一种掘进机远程控制系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种掘进机远程控制系统及方法。所述系统包括掘进机上安装的传感器、机载检测系统、机载控制器、数据通讯模块，掘进机远程监控平台，其中掘进机远程监控平台包括掘进机虚拟操控台、数据库、虚拟现实系统数据接口、掘进机控制模型模块、掘进机工况参数监测模块、掘进机虚拟样机平台。本发明解决了煤矿井下掘进机工作环境粉尘大，噪音大，且操作人员难以掌握掘进断面具体状况，缺乏掘进机工况数据和位姿信息造成的控制盲目性，从而提升巷道掘进质量和安全性。本发明具有良好的交互性和真实感，设计合理，实用性强，推广应用价值高。
【专利说明】一种掘进机远程控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种掘进机远程控制系统及方法，尤其是涉及一种基于虚拟现实技术的掘进机远程控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]虚拟现实(Virtual Reality)技术是近年来一项十分活跃的研究与应用技术。虚拟现实技术应用越来越广泛，从军事到民用领域，已有许多的应用系统，并且应经在多个领域中发挥着重要的作用。
[0003]现有技术中，中国专利一种“掘进机远程监控方法及系统”，专利号为201010274882.2，该专利技术方案通过机载控制器，远程控制器，激光指向仪，激光接收器，数字罗盘，无线网络，无线中继，有线网络，分布式传感器网络，无线中继安放器等完成了远程实时监控掘进机掘进过程、工作状态及动态参数，高速无线数据传输，信息收集、整理与保存的工作。
[0004]中国专利一种“掘进机虚拟实训操作教学仪及训练方法”，专利号为201010163364.3的专利，该专利技术方案通过计算机、显示器、控制按钮、控制手柄等完成受训人员的岗前培训。
[0005]中国专利一种“全断面掘进机虚拟施工系统”，专利号为201010241035.6，该专利技术方案通过立体投影系统、操纵控制台等完成虚拟实验和操作培训。
[0006]由以上专利可以看出，目前掘进机远程控制监控方法依靠工况状态、简单位姿参数决策，或者简单二维图像显示掘进机工况信息，难以满足掘进过程中对设备控制决策的要求。实际生产中，掘进工作面粉尘大、噪声强，操作人员的视线受限，不能掌握掘进断面具体状况，难以有效进行掘进过程正确决策。虚拟现实技术在掘进机方面的应用也仅仅用在产品展示、虚拟实验或者培训。
[0007]借助虚拟现实、实时通信网络和现代检测技术，建立掘进机虚拟样机及工况场景虚拟场景，利用三维虚拟样机技术再现掘进过程的掘进机工况和位姿关系，辅以专有的物理碰撞模型，为掘进提供直观的远程控制决策支持，实现掘进过程的自动化和智能化，为实现矿井生产少人、甚至无人化鉴定一定的基础。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种掘进机远程控制系统及方法，解决煤矿井下掘进机工作环境粉尘大，噪音大，且操作人员难以掌握掘进断面具体状况，缺乏掘进机工况数据和位置信息造成的控制盲目性，从而提升巷道掘进质量和安全性。本发明具有良好的交互性和真实感，设计合理，实用性强，推广应用价值高。
[0009]本发明的技术方案是:一种掘进机远程控制系统，所述系统包括掘进机上安装的传感器、机载检测系统、机载控制器、数据通讯模块、掘进机远程监控平台，其中掘进机远程监控平台包括掘进机虚拟操控台、数据库、虚拟现实系统数据接口、掘进机控制模型模块、掘进机工况参数监测模块、掘进机虚拟样机平台；
