一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统及方法，包括采煤机主机体、钻杆自动输送系统和钻杆自动对接系统；其中，钻杆自动输送系统通过送钻液压缸推动送钻平台沿巷道移动，通过升降液压缸调整待换接钻杆在送钻平台上的高度，通过位移传感器及限位开关实现待换接钻杆与工作钻杆的同轴定位；钻杆自动对接系统通过可伸缩机械臂调整CCD双目摄像机的位置及角度，通过旋转电机调整待换接钻杆相对于工作钻杆的周向位置，并通过视觉定位实现待换接钻杆与工作钻杆的对接。本发明专利技术具有较高的集成度及自动化程度，能够实现工作过程中钻杆自动换接及无人值守作业，有效提高了采煤作业效率，工作可靠且节约成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种煤矿井下钻式采煤机控制系统，具体涉及一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统及方法。
技术介绍
我国薄与极薄煤层储量丰富、分布广泛，但现阶段薄与极薄煤层开采机械化程度较低，钻式采煤机是一种用于薄与极薄煤层开采的专用机器，由于其矮机身、大功率等优点得到广泛应用，而现阶段钻式采煤机钻杆依然采用单轨吊起吊，人工对接，且需通过由棘轮与液压缸组成的微调机构进行调整才能完成钻杆的对接，控制精度低，装卸钻杆时间长，大大降低了采煤效率。此外，国内外对钻式采煤机自动化作业控制的研究极少，与煤矿井下采煤机、掘进机等设备相比机械化程度低。钻式采煤机工作过程中煤的采出率低，能量消耗大，对薄与极薄煤层的开采造成资源、人员和设备的极大浪费。因此，本领域技术人员致力于开发一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统，能够实现工作过程中钻杆自动换接及无人值守作业，具有较高的集成度及自动化程度。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统及方法，具有较高的集成度及自动化程度，能够实现工作过程中钻杆自动换接及无人值守作业，有效提高采煤作业效率，工作可靠且节约成本。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统，包括采煤机主机体、钻杆自动输送系统和钻杆自动对接系统；其中，所述采煤机主机体包括钻机机架、侧支撑机构、钻机升降机构、钻杆旋转作业平台、钻杆推进平台、工作钻杆和工作钻杆支撑件，且采煤机主机体在其工作的巷道内移动；钻机机架水平设置于钻机升降机构上，钻机升降机构用于支撑并调整钻机机架的高度；侧支撑机构包括两对测支撑液压缸，每对测支撑液压缸构成一个两端可伸缩的支撑杆；两个支撑杆分别水平设置于钻机机架的前后两侧，实现钻机机架的横向支撑固定；钻杆推进平台设置于钻机机架上，钻杆旋转作业平台设置于钻杆推进平台上；工作钻杆水平与钻杆旋转作业平台相连，在钻杆旋转作业平台带动工作钻杆旋转的同时钻杆推进平台带动钻杆旋转作业平台与工作钻杆横向推进钻入巷道壁中；工作钻杆支撑件可伸缩地设置于钻机机架上，用于在换接钻杆时支撑工作钻杆；所述钻杆自动输送系统包括送钻液压缸、送钻平台、待换接钻杆、升降液压缸和DSP处理器(数字信号处理器)；送钻平台沿巷道长度方向设置于钻机机架的前侧或者后侧，送钻平台与送钻液压缸相连并通过送钻液压缸推动送钻平台沿巷道移动；待换接钻杆通过升降液压缸水平横向设置于送钻平台上，并通过升降液压缸调整待换接钻杆的高度；工作钻杆支撑件及升降液压缸上均设置有位移传感器，且钻机机架上设置有限位开关；位移传感器与限位开关均与DSP处理器相连，通过位移传感器及限位开关实现待换接钻杆的调整定位至与工作钻杆同轴；所述钻杆自动对接系统包括可伸缩机械臂及CCD(电荷耦合器件)双目摄像机，可伸缩机械臂设置于钻杆旋转作业平台上，可伸缩机械臂的顶端夹持有CCD双目摄像机；通过旋转电机调整待换接钻杆相对于工作钻杆的周向位置，并通过视觉定位实现待换接钻杆与工作钻杆的自动对接。