СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ОРГАНОМ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ ГОРНОПРОХОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
SYSTEM OF AUTOMATIC CONTROL OVER ACTUATOR OF SELECTIVE OPERATION OF TUNNELING COMPLEX

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к автоматизации управления горнопроходческими комплексами с рабочим органом избирательного действия.
Для автоматического управления рабочим органом избирательного действия горнопроходческого комплекса необходимо решать две задачи: определение траектории движения рабочего органа и положение коронки рабочего органа в пространстве.
Известно устройство для автоматического управления стреловидным исполнительным органом горного комбайна, позволяющее определить опорные точки траектории движения рабочего органа, содержащее датчики горизонтального и вертикального перемещения исполнительного органа, исполнительные элементы, генератор сдвигающих импульсов, ключ с управляющими входами двоичный счетчик, дешифратор, блок ячеек выбора программ, блоки задания программ, блоки ячеек сравнения и направления движения (а.с. СССР №1040143 А, кл. Е21С, 35/24, 1983).
К недостаткам известной системы можно отнести большие габаритные размеры, сложность изменения заданной программы управления и необходимость ручной корректировки координат заданного положения исполнительного органа относительно фактического положения и корпуса горного комбайна.
Известно устройство для определения положения проходческого щита, содержащее собирающую линзу, фотодатчик, модулятор с датчиком нулевого положения, при этом модулятор выполнен в виде двух светонепроницаемых пластин, расположенных под углом друг к другу, а также два маятниковых датчика отклонения относительно вертикали (патент РФ №2208166, кл. E21D 9/093, С 35/24 2003).
К недостаткам известной системы относятся сложная система обработки сигнала поступающего с фотоэлемента, а также недостаточная точность маятниковых датчиков.
Известна система автоматического управления механизмами передвижения щита и возведения крепи тоннелепроходческого комплекса содержащая информационно-измерительную систему, позволяющую определять пространственное положение проходческого щита, взятая за прототип, которая является наиболее близкой к предлагаемой системе, содержащая оптический задатчик направления, электрический модулятор, диафрагму и фотоэлектронное приемное устройство, два блока выборки сигналов, два коммутатора тока, блок шинных формирователей, коммутатор напряжения, аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор, одновибратор с логическим входом, ждущий мультивибратор, задающий генератор, интерфейс, вычислительное устройство и датчики угла крена, выдвижения гидродомкратов и копиршарошек, а также датчики выдвижения звеньев манипулятора крепеукладчика (патент РФ №2206751 С1, кл. E21D 9/093, С 35/24 2003).
К недостаткам известной системы относятся большие габариты, сложность информационно-измерительной системы, необходимость модуляции луча оптического задатчика направления и недостаточная надежность.
Изобретение направлено на повышение надежности и эффективности управления рабочим органом избирательного действия проходческого комплекса.
Это достигается за счет того, что система автоматического управления рабочим органом избирательного действия горнопроходческого комплекса, содержит оптический задатчик направления - лазер, диафрагму, фотоприемное устройство, интерфейсный модуль, датчики положения каждой степени подвижности рабочего органа, датчик крена, блоки управления электрогидрозолотниками и вычислительное устройство, причем фотоприемное устройство состоит из полупрозрачного зеркала, расположенного под углом 45° к продольной оси корпуса устройства, двух экранов - хвостового и ножевого - с ноль-метками и двух видеомодулей, при этом хвостовой экран расположен над отражающей поверхностью полупрозрачного зеркала так, что он параллелен продольной оси устройства, а ножевой - на некотором расстоянии за неотражающей поверхностью и перпендикулярно продольной оси. Каждый видеомодуль установлен за соответствующим экраном на фокусном расстоянии объектива. Причем для определения координат точки пересечения лазерного луча с экранами (ножевым и хвостовым) используется изображения экранов в виде двухмерного массива, где строкам и столбцам соответствуют горизонтальные и вертикальные координаты пикселей (точек), а значения элементов являются цветом соответствующих пикселей, в котором определяется прямоугольная область, содержащая цвет лазерного луча.