[0010]所述传感器包括工况传感器和位姿传感器。工况传感器包括温度传感器(安装在电控箱内，检测电控箱温度的温度)、振动传感器(安装在掘进机掘进机械部位，检测机身传动系统振动)、压力传感器(安装在设备车体上，检测大气压力)、电压、电流传感器(安装在系统驱动电路部分，检测电路的电压和电流)；
[0011]位姿传感器包括位移传感器(安装在截割头伸缩油缸内，测量出截割头的伸缩量，用以确定截割头当前位置坐标)、三轴陀螺仪(可测量出掘进机车身在惯性空间绝对坐标系的位移量，作为前进与后退的信息，也可测量车体与惯性空间绝对坐标系三轴的角度，作为车体姿态信息)；
[0012]机载检测系统用于采集掘进机上安装的位姿传感器和工况传感器数据，并传递给机载控制器；
[0013]机载控制器完成掘进机本地控制、掘进机主要部件工况参数的预处理和特征提取；
[0014]数据通讯模块由机载控制器通讯模块、现场总线或工业以太网组成，完成掘进机工况参数和控制指令在控制器间的传输。
[0015]掘进机虚拟操控台由掘进机控制器改装而成，用于发送操控指令控制真实掘进机和虚拟样机。
[0016]数据库为MYSQL数据库，完成掘进机工况参数和工作状态采集数据的存储更新；
[0017]虚拟现实系统数据接口为C++开发的虚拟样机数据接口，完成多通道数据采集卡控制、MySQL数据库读写和Quest3D各通道数据更新；
[0018]掘进机控制模型模块由开机定位模型、行驶状态及轨迹调整模型、自动断面截割模型(针对矩形、梯形和半圆拱形巷道)组成，完成掘进机定位、远程监控和自动断面截割；
[0019]掘进机工况参数监测模块用来将采集到的工况参数和位姿参数实时的显示出来，反应掘进机的工作状态和工况参数；
[0020]掘进机虚拟样机平台为基于Quest3D开发的掘进机虚拟仿真系统，完成掘进机虚拟样机和工作场景3D呈现、虚拟样机模型动态编程和掘进机虚拟控制。
[0021]一种掘进机远程控制方法，其特征在于:掘进机远程监控平台的虚拟操控台发送控制指令，一路控制指令通过数据通信模块发给机载控制器，机载控制器接收并控制掘进机；另一路控制指令通过虚拟现实系统数据接口传送到虚拟样机平台中驱动掘进机虚拟样机与真实掘进机同步运动。同时机载检测系统将采集的传感器工况和位姿参数传递给机载控制器，机载控制器进行预处理后由数据通讯模块上传至掘进机远程监控平台，并由数据库形式进行归档存储；虚拟样机平台中的虚拟样机通过虚拟现实系统数据接口实时读取数据库中的真实掘进机工作状态数据，修正掘进机控制模型模块中的相关参数，对掘进机虚拟样机工作状态进行实时校正，实现掘进机远程监控平台中的虚拟样机和真实掘进机工作状态的真实再现。
[0022]具体控制过程如下:
[0023]第一步、借助Quest3D及C++软件完成掘进机远程监控平台的开发设计，完成掘进机几何模型建立以及场景的漫游，实时显示掘进机各种工作状态，同时开发出虚拟现实系统数据接口模块和数据通讯模块；[0024]第二步、机载控制器实时采集并预处理掘进机工况参数及位姿参数数据，实现工况数据的存储和更新；
[0025]第三步、建立机载控制器和掘进机远程监控平台之间的数据通信，将预处理后的掘进机工况参数及位姿参数信息上传至掘进机远程监控平台，采用MySQL数据库进行数据的归档、存储；
[0026]第四步、借助虚拟现实系统数据接口解析并传输虚拟操控台发出的掘进机控制指令，实现Quest3D平台上掘进机虚拟样机的控制；
[0027]第五步、掘进机远程监控平台通过虚拟操控台控制真实掘进机完成掘进过程控制；
[0028]第六步、Quest3D平台中虚拟样机相应通道实时读取MySQL数据库归档的真实掘进机工况参数及位姿信息，对虚拟样机平台中的掘进机虚拟样机位姿、工况参数进行实时校正，保证虚拟掘进机反映真实掘进机的有效性；
