基於雷射標尺的採煤工作面液壓支架監控報警系統的製作方法
2023-09-19 12:42:35 1
本發明涉及一種基於雷射標尺的採煤工作面液壓支架監控報警系統，該方法涉及自動控制、圖像模式識別和通信等領域。
背景技術：
目前，隨著科技的發展，井下工作人員數量大大減少。然而煤礦井下綜採設備仍多以人工現場操作為主。井下採煤工作面、掘進工作面是事故高發區域，採掘工作面生產環境惡劣多變，事故多發，嚴重威脅了生產人員的人身安全，降低了煤炭生產效率。因此，若要降低採掘工作面勞動強度，提高工作人員的安全係數和採煤效率，必須實現採掘工作面的自動化和少人化。
液壓支架作為綜採工作面的重要組成部分，必須實現設備的自動化和少人化。因此如何監測液壓支架、控制液壓支架變得尤為重要。目前，液壓支架的監測系統多以傳感器監測為主，所使用的傳感器包括壓力傳感器、角度傳感器、位移傳感器、接觸傳感器等，通過ad轉換，再經通信系統將數據傳輸給處理器等環節，過程複雜，數據處理比較繁瑣。在井下工作面存在煤塵、水淋、大功率電氣設備、振動等幹擾條件，環境惡劣，特別是大功率設備開停等電磁幹擾及振動對傳感器影響較大，易造成傳感器數據誤差、甚至造成傳感器的損壞；另外大數量的傳感器成本比較高，同時可靠性低，效率低下。為解決以上問題，需要一種新的、不完全依賴於傳感器，性能可靠、結構簡單的液壓監控報警系統。
技術實現要素：
本發明提供了一種基於雷射標尺的採煤工作面液壓支架監控報警系統，所述報警系統採用圖像識別的方式對採煤工作面液壓支架監測，從而實現液壓支架移架工作的自動控制。所述系統主要包括雷射發射器、攝像機、液壓支架控制設備、液壓支架監測設備；所述雷射發射器用於發射作為標尺的雷射束；所述攝像機安裝於採煤工作面巷道側壁位置，用於採集包括至少一個雷射束和至少一個液壓支架的至少一個固定標誌；所述液壓支架控制設備負責對液壓支架進行控制，並採集液壓支架狀態；所述液壓支架監測設備通過攝像機採集液壓支架的視頻圖像，通過對圖像中雷射束和液壓支架的固定標誌識別獲得包括液壓支架與雷射束的相對位置和角度的數據，並將數據與已存儲的與雷射束的相對目標位置和工作角度數據進行比對，根據比對結果自動通過液壓支架控制設備對液壓支架進行控制，控制液壓支架移動至設定的位置；所述液壓支架監測設備當監測到液壓支架角度異常，則向監控終端發出報警數據。
所述液壓支架監控報警系統進一步包括：所述液壓支架監測設備存儲數據包括攝像機採集圖像區域內的至少一個液壓支架固定標誌的模板圖像數據；所述液壓支架監測設備存儲數據還包括液壓支架與雷射束的相對目標位置和工作角度數據；所述相對目標位置和工作角度數據是在攝像機和液壓支架均處於工作位置的狀態下測量得到的，相對目標位置數據包括液壓支架固定標誌的特定特徵點與雷射束的距離。
液壓支架移架工作步驟包括:
第一步：將雷射發射器和攝像機沿採煤方向移動至新的工作位置；
第二步：液壓支架監測設備通過液壓支架控制設備控制壓支架降柱，再向採煤工作面方向移動；
第三步：液壓支架監測設備對攝像機採集的視頻圖像與液壓支架固定標誌模板進行模式匹配，並識別雷射束，如在設定時間找到匹配目標並識別出雷射束，則進行第四步，否則停止移架並發送移架失敗信號；
第四步：計算匹配目標與雷射束的夾角，並求此角度數據與存儲的該液壓支架相對工作角度的差數據，如果得到的差的絕對值小於設定閾值則進行第五步，否則停止移動液壓支架並發出報警信號；
第五步：計算獲得匹配目標的特定特徵點，計算匹配目標的特定特徵點與雷射束的距離，計算該距離數據與存儲的該液壓支架相對目標位置數據的差，如差值大於設定閾值則繼續移動液壓支架，並重複執行第三到第五步，直至差值小於設定閾值，則停止移動液壓支架並升柱；