На фиг.1 изображен общий вид системы автоматического управления рабочим органом избирательного действия горнопроходческого комплекса. На фиг.2 представлено размещение аппаратуры системы автоматического управления рабочим органом избирательного действия на горнопроходческом комплексе и в горной выработке. На фиг.3 показана блок-схема алгоритма программы, реализующей управление рабочим органом избирательного действия горнопроходческого комплекса. На фиг.4 - блок-схема алгоритма программы определения координат точек лазерного луча на хвостовом и ножевом экранах фотоприемного устройства. На фиг.5 - матрица изображения экрана фотоприемного устройства. На фиг.6 приведена схема экрана фотоприемного устройства.
Система состоит из оптического задатчика направления - лазера 1, оптически связанного через диафрагму 2 с фотоприемным устройством 3, выход которого электрически связан с вычислительным устройством 4, с которым через интерфейсный модуль 5 соединены датчики положения 6, 7, 8 каждой степени подвижности рабочего органа 9 горнопроходческого комплекса 10, датчик крена 11 и блоки управления 12, 13, 14 электрогидрозолотниками. Причем фотоприемное устройство состоит из полупрозрачного зеркала 15, установленного в корпусе устройства 3 со стороны лазерного задатчика 1, расположенного под углом 45° к продольной оси того же устройства, двух экранов - хвостового 16 и ножевого 17 - с ноль-метками (показаны на фиг.5 и фиг.6) и двух видеомодулей 18 и 19. При этом хвостовой экран 16 расположен над отражающей поверхностью полупрозрачного зеркала 15 так, что он параллелен продольной оси, а ножевой 17 - на расстоянии около 1 м (на фиг.1 обозначено как L) за неотражающей поверхностью и перпендикулярно продольной оси устройства 3. Каждый видеомодуль 18 и 19 установлен за соответствующим экраном на фокусном расстоянии объектива данного видеомодуля.
Лазер 1 и диафрагма 2 устанавливаются в тоннеле, а все остальные блоки - на горнопроходческом комплексе 10 (фиг.2).
Блок-схема алгоритма программы (фиг.3), реализующей управление рабочим органом избирательного действия 9, состоит из блока пуска программы 20, блока ввода 21 масштабных коэффициентов, цвета лазерного луча, геометрических размеров рабочего органа, величин односторонних уширений горной выработки, блока определения координат точек пересечения отраженной и прошедшей без изменений частей лазерного луча 22 с хвостовым и ножевым экранами соответственно, блока определения координат горнопроходческого комплекса 23 в пространстве, блока определения координат рабочего органа 24, блока определения координат опорных точек 25, блока выдачи управляющих воздействий на гидроцилиндры каждой степени подвижности 26, блока вычисления управляющих воздействий на передвижение комплекса 27, блока выдачи управляющих воздействий на привод механизма передвижения комплекса 28. Обработка информации происходит в вычислительном устройстве 4.
Определение координат точек пересечения отраженной и прошедшей без изменений частей лазерного луча с хвостовым и ножевым экранами 16 и 17 соответственно блоком 22 реализуется следующим образом.
Изображения экранов 16 и 17, на которые попадают отраженный от зеркальной поверхности и прошедший сквозь полупрозрачное зеркало лазерный луч, в виде видеопотоков, посредством видеомодулей 18 и 19 поступают в вычислительное устройство 4, где покадрово преобразуются операционной системой в двухмерные массивы, строки и столбцы которых соответствуют горизонтальным и вертикальным координатам пикселей (точек), а значения элементов являются цветом соответствующих пикселей (пример массива размерностью 28×20 точек показан на фиг.5). Причем к изображению хвостового экрана применяется процедура зеркального отображения, после которой для обоих экранов можно использовать одни и те же преобразования.
Программное определение координат лазерного луча на хвостовом 16 и ножевом 17 экранах реализуется по следующему алгоритму (фиг.4).
c
c
с
s
s
k
k
В блоке 21 задается цвет лазерного луча в виде числовых значений каждой компоненты цвета: красного R, зеленого G и синего В. После запуска подпрограммы блоком 29, в блоке 30 переменным w, h и w, h, определяющим начало и конец определяемой области изображения, присваиваются начальные значения
s
max
s
max
k
k
w=w; h=h; w=0; h=0,
max
max
где w и h - разрешение видеомодуля по горизонтали и вертикали соответственно.
max
max
Далее в теле цикла 31 с параметром h, изменяющимся от 0 до h, организован еще один цикл 32 с параметром w, изменяющимся от 0 до w, в теле которого осуществляется построчное рассмотрение всей матрицы изображения.