优选的，所述采煤机主机体通过履带输送机构实现巷道内的移动，钻机升降机构底部设置有滑撬，钻机机架通过滑撬设置于履带输送机构的履带上。优选的，所述钻机机架左右两侧边的两端均设置有红外传感器，通过红外传感器实时获得钻式采煤机与巷道四周的距离，保证了采煤机移动的安全性。优选的，所述钻杆旋转作业平台包括旋转电机及电机支座，旋转电机通过电机支座安装于钻杆推进平台上。优选的，所述旋转电机的数量与工作钻杆的数量相同，可伸缩机械臂的数量与旋转电机的数量相同，彼此一一对应。优选的，工作钻杆的对接端及待换接钻杆靠近旋转电机的一端均设置有第一对接装置，旋转电机的输出端及待换接钻杆靠近工作钻杆的一端均设置有第二对接装置；所述第一对接装置及第二对接装置均呈圆柱状，且其外端面均设置有三爪凹凸块；所述三爪凹凸块两两相适配，且第一对接装置及第二对接装置的柱面上均设置有三个沿圆周方向均布的定位圆柱体；第一对接装置上定位圆柱体的中心轴线与其三爪凹凸块中凸块的中心轴线平行，第二对接装置上定位圆柱体的中心轴线与其三爪凹凸块中凹块的中心轴线平行，且待换接钻杆两端的定位圆柱体的中心轴线相互平行。所述对接装置可实现任意工作角度钻杆的无缝对接。优选的，所述可伸缩机械臂安装于电机支座上，可伸缩机械臂包括第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机及第六伺服电机，第一伺服电机驱动可伸缩机械臂的水平转动，第二伺服电机和第三伺服电机驱动可伸缩机械臂的上下摆动，第四伺服电机驱动可伸缩机械臂的周向转动，第五伺服电机驱动可伸缩机械臂的伸缩，第六伺服电机驱动可伸缩机械臂所夹持CCD双目摄像机的转动。优选的，所述CCD双目摄像机具有眨眼功能，通过间断性眨眼避免工作过程中的灰尘堵塞CCD双目摄像机。优选的，所述钻杆自动对接系统还包括图像采集卡、工控机、PLC(可编程逻辑控制器)可执行控制器和电液比例阀；CCD双目摄像机拍摄的照片通过图像采集卡将数据传递到工控机进行处理，工控机驱动PLC可执行控制器控制电液比例阀的开度，从而带动旋转电机的转动，实现旋转电机的输出端与待换接钻杆的对接。一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业方法，包括以下步骤：步骤A：通过履带输送机构将采煤机主机体输送至巷道内工作位置，移动过程中通过钻机机架上的红外传感器实时获得钻式采煤机与巷道四周的距离，实时调整采煤机主机的输送方向和速度从而实现钻式采煤机在巷道内的行走导航；步骤B：采煤机主机体到达巷道内工作位置后通过钻机升降机构调整钻机机架的高度以适应不同煤层的开采；钻机机架升高至工作面后控制侧支撑机构实现采煤机主机体的横向支撑固定，进而进行煤层开采；在旋转电机带动工作钻杆旋转的同时钻杆推进平台带动钻杆旋转作业平台与工作钻杆横向推进钻入巷道壁中；钻头采下的煤通过钻杆运出，煤下落后通过输送机运出；步骤C：当工作钻杆全部钻进煤层后旋转电机停转，工作钻杆支撑件上升支撑住工作钻杆；旋转电机的输出端与工作钻杆脱开，钻杆推进平台带动钻杆旋转作业平台退回至原位，进而进行换接钻杆；步骤D：待换接钻杆由行车起吊至升降液压缸上，送钻液压缸推动送钻平台将待换接钻杆运送至钻机机架上，当送钻平台到达限位开关所在位置时限位开关发送信号给DSP处理器进行处理，DSP处理器控制送钻液压缸将送钻平台停在限位开关处，实现待换接钻杆水平方向的精确定位；通过升降液压缸调整待换接钻杆的高度，根据工作钻杆支撑件上位移传感器记录的工作钻杆垂直方向位置信息，通过DSP处理器控制升降液压缸的同时通过位移传感器的反馈控制待换接钻杆