[0029]最后，循环执行第二步至第六步，实现不同条件下的掘进机工况参数实时检测、工作状态真实再现和远程控制。
[0030]本发明的有益效果
[0031]由于上述方案，虚拟操控台将指令同时发给掘进机及其虚拟样机，通过虚拟现实系统数据接口解析控制指令并传递给Quest3D平台相应通道，实现掘进机虚拟样机绑定动作。同时机载检测系统采集掘进机工况数据，传输给机载控制器，经过数据处理和分析，通过数据通讯模块最终传输到掘进机远程监控平台的数据库进行归档。读取掘进机远程监控平台中的数据库，实时更新和显示掘进机虚拟样机工况数据和位姿等信息，保证掘进工作面掘进机和掘进机远程监控平台中的虚拟样机控制模型信息的一致性。
[0032]与现有技术相比，本发明具有以下优势:
[0033]1、本发明利用机载检测系统提供的掘进机工况参数实时修正掘进机虚拟样机控制模型，实时掘进机履带行走、截割头升降回转伸缩、星轮正反转、运输机正反转、后支撑升降等直观再现。
[0034]2、依据掘进机实时工况数据和位姿等信息，操作人员利用虚拟操控平台实现掘进机远程控制，改善了生产环境。
[0035]3、本发明建立了虚拟样机控制模型模块，可在远程监控平台上对掘进机进行可视化控制，解决了煤矿井下掘进机工作环境粉尘大，噪音大，操作人员难以掌握掘进断面具体状况，缺乏掘进机工况数据和位置信息造成的控制盲目性。
[0036]3、本发明具有良好的掘进环境的现场感和良好的交互性，使得操作人员能够及时、直观掌握掘进机和工作现场空间信息，有效提升了巷道掘进技术水平和生产安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是本发明的工作原理框图。
[0038]图2是本发明的系统组成框图。
[0039]图3是本发明的掘进机控制模型模块框图。
[0040]图4是本发明的虚拟现实数据接口实现框图。
[0041]图5是本发明的虚拟平台构建框图。【具体实施方式】
[0042]如图1所示，一种掘进机远程控制系统工作原理:首先，一路控制指令通过数据通信模块发给机载控制器，机载控制器接收并控制掘进机；另一路控制指令通过虚拟现实系统数据接口传送到虚拟样机平台中驱动掘进机虚拟样机与真实掘进机同步运动。同时机载检测系统将采集来的掘进机工况数据传递给机载控制器，经过分析处理后由数据通讯模块将掘进机工况数据传递给远端的掘进机远程监控平台的数据库进行归档；掘进机虚拟样机平台中的虚拟样机通过虚拟现实系统数据接口实时读取数据库中的真实掘进机工作状态数据，对掘进机虚拟样机工作状态进行实时校正，实现掘进机远程监控平台中的虚拟样机和真实掘进机工况参数和位姿等信息的真实再现。
[0043]如图2所示，一种掘进机远程控制系统，掘进机远程监控平台中的虚拟操控台发出控制指令，通过多通道数据采集卡采集掘进机远程监控平台上安装的手柄或者摇杆等控制信号，一路控制指令通过数据通信模块发给机载控制器，机载控制器接收并控制掘进机；另一路控制指令通过虚拟现实数据接口传送到基于Quest3D的掘进机虚拟样机平台，驱动掘进机虚拟样机与真实掘进机同步运动。同时机载检测系统采集掘进机传感器数据，并传递给机载控制器，分析预处理后，经数据通讯模块将检测信息特征值传输到远端的掘进机远程监控平台，通过MySQL数据库对各传感器特征值数据进行归档；掘进机工况参数监测模块通过虚拟现实系统数据接口将MySQL数据库的工况参数显示在虚拟样机平台中，完成对掘进机工况参数和工作状态的监测；同时，运行虚拟样机控制模型模块，实时读取MySQL数据库中存档的真实掘进机数据，并以此修正掘进机控制模型的位姿、工况等参数，对掘进机虚拟样机工作状态进行实时修正，实现掘进机远程监控平台中的虚拟样机和真实掘进机工况参数和位姿等信息的真实再现。
