本發(fā)明涉及一種采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高裝置及方法，具體是通過圖像識(shí)別的方法對煤巖界面進(jìn)行識(shí)別并輸出識(shí)別信號(hào)控制采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高，屬于自動(dòng)化開采裝備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國是煤礦的開采與消費(fèi)大國，滾筒式采煤機(jī)作為主要的開采裝備，在煤礦開采中起到至關(guān)重要的作用。而煤礦由于其工況環(huán)境惡劣及采煤機(jī)的可靠性自動(dòng)化水平低下，煤炭生產(chǎn)仍屬于高危行業(yè)。因此急需提高綜采工作面的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化換人，自動(dòng)化減人”，改善采煤工人勞動(dòng)條件，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。對于綜采工作面自動(dòng)化而言，煤巖識(shí)別控制采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一，目前，煤巖識(shí)別的主要方法有自然γ射線探測法、雷達(dá)探測法、多傳感器融合法等。在井下的復(fù)雜環(huán)境中，很多方法都存在一定的局限性，或者識(shí)別精度達(dá)不到要求，無法為采煤機(jī)的自動(dòng)控制提供條件，或者易受外界環(huán)境干擾，并且通用性不強(qiáng)，不能夠很好地適用于無人化綜采工作面，加快自動(dòng)化采掘設(shè)備的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于圖像識(shí)別的采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高裝置及方法，能夠很好地對采煤工作面煤巖界面進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別精度高，搖臂調(diào)節(jié)靈敏度高，可靠性高且抗干擾能力強(qiáng)，能夠自動(dòng)避開采煤工作面上的夾矸、巖體，為采煤機(jī)自動(dòng)化控制提供了條件。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于圖像識(shí)別的采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高裝置，包括攝像模塊、圖像識(shí)別處理模塊、采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊、攝像監(jiān)控模塊、滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊；其中，

所述攝像模塊用于拍攝采煤工作面煤巖圖像并將其輸入至圖像識(shí)別處理模塊和攝像監(jiān)控模塊；

所述圖像識(shí)別處理模塊用于對攝像模塊拍攝到的采煤工作面煤巖圖像進(jìn)行圖像去噪、紋理提取、邊緣檢測操作，建立煤巖圖像坐標(biāo)系，根據(jù)煤巖圖像坐標(biāo)系對采煤工作面煤巖圖像進(jìn)行界面軌跡優(yōu)化，通過優(yōu)化后的界面軌跡獲取滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)；并將獲取的滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)輸出給采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊，將優(yōu)化后的界面軌跡輸送給滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊；

所述采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊用于將滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)輸出至采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊中的plc控制系統(tǒng)，plc控制系統(tǒng)根據(jù)滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)運(yùn)算得到油缸的推進(jìn)量/退回量，將油缸的推進(jìn)量/退回量輸入至調(diào)高油缸中，通過調(diào)高油缸控制搖臂擺動(dòng)，使得搖臂上的滾筒在采煤工作面上下自動(dòng)調(diào)高，直至調(diào)到滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)上；

所述攝像監(jiān)控模塊用于根據(jù)采煤工作面煤巖圖像監(jiān)測滾筒在截割時(shí)是否截割到巖石；

所述滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊用于對采煤機(jī)搖臂進(jìn)行路徑檢測計(jì)算，并將得到的路徑與實(shí)際采煤工作面圖像中的煤巖界面進(jìn)行對比，確定其擬合程度。

優(yōu)選的：所述攝像模塊包括ccd高清攝像機(jī)、防塵玻璃箱、led照明燈；所述防塵玻璃箱設(shè)置于采煤機(jī)主體上，用于防止灰塵污染ccd高清攝像機(jī)的鏡頭；所述led照明燈設(shè)置于防塵玻璃箱上，用于給ccd高清攝像機(jī)提供照明；所述ccd高清攝像機(jī)設(shè)置于防塵玻璃箱內(nèi)，用于拍攝采煤工作面煤巖圖像。

優(yōu)選的：所述的采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊包括plc控制系統(tǒng)和調(diào)高油缸，plc控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)終端相連接，一個(gè)調(diào)高油缸固定在采煤機(jī)主體的一端，另一個(gè)調(diào)高油缸固定在采煤機(jī)主體的另一端，用于推動(dòng)搖臂擺動(dòng)，從而使搖臂上的滾筒在采煤工作面上下自動(dòng)調(diào)高。

