操作位置与姿态;在此基础上,建立多目标优化模型对手臂姿态进行求解,并实现维修仿真姿态的生成。以某型船舶机舱罐体阀门维修为例的实验结果表明,所提方法可以实现虚拟人姿态的自动定位与生成,且可有效提高维修仿真效率。     

基于嵌入式软PLC的掘进机控制系统设计

针对现有以普通PLC和专用控制器为核心的煤矿掘进机控制系统存在开发成本高、维护量大、跨平台移植难等问题,设计了一种基于嵌入式软PLC技术的掘进机控制系统,分析了系统的功能需求和实现原理,提出了以嵌入式软PLC为核心的控制系统架构。该系统通过实时操作系统的定制、软PLC运行时系统的移植及驱动组件的开发,实现了掘进机基本逻辑控制、全功能遥控和自动截割功能,可对掘进机状态进行实时监测,通过遥控器实现全功能远程遥控,通过设定断面形状、路径类型、巷道高度、巷道宽度和截割间距等参数实现巷道断面的自动截割成形等。相比于以PLC和专用控制器为核心的控制系统,采用嵌入式软PLC的掘进机控制系统可更好实现掘进机装备的标准统一和系统的组态开发,跨平台移植性好。测试结果证明该系统基本控制功能和遥控操作性能良好,自动截割断面边界最大误差小于10 cm。     

焊接机器人曲线焊缝的自动跟踪控制

为实现焊接机器人对曲线焊缝的自动跟踪,提出一种简便的位姿实时调整策略和协调视觉跟踪与机器人运动的视觉伺服控制方法。建立了曲线焊缝视觉跟踪过程中焊接机器人期望位姿的数学模型;设计了一种上下层结构的模糊视觉伺服控制器,通过建立焊缝特征点像素坐标偏差与末端轴旋转角度之间的关系模型,动态确定模糊论域的大小,在机器人期望位姿的基础上仅仅通过调整末端轴的旋转量来保证图像特征点始终存在于相机视场内。通过模拟焊接机器人自动跟踪曲线焊缝的实验,验证了所提策略与方法的有效性。