[0044]结合掘进机虚拟控制需求选择相应的传感器。传感器可以分为工况传感器和位姿传感器。工况传感器包括温度传感器(安装在电控箱内，检测电控箱温度的温度)、振动传感器(安装在掘进机掘进机械部位，检测机身传动系统振动)、压力传感器(安装在设备车体上，检测大气压力)、电压、电流传感器(安装在系统驱动电路部分，检测电路的电压和电流)。
[0045]位姿传感器包括位移传感器(安装在截割头伸缩油缸内，测量出截割头的伸缩量，用以确定截割头当前位置坐标)、三轴陀螺仪(可测量出掘进机车身在惯性空间绝对坐标系的位移量，作为前进与后退的信息，也可测量车体与惯性空间绝对坐标系三轴的角度，作为车体姿态信息)。
[0046]如图3所示，本发明掘进机控制模型模块由开机定位模型、行驶状态及轨迹调整模型、自动断面截割模型(针对矩形、梯形和半圆拱形巷道)组成，完成掘进机定位、远程监控和自动断面截割；对掘进机机身、截割头部分安装的多个位移传感器及三轴陀螺仪数据融合处理，完成掘进机定位、远程监控和自动断面截割，确定掘进机工作状态。
[0047]开机定位模型对系统进行初始化，设定惯性坐标系原点，将掘进任务依据初步的地质等信息进行建模，并以网格点坐标形式耦合到惯性坐标系。
[0048]行驶状态及轨迹调整模型通过调用位移和陀螺仪数据，计算掘进机掘进速度(或位移)和位姿角度，与预先规划的掘进机控制参数进行比较，按照比较结果决策掘进机的控制，达到掘进机运动控制和轨迹调整的目标。
[0049]自动断面截割模型依据巷道形状尺寸要求，形成惯性坐标系中网格节点，并计算出掘进机完成网格节点部位巷道成型掘进时的机身和截割头运动参数，作为虚拟掘进机的控制指令。
[0050]如图4所示，本发明虚拟现实系统数据接口是:利用多通道数据采集卡所带DLL函数、MySQL数据库的API接口函数，实现按键或手柄状态采集和解析，并建立和存储指令解析结果到虚拟操控台MySQL数据库相应字段。在Quest3D平台中专用的MySQL数据库连接通道实现采集数据的调用，将相应指令与对应的虚拟样机进行动作绑定，实现了虚拟样机动作控制。
[0051]如图5所示，掘进机远程监控平台的搭建方法:首先，建立三维模型，根据相关规定和总体设计需求，在建模软件MAYA中根据掘进机型号完成3D建模和虚拟场景的建模。所建模型基于真实井下环境，为确保模型必要精确度和逼真度，通过添加不同功能的channel组，在场景中建立灯光、贴图及摄像机。然后进行模型动态编程，将模型导入Quest3D进行组装，通过Quest3D内部优化Channel引擎，对仿真进行优化。最后在实时调用数据库的工况数据完成功能搭建。
[0052]需要说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。
[0053]凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种掘进机远程控制系统，其特征在于:所述系统包括掘进机上安装的传感器、机载检测系统、机载控制器、数据通讯模块、掘进机远程监控平台，其中掘进机远程监控平台包括掘进机虚拟操控台、数据库、虚拟现实系统数据接口、掘进机控制模型模块、掘进机工况参数监测模块、掘进机虚拟样机平台； 所述传感器包括工况传感器和位姿传感器；工况传感器包括温度传感器、振动传感器、压力传感器、电压、电流传感器；位姿传感器包括位移传感器、三轴陀螺仪； 所述的机载检测系统用于采集掘进机上安装的位姿传感器和工况传感器数据，并传递给机载控制器； 所述的机载控制器完成掘进机本地控制、掘进机主要部件工况参数的预处理和特征提取； 