的高度，实现待换接钻杆垂直方向的精确定位；步骤E：当待换接钻杆与工作钻杆完成同轴定位后，通过CCD双目摄像机拍摄一组待换接钻杆上第一对接装置的照片，通过图像采集卡将数据传递到工控机处理，获得待换接钻杆第一对接装置上定位圆柱体的周向位置信息，通过可伸缩机械臂调整CCD双目摄像机的位置及角度使待换接钻杆上第一对接装置处于图像的正中位置；调整完成后工控机驱动PLC可执行控制器控制电液比例阀的开度带动旋转电机的转动，当CCD双目摄像机获得旋转电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统，其特征在于，包括采煤机主机体、钻杆自动输送系统和钻杆自动对接系统；其中，所述采煤机主机体包括钻机机架(1)、侧支撑机构、钻机升降机构(4)、钻杆旋转作业平台(2)、钻杆推进平台(3)、工作钻杆(6)和工作钻杆支撑件(7)，且采煤机主机体在其工作的巷道内移动；钻机机架(1)设置于钻机升降机构(4)上，钻机升降机构(4)用于支撑并调整钻机机架(1)的高度；侧支撑机构包括两对测支撑液压缸(8)，每对测支撑液压缸(8)构成一个两端可伸缩的支撑杆；两个支撑杆分别水平设置于钻机机架(1)的前后两侧，实现钻机机架(1)的横向支撑固定；钻杆推进平台(3)设置于钻机机架(1)上，钻杆旋转作业平台(2)设置于钻杆推进平台(3)上；工作钻杆(6)水平与钻杆旋转作业平台(2)相连，在钻杆旋转作业平台(2)带动工作钻杆(6)旋转的同时钻杆推进平台(3)带动钻杆旋转作业平台(2)与工作钻杆(6)横向推进钻入巷道壁中；工作钻杆支撑件(7)可伸缩地设置于钻机机架(1)上，用于在换接钻杆时支撑工作钻杆(6)；所述钻杆自动输送系统包括送钻液压缸(9)、送钻平台(5)、待换接钻杆(13)、升降液压缸(11)和DSP处理器；送钻平台(5)沿巷道长度方向设置于钻机机架(1)的前侧或者后侧，送钻平台(5)与送钻液压缸(9)相连并通过送钻液压缸(9)推动送钻平台(5)沿巷道移动；待换接钻杆(13)通过升降液压缸(11)水平横向设置于送钻平台(5)上，并通过升降液压缸(11)调整待换接钻杆(13)的高度；工作钻杆支撑件(7)及升降液压缸(11)上均设置有位移传感器(12)，钻机机架(1)上设置有限位开关(10)；位移传感器(12)与限位开关(10)均与DSP处理器相连，通过位移传感器(12)及限位开关(10)实现待换接钻杆(13)与工作钻杆(6)的同轴定位；所述钻杆自动对接系统包括可伸缩机械臂(14)及CCD双目摄像机(15)，可伸缩机械臂(14)设置于钻杆旋转作业平台(2)上，可伸缩机械臂(14)的顶端夹持有CCD双目摄像机(15)，通过视觉定位实现待换接钻杆(13)与工作钻杆(6)的自动对接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统，其特征在于，包括采煤机主机体、钻杆自动输送系统和钻杆自动对接系统；其中，所述采煤机主机体包括钻机机架(1)、侧支撑机构、钻机升降机构(4)、钻杆旋转作业平台(2)、钻杆推进平台(3)、工作钻杆(6)和工作钻杆支撑件(7)，且采煤机主机体在其工作的巷道内移动；钻机机架(1)设置于钻机升降机构(4)上，钻机升降机构(4)用于支撑并调整钻机机架(1)的高度；侧支撑机构包括两对测支撑液压缸(8)，每对测支撑液压缸(8)构成一个两端可伸缩的支撑杆；两个支撑杆分别水平设置于钻机机架(1)的前后两侧，实现钻机机架(1)的横向支撑固定；钻杆推进平台(3)设置于钻机机架(1)上，钻杆旋转作业平台(2)设置于钻杆推进平台(3)上；工作钻杆(6)水平与钻杆旋转作业平台(2)相连，在钻杆旋转作业平台(2)带动工作钻杆(6)旋转的同时钻杆推进平台(3)带动钻杆旋转作业平台(2)与工作钻杆(6)横向推进钻入巷道壁中；工作钻杆支撑件(7)