基于VR的悬臂式掘进机远程操控与仿真系统研究

发布时间：2020-01-26 06:22

【摘要】：在传统掘进工作面施工中,依靠操作人员的经验和目测方法实现巷道成形作业存在很大难度。近年来国内外掘进自动化作业控制系统研究突破性不足。井下掘进中的粉尘大、通风难等问题,使得井下环境恶劣,掘进工作面依靠视频监控方式难以获得掘进机位姿和掘进工作面信息,导致工人劳动强度大,且巷道走向定位难、成形截割质量差。研制一种具有多维化信息环境交互能力的掘进机虚拟操控系统,具有重要的研究意义和应用价值。本论文提出一种基于VR的掘进作业远程操控与仿真系统,以悬臂式掘进机为研究对象,以实现悬臂式掘进机远程操控与截割断面轨迹规划为目标,对悬臂式掘进机运动学进行分析与建模,研究截割头轨迹生成理论,构建虚拟操控仿真实验台进行功能测试。以悬臂式掘进机为研究对象,根据系统实际需求构建井下全局坐标系统,依据掘进机几何结构建立掘进机机身子坐标系统,利用机器人运动学知识,建立掘进机截割头运动学、掘进机机身运动学模型,计算掘进机运动学正问题与逆问题的解,获得掘进机控制量和截割头位姿。根据巷道断面尺寸与悬臂式掘进机的功能,对巷道掘进方式与工艺进行研究,得出适合本系统的巷道掘进工艺。以截割头的形状与结构为基础,建立从截割头大圆起始沿螺旋线安装的第i个截齿的坐标,研究截割头上的不同截齿所截割成的截割断面范围,从而确定巷道断面轮廓的边界点,最终获得截割头中心点的轨迹,为掘进机工作时能截割出符合要求的巷道断面尺寸与形状提供重要的保障。根据对综掘工作面掘进机工作现状的分析,论文搭建掘进机虚拟仿真平台,用以真实再现掘进机工作状态与数据显示,实现掘进机虚拟控制所需操控数据采集和传输,并结合掘进机机身传感器所采集到的井下掘进机工况参数,对虚拟掘进机的位姿进行动态修正,更加真实的再现掘进机的工作状态,为掘进机远程操作提供图像与数据支持。
【图文】：

利用手动方式来操作手柄对掘进机进行操控。因为煤矿井下环境的特殊性，使得操作人员需要经常面对大量的粉尘，存在严重损害人体健康的情况。因此，发展完善的掘进机远程控制与监视系统是煤矿单位的迫切的需求。如波兰 EMAG 矿山电气自动化研究中心研制的监控系统，便能够监控 SKD21 掘进机运行状况[9]。国外新型掘进机均配有完善的远程监控系统，，可以在早期发现掘进机设备出现的故障，并在第一时间可远程对故障进行排除，极大地缩短掘进机等设备的停机时间，提高掘进机的开机率。在操控方面，近几年国内在悬臂式掘进机的操控方面也有所发展。有人工操控、近点遥控、远程操控共三种控制方式。驾驶员在掘进机操控台上进行操作，此方法对驾驶员伤害很大，并导致截割断面超挖、欠挖情况多发，掘进工作效率低下，进而致使采掘失衡，严重影响了煤矿井下开采的组织节拍[10]；采用近点无线遥控，如辽宁省通用煤机装备制造股份有限公司生产的具有近点遥控功能的 EBZ200H 型悬臂式掘进机，驾驶员最远可以在距掘进机 30 米处进行遥控操作[11]。由于工作面环境原因，驾驶员不能看清现场情况，因此掘进机操作者不能离现场太远，只能在掘进机附近进行遥控，驾驶员不能完全脱离恶劣环境；在对掘进机进行远程控制方面，国内还没有较大发展。

图 1.2 掘进机近点遥控控方面，近几年国内大多数煤矿对井下作业掘进机采用视频监式。视频监控主要是使用网络摄像机，通过以太网接口接入网的采集、压缩和远程传输的作用[12]。掘进机的远程控制大多是为下位机，远程实现掘进过程的自动控制，以计算机作为上位485、RS-232 或 CAN 对可编程控制器 PLC 远程控制，用以完输功能，利用界面编程软件制作用户操作界面，从而实现掘进摄像机监控实现掘进机操作状态的显示。可在实际运用中，受井集来的图像质量差，图像带宽占用量大，且摄像机的视角有限的每个视点，而且摄像机监控方式无法实现对掘进机的动作、
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD632.2

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本文编号：2573230