所述的数据通讯模块由机载控制器通讯模块、现场总线或工业以太网组成，完成掘进机工况参数和控制指令在控制器间的传输； 所述的掘进机虚拟操控台用于发送操控指令，控制真实掘进机和虚拟样机； 所述的数据库为MYSQL数据库，完成掘进机工况参数和工作状态采集数据的存储更新； 所述的虚拟现实数据接口为C++开发的虚拟样机数据接口，完成多通道数据采集卡控制、MySQL数据库读写和Quest3D各通道数据更新； 所述的掘进机控制模型模块由开机定位模型、行驶状态及轨迹调整模型、自动断面截割模型组成，完成掘进机定位、远程监控和自动断面截割； 所述的掘进机工况参数监测模块用来将传感器采集到的工况参数和位姿参数实时的显示出来，反应掘进机的工作状态和工况参数； 所述的掘进机虚拟样机平台为基于Quest3D开发的掘进机虚拟仿真系统，完成掘进机虚拟样机和工作场景3D呈现、虚拟样机模型动态编程和掘进机虚拟控制。
2.一种掘进机远程控制方法，其特征在于:掘进机远程监控平台的虚拟操控台发送控制指令，一路控制指令通过数据通信模块发给机载控制器，机载控制器接收并控制掘进机；另一路控制指令通过虚拟现实系统数据接口传送到虚拟样机平台中驱动掘进机虚拟样机与真实掘进机同步运动；同时机载检测系统将采集的传感器工况和位姿参数传递给机载控制器，机载控制器进行预处理后由数据通讯模块上传至掘进机远程监控平台，并由数据库形式进行归档存储；掘进机虚拟样机平台中的虚拟样机通过虚拟现实系统数据接口实时读取数据库中的真实掘进机工作状态数据，修正掘进机控制模型模块中的相关参数，对掘进机虚拟样机工作状态进行实时校正，实现掘进机远程监控平台中的虚拟样机和真实掘进机工作状态的真实再现。
3.如权利要求2所述的一种掘进机远程控制方法，其特征在于:虚拟现实系统数据接口是利用多通道数据采集卡所带DLL函数、MySQL数据库的API接口函数，实现掘进机虚拟操控台按键或手柄状态的采集和解析，并建立和存储指令解析结果到MySQL数据库相应字段；在Quest3D平台中利用MySQL数据库连接通道实现采集数据的调用，将相应指令与对应的虚拟样机进行动作绑定，实现虚拟样机动作控制。
4.如权利要求2所述的一种掘进机远程控制方法，其特征在于: 第一步、借助Quest3D及C++软件完成掘进机远程监控平台的开发设计，完成掘进机几何模型建立以及场景的漫游，实时显示掘进机各种工作状态，同时开发出虚拟现实系统数据接口模块和数据通讯模块； 第二步、机载控制器实时采集并预处理掘进机工况参数及位姿参数数据，实现工况数据的存储和更新； 第三步、建立机载控制器和掘进机远程监控平台之间的数据通信，将预处理后的掘进机工况参数及位姿参数信息上传至掘进机远程监控平台，采用MySQL数据库进行数据的归档、存储； 第四步、借助虚拟现实系统数据接口解析并传输虚拟操控台发出的掘进机控制指令，实现Quest3D平台上掘进机虚拟样机的控制； 第五步、掘进机远程监控平台通过虚拟操控台控制真实掘进机完成掘进过程控制； 第六步、Quest3D平台中虚拟样机相应通道实时读取MySQL数据库归档的真实掘进机工况参数及位姿信息，对虚拟样机平台中的掘进机虚拟样机位姿、工况参数进行实时校正，保证虚拟掘进机反映真实掘进机的有效性； 最后，循环执行第二步至第六步，实现不同条件下的掘进机工况参数实时检测、工作状态真实再现和远程控制。
【文档编号】E21C35/24GK103867205SQ201410086340
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】张旭辉, 马宏伟, 王天龙, 权振林, 赵友军, 姜俊英, 曹现刚 申请人:西安科技大学