可伸缩地设置于钻机机架(1)上，用于在换接钻杆时支撑工作钻杆(6)；所述钻杆自动输送系统包括送钻液压缸(9)、送钻平台(5)、待换接钻杆(13)、升降液压缸(11)和DSP处理器；送钻平台(5)沿巷道长度方向设置于钻机机架(1)的前侧或者后侧，送钻平台(5)与送钻液压缸(9)相连并通过送钻液压缸(9)推动送钻平台(5)沿巷道移动；待换接钻杆(13)通过升降液压缸(11)水平横向设置于送钻平台(5)上，并通过升降液压缸(11)调整待换接钻杆(13)的高度；工作钻杆支撑件(7)及升降液压缸(11)上均设置有位移传感器(12)，钻机机架(1)上设置有限位开关(10)；位移传感器(12)与限位开关(10)均与DSP处理器相连，通过位移传感器(12)及限位开关(10)实现待换接钻杆(13)与工作钻杆(6)的同轴定位；所述钻杆自动对接系统包括可伸缩机械臂(14)及CCD双目摄像机(15)，可伸缩机械臂(14)设置于钻杆旋转作业平台(2)上，可伸缩机械臂(14)的顶端夹持有CCD双目摄像机(15)，通过视觉定位实现待换接钻杆(13)与工作钻杆(6)的自动对接。2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统，其特征在于，所述采煤机主机体通过履带输送机构实现巷道内的移动，钻机升降机构(4)底部设置有滑撬，钻机机架(1)通过滑撬设置于履带输送机构的履带上。3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统，其特征在于，所述钻机机架(1)左右两侧边的两端均设置有红外传感器(16)。4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统，其特征在于，所述钻杆旋转作业平台(2)包括旋转电机(2-1)及电机支座(2-2)，旋转电机(2-1)通过电机支座(2-2)安装于钻杆推进平台(3)上。5.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统，其特征在于，所述旋转电机(2-1)的数量与工作钻杆(6)的数量相同，可伸缩机械臂(14)的数量与旋转电机(2-1)的数量相同。6.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统，其特征在于，所述工作钻杆(6)的对接端及待换接钻杆(13)靠近旋转电机(2-1)的一端均设置有第一对接装置(17)，旋转电机(2-1)的输出端及待换接钻杆(13)靠近工作钻杆(6)的一端均设置有第二对接装置(18)；所述第一对接装置(17)及第二对接装置(18)均呈圆柱状，且其外端面均设置有三爪凹凸块(19)；所述三爪凹凸块(19)两两相适配，且第一对接装置(17)及第二对接装置(18)的柱面上均设置有三个沿圆周方向均布的定位圆柱体(20)；第一对接装置(17)上定位圆柱体(20)的中心轴线与其三爪凹凸块(19)中凸块的中心轴线平行，第二对接装置(18)上定位圆柱体(20)的中心轴线与其三爪凹凸块(19)中凹块的中心轴线平行，且待换接钻杆(13)两端的定位圆柱体(20)的中心轴线相互平行。7.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统，其特征在于，所述可伸缩机械臂(14)安装于电机支座(2-2)上，可伸缩机械臂(14)包括第一伺服电机(14-1)、第二伺服电机(14-2)、第三伺...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘送永，姬会福，江红祥，周公博，沈刚，王水林，李伟，唐玮，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32