優(yōu)選的：所述圖像識(shí)別處理模塊、攝像監(jiān)控模塊在計(jì)算機(jī)終端完成并顯示。

優(yōu)選的：所述滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊安裝在采煤機(jī)搖臂上，所述滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊包括位置坐標(biāo)傳感器，所述位置坐標(biāo)傳感器用于對采煤機(jī)搖臂移動(dòng)位置的記錄，所述滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊根據(jù)記錄的采煤機(jī)搖臂移動(dòng)位置進(jìn)行路徑檢測計(jì)算。

優(yōu)選的：所述的圖像識(shí)別處理模塊通過matlab軟件的圖像處理功能實(shí)現(xiàn)對拍攝到的采煤工作面煤巖圖像進(jìn)行圖像去噪、紋理提取、邊緣檢測操作，去噪主要利用空域?yàn)V波技術(shù)：利用濾波器去除圖像中噪聲，主要運(yùn)用ipt函數(shù)ordfilt2函數(shù)生成濾波器；紋理提取主要通過紋理的均值、方差、均勻性描述符進(jìn)行提取，分析每個(gè)像素下的紋理特征；邊緣檢測主要運(yùn)用ipt函數(shù)edge進(jìn)行邊緣檢測，用于檢測煤巖界面。

優(yōu)選的：所述plc控制系統(tǒng)通過滾筒調(diào)高量與調(diào)高油缸推進(jìn)量的換算公式，計(jì)算出油缸推進(jìn)量/退回量。

優(yōu)選的：采煤機(jī)主體兩端均設(shè)有搖臂、滾筒，調(diào)高油缸固定在采煤機(jī)主體上，所述調(diào)高油缸與搖臂的一端相接觸，所述搖臂的一端與所述采煤機(jī)主體通過軸承連接，所述搖臂的另一端與滾筒連接。

優(yōu)選的：所述的滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊包括光電式坐標(biāo)傳感器。

一種基于圖像識(shí)別的采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高裝置的自動(dòng)調(diào)高方法，包括以下步驟：

(a)通過攝像模塊拍攝采煤工作面煤巖圖像，并將其輸入至圖像識(shí)別處理模塊和攝像監(jiān)控模塊；

(b)通過圖像識(shí)別處理模塊對步驟(a)拍攝到的采煤工作面煤巖圖像進(jìn)行圖像去噪、紋理提取、邊緣檢測操作，建立煤巖圖像坐標(biāo)系；

(c)根據(jù)步驟(b)得到的煤巖圖像坐標(biāo)系對采煤工作面煤巖圖像進(jìn)行界面軌跡優(yōu)化，通過優(yōu)化后的界面軌跡獲取滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)；并將獲取的滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)輸出給采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊，將優(yōu)化后的界面軌跡輸送給滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊；

(d)通過采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊將步驟(c)中的滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)輸出至采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊中的plc控制系統(tǒng)，plc控制系統(tǒng)根據(jù)滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)運(yùn)算得到油缸的推進(jìn)量/退回量，將油缸的推進(jìn)量/退回量輸入至調(diào)高油缸中，通過調(diào)高油缸控制搖臂擺動(dòng)，使得搖臂上的滾筒在采煤工作面上下自動(dòng)調(diào)高，直至調(diào)到滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)上；

(e)通過攝像監(jiān)控模塊對步驟(c)得到的滾筒在實(shí)際采煤工作面上的行走路徑進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)步驟(a)拍攝到的采煤工作面煤巖圖像監(jiān)測滾筒在截割時(shí)是否截割到巖石，若截割到巖石，人工干預(yù)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)高。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：

1.利用plc控制系統(tǒng)對滾筒實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)高控制，調(diào)高油缸響應(yīng)快速；

2.通過調(diào)高油缸控制采煤機(jī)搖臂及滾筒，高清攝像機(jī)放置于采煤機(jī)主體上，能夠很好的遠(yuǎn)程監(jiān)測滾筒截割情況，以便滾筒在截割至巖石時(shí)工作人員能及時(shí)做出反應(yīng)；

3.位置坐標(biāo)傳感器可以將滾筒截割路徑與采煤工作面中的煤巖界面進(jìn)行對比，查看其擬合程度，便于下一階段的改進(jìn)；

4.本裝置由于采用了圖像識(shí)別處理模塊和攝像監(jiān)控模塊，能夠很好的完成煤巖識(shí)別工作并控制滾筒自動(dòng)調(diào)高，受外界環(huán)境干擾小，檢測精度高，可靠性強(qiáng)，為采掘機(jī)械智能化奠定了一定基礎(chǔ)。