在移動攝像機監測範圍內多個液壓支架時，重複第二步至第五步，直至完成攝像機監測範圍內所有液壓支架的移動工作。
液壓支架監測設備對攝像機採集的視頻圖像與液壓支架固定標誌模板進行比對的過程包括：
1.提取數字圖像中的特定顏色特徵；
2.運用濾波算法對圖像進行濾波處理；
3.對數字圖像進行邊緣檢測，獲取圖像邊緣信息。
4.用已調取的各液壓支架標記模板與經過邊緣檢測的數字圖像進行模式匹配處理。對模式匹配結果進行判定。
所述液壓支架監控報警系統進一步包括：所述雷射發射器和攝像機安裝位置包括垂直於採煤面安裝的固定軌道裝置；所述固定軌道裝置包括可控移動軌道裝置，裝置主要包括軌道和電機；電機用於控制攝像機在軌道上移動；所述電機由液壓支架控制設備控制。
所述液壓支架監控報警系統進一步包括：所述固定標誌的材料包括螢光材料；所述固定標誌包括「十」字形標記。
附圖說明
圖1實施方案1系統示意圖。
圖2實施方案2系統示意圖。
圖3液壓支架控制器連接示意圖。
圖4攝像機及雷射發射器安裝示意圖。
圖5液壓支架移動工作流程圖。
圖6液壓支架模式匹配流程圖。
具體實施方式
所述基於雷射標尺的採煤工作面液壓支架監控報警系統的實施方案1如圖1所示，系統組成主要包括：
1.液壓支架監測伺服器(101)，即液壓支架監測設備，接收視頻伺服器(103)上傳的採煤工作面現場的數位化視頻數據，通過對圖像中雷射束和液壓支架的固定標誌識別獲得包括液壓支架位置和支架角度的數據並進行比對處理，並根據比對結果自動通過液壓支架控制器設備對液壓支架進行控制，控制液壓支架移動至設定的位置；具有現場報警監測功能，當監測到液壓支架姿態或環境異常，則向監控終端發出報警數據。
2.存儲伺服器(102)，負責接收視頻伺服器(103)上傳的採煤工作面現場的數位化視頻數據並進行存儲，並為監控終端(103)提供查詢調取服務。
3.監控終端(103)，負責顯示採煤工作面現場視頻圖像，具有實時視頻監控和歷史視頻調取功能，生產管理人員通過監控終端查看現場視頻圖像並可從存儲伺服器(102)調取歷史監控數據；可根據接收到的液壓支架監測伺服器(101)發送的報警數據進行報警提示，並發出聲光報警。
4.網絡交換機(104)，負責所有接入礦用乙太網的設備的管理和數據交換。
5.井下交換機(105)，負責分站和其它通過網絡通信設備的接入和數據交換，具有隔爆外殼，符合煤礦井下隔爆要求。
6.液壓支架控制器(106)，與液壓支架監測伺服器(101)進行通信對液壓支架進行控制，採用可編程控制器(plc)，實現對採煤機、液壓支架、刮板運輸機、及相關設備的監控。可採用西門子s700系列傳感器。
7.電液控制閥組(107)，電液控制閥是液壓支架控制器(106)的執行部件，為單元組合式結構，每個單元由兩個主控閥和兩個先導閥組成。同一單元中的兩個主控閥分別用來控制同一液壓缸的伸和收。電液控換向閥集成的單元數取決於被控對象的數量，使得電液控制閥具備靈活通用性，實現液壓支架(109)及刮板(110)運輸機的動作與姿態，由液壓支架控制器(106)直接驅動。
8.傳感器(108)，用於採集液壓支架動作必要的反饋數據，包括壓力傳感器、行程開關、紅外傳感器等。
9.液壓支架(109)，用於支撐工作面頂，由液壓支架控制器(106)控制電磁閥組(107)開斷，從而對各活動部件控制，在移架過程中與刮板運輸機(110)進行聯動。
10.刮板運輸機(110)，用於短途運輸由採煤機採下的煤炭，設備運轉由液壓支架控制器(106)控制，刮板運輸機與液壓支架(109)通過液壓機構連接，在移架前先移動刮板運輸機再移動液壓支架。
