【摘要】：懸臂式掘進(jìn)機(jī)是煤礦開采行業(yè)的重要設(shè)備之一,尤其在短距離掘進(jìn)作業(yè)以及軟煤層開采等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。為了應(yīng)對巷道作業(yè)面危險性高、工況差等問題,對于懸臂式掘進(jìn)機(jī)無人化、信息化運(yùn)行方面的研究,是目前國內(nèi)外煤礦開采行業(yè)重點的發(fā)展方向。本文針對以上現(xiàn)狀,充分利用掘進(jìn)作業(yè)面完善的視頻監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)體系,提出了基于視覺的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭定位與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。對于截割頭跟蹤與空間位姿解析、斷面自動化成形以及掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程操作等問題進(jìn)行研究。與現(xiàn)有的無人化掘進(jìn)機(jī)研究成果相比,降低了控制系統(tǒng)對于多傳感器融合的依賴以及掘進(jìn)機(jī)的改造成本。本文完成的主要工作如下:(1)建立縱軸懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割臂運(yùn)動模型。采用D-H坐標(biāo)變換以及機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析,建立了攝像機(jī)與掘進(jìn)機(jī)位姿模型和截割臂運(yùn)動模型,計算了截割頭的運(yùn)動學(xué)方程和運(yùn)行包絡(luò)線。采用棋盤標(biāo)定法對監(jiān)控攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,得到了像素坐標(biāo)系下截割頭位置坐標(biāo)與截割臂轉(zhuǎn)角的映射關(guān)系,為基于視覺的截割臂定位與遠(yuǎn)程控制提供了理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)依據(jù)。(2)基于置信圖與時空上下文模型(STC)的單目標(biāo)跟蹤算法,采用SSDA模板匹配以及時空上下文模型對視頻畫面中截割頭進(jìn)行跟蹤識別,比較了兩種算法的跟蹤精度與速度。同時分析了跟蹤過程中靜態(tài)偏差產(chǎn)生的原因,針對由于截割頭與巖壁背景混淆而產(chǎn)生的跟蹤偏差問題,利用目標(biāo)本身的位姿信息,提出了截割頭跟蹤的改進(jìn)算法,改變目標(biāo)跟蹤區(qū)域,并通過截割臂運(yùn)動模型對靜態(tài)坐標(biāo)偏差進(jìn)行補(bǔ)償,與單純的基于時空上下文的目標(biāo)跟蹤算法相比,提高了定位的精度和穩(wěn)定性。實現(xiàn)了基于Monitor-Based增強(qiáng)現(xiàn)實的信息融合,采用改進(jìn)的SSDA多目標(biāo)模板匹配與粒子群算法對掘進(jìn)機(jī)控制面板中的元件進(jìn)行跟蹤標(biāo)定,實現(xiàn)視頻畫面中目標(biāo)元件與虛擬信息的融合。(3)根據(jù)斷面成形工藝,制定了基于視覺的截割臂遠(yuǎn)程控制策略,根據(jù)圖像坐標(biāo)偏差對截割臂位姿進(jìn)行控制。同時分析了Bang-Bang控制器下網(wǎng)絡(luò)延時對于控制精度和穩(wěn)定性的影響,針對高延時下輸出信號震蕩的問題,采用Smith預(yù)估補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償。降低了遠(yuǎn)程控制中由于控制信號滯后造成的截割臂震動和坐標(biāo)偏差,提高了斷面成形的精度。(4)提供了一種B/S視頻遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的架構(gòu)并搭建了掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制平臺,從客戶端、服務(wù)器端以及圖像多目標(biāo)識別算法三個角度,討論了系統(tǒng)各部分的組成與功能。與傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)控制系統(tǒng)相比,此架構(gòu)下系統(tǒng)的功能劃分更加清晰,可移植性更好,更適用于多用戶多硬件的應(yīng)用場景。目前在理論分析的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)各部分進(jìn)行整合,完成了截割臂運(yùn)動的仿真和掘進(jìn)機(jī)模型的測試,驗證了截割臂模型坐標(biāo)變換的正確性以及在模擬環(huán)境下跟蹤算法可行性,為無人化懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研究提供了一種較為完善的解決方案。
【圖文】：

械操控的方式替代了傳統(tǒng)的礦工采掘工作，使煤礦開采效率大幅提高，降低工人勞動強(qiáng)度，并大幅改善煤礦工作條件。在上世紀(jì)七十年代，我國首次實現(xiàn)巷道掘進(jìn)機(jī)的自主研發(fā)。發(fā)展至今，我國掘進(jìn)機(jī)技術(shù)日趨成熟，掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)也由國外生產(chǎn)逐步轉(zhuǎn)為以國內(nèi)生產(chǎn)為主，年產(chǎn)量已達(dá) 1200 臺以上。我國煤礦開采與巷道支護(hù)工程量浩大，綜采工作面回采巷道年耗 820km，其中綜掘總進(jìn)尺達(dá) 650km，到2020 年預(yù)計煤炭產(chǎn)量在 39 億噸左右。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和電氣技術(shù)的發(fā)展，以及國家煤炭行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)的提高，現(xiàn)代掘進(jìn)機(jī)向著智能化、自動化、信息化、無人化方向快速發(fā)展。為了提高采掘效率和采掘工作的安全性，無人化掘進(jìn)機(jī)的研究始終是國內(nèi)外煤礦開采行業(yè)重要的發(fā)展方向[1]。1.2 掘進(jìn)機(jī)分類與介紹按照斷面的作用方式，掘進(jìn)機(jī)可以主要分為兩種類型，分別為全斷面式掘進(jìn)機(jī)以及部分?jǐn)嗝媸骄蜻M(jìn)機(jī)。

械操控的方式替代了傳統(tǒng)的礦工采掘工作，使煤礦開采效率大幅提高，，降低工人勞動強(qiáng)度，并大幅改善煤礦工作條件。在上世紀(jì)七十年代，我國首次實現(xiàn)巷道掘進(jìn)機(jī)的自主研發(fā)。發(fā)展至今，我國掘進(jìn)機(jī)技術(shù)日趨成熟，掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)也由國外生產(chǎn)逐步轉(zhuǎn)為以國內(nèi)生產(chǎn)為主，年產(chǎn)量已達(dá) 1200 臺以上。我國煤礦開采與巷道支護(hù)工程量浩大，綜采工作面回采巷道年耗 820km，其中綜掘總進(jìn)尺達(dá) 650km，到2020 年預(yù)計煤炭產(chǎn)量在 39 億噸左右。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和電氣技術(shù)的發(fā)展，以及國家煤炭行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)的提高，現(xiàn)代掘進(jìn)機(jī)向著智能化、自動化、信息化、無人化方向快速發(fā)展。為了提高采掘效率和采掘工作的安全性，無人化掘進(jìn)機(jī)的研究始終是國內(nèi)外煤礦開采行業(yè)重要的發(fā)展方向[1]。1.2 掘進(jìn)機(jī)分類與介紹按照斷面的作用方式，掘進(jìn)機(jī)可以主要分為兩種類型，分別為全斷面式掘進(jìn)機(jī)以及部分?jǐn)嗝媸骄蜻M(jìn)機(jī)。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD421.5;TP391.41

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 田R

本文編號：2592200