В блоке 33 производится разбиение цвета текущего пикселя p[w,h] на составляющие цвета: красный r, синий b и зеленый g. Затем в блоке 34 проверяется принадлежность пикселя p[w,h] цветовой области по следующему выражению:
.
Если пиксель p[w,h] принадлежит этой области, то выполняется проверка на граничность пикселя в определяемой цветовой области, блоками 35, 37, 39, 41 проверяющими следующие условия:
S
K
S
K
w<w; w>w; h<h; h>h.
s
s
k
k
В зависимости от результатов сравнения блоками 36, 38, 40, 42, координатам пикселей начала w и h или конца w и h области требуемого цвета приравнивается текущее значение пикселя p[w,h] (фиг.5).
После выхода из двух вышеописанных циклов 31 и 32 производится вычисление координат точек пересечения отраженной и прошедшей без изменений частей лазерного луча с хвостовым 16 и ножевым 17 экранами в блоке 43 по следующим формулам.
Для ножевого
; ,
y
z
где M и M - масштабные коэффициенты, полученные при настройке системы;
0
0
w и h - координаты пикселя соответствующего ноль-метке.
0X
0X
Для координат на хвостовом экране Y и Z вычисления производятся по аналогичным формулам.
В блоке 44 происходит завершение программы блока 21 (фиг.3).
Определение координат комплекса в пространстве блоком 23 (фиг.3) осуществляется по следующим формулам:
;
;
;
,
H
H
X
X
н
x
где Y, Z, Y и Z - координаты ножевой и хвостовой точек горнопроходческого комплекса в пространстве; L - кратчайшее расстояние между ножевым экраном 17 и полупрозрачным зеркалом 15 (фиг.1); l - расстояние от ножевого кольца комплекса до ножевого экрана 17; l - расстояние от хвостовой точки комплекса К до полупрозрачного зеркала 15 в горизонтальной плоскости (фиг.2); q - установочный размер устройства 3 в вертикальной плоскости относительно продольной оси комплекса 10; α - угол крена, измеренный датчиком крена 11.
Определение координат рабочего органа блоком 24 производится по следующим формулам:
;
;
;
;
;
;
M
M
M
M
M
M
1
2
3
1
2
3
1
1
2
2
0
0
0
1
2
где Х, Y, Z - координаты центра тяжести М коронки рабочего органа в системе координат, связанной с лазерным задатчиком; x, у, z - координаты центра тяжести коронки рабочего органа в собственной системе координат; l, l, l - длины соответствующих звеньев рабочего органа; ΔS, ΔS, q - обобщенные координаты первого, второго и третьего звеньев рабочего органа, которые определяются датчиками положения 6, 7, 8; a, b, a, b - установочные размеры гидроприводов в первом и втором звеньях рабочего органа; х, у, z - установочные размеры рабочего органа 9 внутри комплекса 10 относительно хвостовой точки K продольной оси; Δq, Δq - промежуточные координаты;  - угол отклонения комплекса в вертикальной плоскости;  - угол отклонения комплекса в горизонтальной плоскости.
Выдача управляющих воздействий на гидроцилиндры каждой степени подвижности посредством блоков управления 12, 13, 14 электрогидрозолотниками блоком 26 осуществляется по следующему алгоритму.
Из памяти вычислительного устройства 4 загружается координата первой опорной точки. Все звенья находятся в исходном положении. Через интерфейсный модуль 5 и блок управления электрогидрозолотниками первого звена 12 выдается сигнал управления на движение первого звена. При движении первого звена его местоположение определяется датчиком положения первого звена 6, информация с которого через интерфейсный модуль 5 поступает в вычислительное устройство 4. При достижении звеном требуемого положения вычислительным устройством 4 через интерфейсный модуль 5 и блок управления электрогидрозолотниками первого звена 12 выдается сигнал управления на отключение привода первого звена. Аналогичные действия проводятся со вторым и третьим звеньями. При выдвижении третьего звена происходит забуривание коронки в забой.
Далее опять повторяются вышеописанные действия для движения по опорным точкам для первого и второго звеньев.
После отработки последней опорной точки вторым звеном, через интерфейсный модуль 5 и блок управления электрогидрозолотниками третьего звена 14 выдается сигнал управления на движение третьего звена в исходное положение. Аналогичные действия проводятся с первым и вторым звеньями.