11.採煤機(111)，由自身的控制設備直接控制，通過過現場總線與液壓支架控制器(106)通信，關鍵部件安裝有紅外傳感器，用於監測採煤機位置及姿態，監測數據由液壓支架控制器(106)採集處理。
12.視頻編碼器(112)，將攝像機採集的模擬視頻圖像數位化並壓縮編碼，並向井上液壓支架監測伺服器(101)、存儲伺服器(102)、監控終端(103)傳輸視頻數據；可採用海康ds-6701hw，以組播方式發送視頻數據。
13.攝像機(113)，採用符合煤礦隔爆要求的礦用攝像機，帶有輔助光源，通過同軸電纜與視頻編碼器(112)連接，安裝在攝像機軌道上(115)。
14.雷射發射器(114)，採用符合煤礦隔爆要求的雷射發射器，帶有輔助光源，通過電纜與液壓支架控制器(106)連接，安裝在攝像機軌道上(115)。
15.攝像機軌道(115)，垂直於巷道且平行於巷道安裝於工作面側壁，採用步進電機帶動軌道滑動，步進電機連接液壓支架控制器(106)，根據其發送的脈衝信號控制轉動，帶動攝像機(113)移動到指定位置。
所述基於雷射標尺的採煤工作面液壓支架監控報警系統的實施方案2如圖2所示，與實施方案1的區別在於：
1.液壓支架監測伺服器(101)安裝於井下，採用工控機或用於多路圖像處理識別的專用設備，直接採集工作面現場視頻信號並進行處理，與液壓支架控制器(106)通過網絡通信，也可通過工業現場總線進行通信。
2.攝像機連接視頻分路器(116)，用於將一路模擬視頻信號分成兩路輸出，一路連接視頻編碼器(112)，將視頻信號數位化並壓縮，通過udp單播方式傳輸至存儲伺服器(102)；第二路模擬視頻輸出連接液壓支架監測伺服器(101)。
液壓支架控制器與各井下設備連接與控制關係如圖3所示：
1.液壓支架控制器(106)通過can總線連接採煤機(111)的控制器進行移架相關必要的通信。液壓支架控制器(106)由can總線通信模塊實現通信。
2.液壓支架控制器(106)通過電磁控制閥組(107)控制液壓支架(106)和刮板運輸機(110)。
3.紅外傳感器(202)用於監測採煤機位置及角度，採用guh5-f紅外發射器和guh5-s紅外接收器，紅外發射器部署於採煤機主要部件上，液壓支架上的紅外接收器負責接收發射器發射的紅外編碼信號，由液壓支架控制器(106)的a/d轉換模塊實現數據採集。
4.壓力傳感器(203)用於檢測液壓支架各立柱下腔壓力，可採用gpd60型礦用壓力傳感器，由液壓支架控制器(106)的a/d轉換模塊實現數據採集。
5.行程開關(201)用於檢測液壓支架部件狀態，輸出開關量，直接連接液壓支架控制器(106)的輸入埠。
6.攝像機軌道(115)的軌道電機直接連接液壓支架控制器(106)。
7.雷射發射器(114)通過電纜與液壓支架控制器(106)連接。
圖4為採煤工作面設備位置示意圖。如圖所示，在採煤工作面進風巷和迴風巷的巷道壁上，平行於巷道均安裝攝像機軌道(115)，攝像機(113)和雷射發射器(114)安裝於攝像機軌道，攝像機(113)應能採集到雷射束和液壓支架的固定標誌，固定標誌由具有特定顏色的螢光材料繪製，特定顏色包括紅色、綠色、黃色、白色等。在此示例中，採煤機從進風巷向迴風巷方向移動，移架前需先移動進風巷一側的攝像機，再從進風巷一側依次移動液壓支架。
移架過程如圖5所示：
1.(501)液壓支架控制器(106)採集採煤機(111)運行相關數據，包括運行狀態、採煤機位置等，將數據傳輸至液壓支架監測伺服器(101)。
