煤矿掘进机自定位截割控制方法及试验研究

开展了掘进机自定位截割控制方法及试验研究,提出了掘进机自定位截割控制策略,使用基于单目视觉与深度学习的掘进机机体六自由度位姿检测方法,以及具有规定性能的双层模糊自适应反步控制方法实现了掘进机自定位截割,并将其用于机体任意位姿下的截割头循迹跟踪控制。在掘进机两种不同的机体位姿下进行了截割头循迹跟踪控制试验,试验结果显示最大轮廓误差分别在48 mm和52 mm(约2.14%与2.32%)以内,验证了提出的掘进机自定位截割控制方法的有效性。

掘进机自主定位截割系统及其应用

针对现阶段煤矿井下掘进机截割自动化程度较低、摇臂摆动速度不能根据负载大小进行自适应调整的问题,提出了2种基于多种传感器的掘进机截割作业方式:定位截割及记忆截割,研发了自主定位截割系统,保证了巷道的成形质量。经验证,该系统巷道成形精度较高,基本满足井下施工要求。

巷道掘进定位自动截割成形技术

掘进机是井下巷道成形的重要设备,为解决巷道工作面成形质量差,设备自动化程度低,工作环境恶劣影响工人身体健康的问题,设计了一套包含定位截割和记忆截割的巷道工作面定位自动截割成形技术。自动截割硬件系统由控制单元和执行单元组成,共同对巷道自动成形进行控制,取得断面自动切割成形边界检测最大误差小于10 cm,巷道成形误差小于20 cm的成形效果,达到煤矿巷道成形要求。

掘进机智能远程集中控制及截割系统

目前仅具备手动掘进、近距离无线遥控、视频监控等功能的掘进机操作方式不能实现掘进工作面少人化、无人化目标。提出了一种掘进机智能远程集中控制及截割系统,该系统由井下主控系统层、井下远控系统层和地面调度系统层组成。井下主控系统层负责数据接收上传与指令接收下发;井下远控系统层负责数据可视化展示与控制指令下发,其与井下主控系统层进行信息交互,并接入井下环网;地面调度系统层负责设备运行状态远程监控及调度指令下发,通过地面操作站接入井下环网即可获取信息。该系统可实现掘进机工作面少人化、超视距控制、远程定位截割、截割轨迹可视化、设备关键参数实时动态更新等功能,提高掘进工作效率,降低工人劳动强度,增强工作面安全保障。

煤矿掘进机机身位姿感知及定位方法研究

为进一步提升掘进机的工作效率和最终巷道的成型质量,结合掘进机未来的自动化、智能化及高效率的工作要求,根据掘进机实际工况设计了从巷道、机身及截割头掘进机机身位姿感知及定位的坐标系。对现阶段掘进机机身感知测量和截割头定位技术进行对比,得出采用机器视觉技术对掘进机机身位姿和截割头进行测量,而后完成相关设备的选型,并对系统的测量精度进行验证。

基于近红外双目立体视觉的悬臂式掘进机定位研究

针对现有掘进机无法实时定位、定位不准确、视觉定位中相机视野被遮挡导致定位失败等问题,提出了一种将基于近红外双目立体视觉的悬臂式掘进机定位方案。在悬臂式掘进机机身与机臂安装近红外LED标靶,以LED作为近红外标靶构建掘进机特征信息,通过图像处理、位姿解算实现掘进机机身与截割部的三维空间定位。双目立体视觉相机安装在巷道顶部,随着掘进机不断推进,掘进机与双目立体视觉相机距离逐渐增加,造成双目图像获取失败,进而导致视觉解算截割部位姿失败。针对该问题,引入基于一维卷积神经网络(1D-CNN)的掘进机截割部磁场辅助定位方法。在掘进机机身两侧安装三轴数字磁场计,并在机臂处安装永磁体,以磁场的强度分量和双目立体视觉相机获取的位姿数据作为训练数据,构建1D-CNN模型,输出在视觉测量失效情况下掘进机截割部位姿。从深度信息和掘进机机身及截割部位姿2个方面对基于近红外双目立体视觉的悬臂式掘进机定位方案进行实验,结果表明:机身测量误差在±11 mm以内,相对误差在0.4%以内。截割部测量误差在±50 mm以内,相对误差在1%以内;掘进机机身与截割部间的相对位姿误差在±2.5°以内,俯仰角的均方根误差为根0.930 1°,偏航角的均方根误差为0.922 0°。上述误差在巷道作业允许范围内,验证了该方案的有效性和可靠性。对基于1D-CNN的掘进机截割部磁场辅助定位方法进行了有效性验证,为模拟井下复杂磁场环境,在掘进机附近随机添加干扰磁源,结果表明:该方法对掘进机截割部俯仰角、偏航角、翻滚角的预测值与测量的真实值基本吻合,预测的俯仰角、偏航角、翻滚角决定系数分别为0.992 4,0.995 9,0.917 4,说明基于1D-CNN的掘进机截割部磁场辅助定位方法能够较好地满足在视觉定位失效下的掘进机定位需求。

综掘机智能化系统的设计

针对当前煤矿巷道掘进工作效率低、安全事故频发、机械化程度低等现状,设计了一套综掘机智能化系统,包含可视化、定位截割、人员保护等技术,提高了煤矿综掘机机械化程度,提高了巷道掘进效率,有效避免安全事故的发生,并在多个煤矿应用,效果良好。

煤矿掘进机智能远程控制及截割系统应用

煤矿传统掘进机在井下现场作业存在粉尘污染大,噪声大等问题,对长期从事采掘工作的矿工身体健康造成极大伤害。针对这个问题,应用智能掘进机远程控制与可视化系统,实现掘进机无人化掘进、超视距控制、远程定位截割、截割轨迹可视化、设备关键参数实时动态更新等功能,体现出高智能化、高可靠性与绿色掘进的特点。通过现场的实际应用,使掘进工作面的掘进过程少人化、无人化,提高了掘进工作效率,消除突发事故对人员造成的安全隐患。

掘进机断面监视系统性能试验方法研究

针对断面监视系统的一般工作原理,提出了一种断面监视系统性能试验方法。该方法通过建立机身和巷道基准来测量截割头表面特征点的空间位置,当截割头在断面监视系统引导下完成整个断面扫描后,将获得的一系列特征点空间轨迹按照机身和巷道基准投影到定义断面轮廓的平面上,从而形成实际断面轮廓;最后按照角度偏差、位置偏差和形状偏差三类指标对实际断面轮廓和设计断面轮廓进行比较,完成对断面监视系统的性能评价。试验结果验证了该方法的有效性和正确性。