2.(502)液壓支架監測伺服器(101)分析採煤機(111)狀態與位置數據，當採煤機從採煤面一端開始向另一端開始移動時，通過液壓支架控制器(106)控制攝像機軌道電機轉動帶動攝像機向工作面方向移動採煤機此次進刀的距離。
3.(503)液壓支架監測伺服器(101)通過液壓支架控制器(106)控制刮板運輸機向採煤面方向分段移動。
4.(504)液壓支架控制器(106)直接控制液壓支架(109)降柱。
5.(505)液壓支架監測伺服器(101)通過液壓支架控制器(106)控制液壓支架(109)向採煤面方向移動。
6.(506)液壓支架控制器(106)控制雷射發射器(114)發射雷射。
7.(507)移動支架的同時液壓支架監測伺服器(101)採集支架的視頻圖像。
8.(508)液壓支架監測伺服器(101)對圖像中的標記進行模式匹配識別。
9.(509)液壓支架監測伺服器(101)確定模式匹配得到的液壓支架位置。
10.(510)液壓支架監測伺服器(101)判定液壓支架是否已到達目標位置，如未到達則返回執行(504)繼續移動支架；如已到達目標位置，則執行(511)。
11.(511)液壓支架監測伺服器(101)判定是否已完成預定數量的支架的移架工作，如已完成則結束此次移架工作；如未完成則返回執行(501)。
液壓支架監測伺服器(101)對液壓支架模式識別及處理流程如圖6所示：
1.(601)調取當前攝像機所監測範圍內的液壓支架固定標誌的模板圖像數據、液壓支架與雷射束的相對目標位置和工作角度數據，本示例所述標記為採用紅色螢光材料人為做的特定「十」字形標記，特定特徵點為「十」字形標記的中心點。
2.(602)根據螢光材料的顏色提取數字圖像中的顏色特徵，本示例標記採用紅色螢光材料，雷射束為綠色，即對紅色和綠色特徵進行提取。
3.(603)運用濾波算法對圖像進行濾波處理，去除電磁幹擾、粉塵等幹擾因素造成的圖像噪聲，增強圖像信息，可採用多種濾波算法對圖像進行濾波處理。
4.(604)對數字圖像進行邊緣檢測，獲取圖像邊緣信息。
5.(605)用已調取的液壓支架固定標記的模板圖像數據與經過邊緣檢測的數字圖像進行模式匹配處理，在本示例中，可針對「十」字形固定標記的頂點位置關係進行模式匹配；並對雷射束進行識別。
6.(606)對模式匹配結果和雷射束識別結果進行判定，如果匹配成功且雷射束識別成功，則復位模式匹配計時器，繼續執行(609)；否則模式匹配計時器計時，並執行(607)。
7.(607)對模式匹配計時器的值進行判定，如果值超過設定閾值則執行(608)；否則返回(602)繼續對新採集的數字圖像進行處理。
8.(608)輸出液壓支架移動失敗信號，停止移架。
9.(609)計算匹配目標與雷射束的夾角，在本示例中可計算頂點連線與與雷射束直線的夾角。
10.(610)比較(609)得到的夾角與存儲的該液壓支架工作角度數據的差，如果角度差大於設定閾值，則說明液壓支架傾斜執行(611)；如未傾斜則繼續執行(612)。
11.(611)輸出液壓支架報警信號，停止移架。
12.(612)判定匹配目標的固定標記的特定特徵點的位置，本示例特定特徵點為「十」字形標記的中心點。
13.(613)計算匹配目標的特定特徵點與雷射束的距離。計算該距離數據與存儲的該液壓支架相對目標位置數據的差。
14.(614)判定(613)得到的差值大小，如果小於設定閾值則執行(615)；否則執行(616)。
15.(615)輸出液壓支架移架成功信號。
16.(616)判定從開始移架到當前所經過的時間是否超過設定閾值；如果超過設定閾值則執行(617)；否則返回(602)繼續對新採集的數字圖像進行處理。
17.(617)輸出液壓支架移動失敗信號，停止移架。