5.本發(fā)明能夠大大提高采煤機(jī)的智能化，利用圖像識(shí)別的方法，識(shí)別采煤工作面的煤巖界面精度高，思路更貼近于人眼識(shí)別，具有采煤率高，可靠性強(qiáng)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低的特點(diǎn)，通過高清攝像機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測滾筒截割情況，滾筒截齒、截割電機(jī)等部件使用壽命長。

附圖說明

圖1是本發(fā)明攝像監(jiān)測模塊工作狀態(tài)時(shí)采煤機(jī)的整機(jī)三維結(jié)構(gòu)示圖；

圖2是本發(fā)明的攝像監(jiān)測模塊組成圖；

圖3是本發(fā)明的采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊的工作流程圖；

圖4是本發(fā)明基于圖像識(shí)別的采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高裝置的工作流程圖；

圖中：1、采煤機(jī)主體，2、搖臂，3、滾筒，4、攝像監(jiān)測模塊，4-1、ccd高清攝像頭、4-2、防塵玻璃箱，4-3、led照明燈。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

如圖1所示為一種基于圖像識(shí)別的采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高裝置，包括攝像模塊4、圖像識(shí)別處理模塊、采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊、攝像監(jiān)控模塊、滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊；其中，

所述攝像模塊4用于拍攝采煤工作面煤巖圖像并將其輸入至圖像識(shí)別處理模塊和攝像監(jiān)控模塊；

所述圖像識(shí)別處理模塊用于對攝像模塊4拍攝到的采煤工作面煤巖圖像進(jìn)行識(shí)別，并將識(shí)別出的結(jié)果輸入至采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊中；

所述圖像識(shí)別處理模塊用于對攝像模塊4拍攝到的采煤工作面煤巖圖像通過matlab軟件的圖像處理工具箱中的函數(shù)，主要進(jìn)行圖像去噪、紋理提取、邊緣檢測等操作。其中圖像去噪、紋理提取、邊緣檢測操作中，去噪主要利用空域?yàn)V波技術(shù)：利用濾波器去除圖像中噪聲，主要運(yùn)用ipt函數(shù)ordfilt2函數(shù)生成濾波器；紋理提取主要通過紋理的均值、方差、均勻性等描述符進(jìn)行提取，分析每個(gè)像素下的紋理特征；邊緣檢測主要運(yùn)用ipt函數(shù)edge進(jìn)行邊緣檢測，用于檢測煤巖界面；建立煤巖圖像坐標(biāo)系，根據(jù)煤巖圖像坐標(biāo)系對采煤工作面煤巖圖像的煤巖界面進(jìn)行界面軌跡優(yōu)化，即將檢測識(shí)別到的連續(xù)界線，按等距離提取若干點(diǎn)，使用樣條差值法得到滾筒截割軌跡曲線，并給出相鄰點(diǎn)的豎直和水平位移，以便于后續(xù)控制；二維坐標(biāo)變換后得到大地坐標(biāo)系下的煤巖界面軌跡，通過提取點(diǎn)后的煤巖界面軌跡獲取滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)，并將獲取的滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)輸出給采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊，將提取點(diǎn)后的煤巖界面軌跡輸送給滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊。

如圖3所示，所述采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊用于將滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)輸出至采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊中的plc控制系統(tǒng)，plc控制系統(tǒng)根據(jù)滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)運(yùn)算得到油缸的推進(jìn)量/退回量，將油缸的推進(jìn)量/退回量輸入至調(diào)高油缸中，通過調(diào)高油缸控制搖臂2擺動(dòng)，使得搖臂2上的滾筒3在采煤工作面上下自動(dòng)調(diào)高，直至調(diào)到滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)上，以避免截割巖層造成截齒損傷或溫度過高引發(fā)危險(xiǎn)。

所述plc控制系統(tǒng)通過滾筒調(diào)高量與調(diào)高油缸推進(jìn)量的換算公式，計(jì)算出油缸推進(jìn)量/退回量；換算公式為其中，h為采煤機(jī)滾筒高度，即滾筒回轉(zhuǎn)中心到滑靴所在水平面的垂直距離；h為采煤機(jī)機(jī)身高度，即機(jī)身與搖臂鉸接點(diǎn)到滑靴所在水平面的垂直距離；a為短搖臂長度，即短搖臂與機(jī)身鉸接點(diǎn)到短搖臂與調(diào)高油缸缸體鉸接點(diǎn)的距離；b為搖臂長度，即搖臂與機(jī)身鉸接點(diǎn)到滾筒回轉(zhuǎn)中心的距離；c為搖臂與機(jī)身鉸接點(diǎn)到調(diào)高油缸活塞與機(jī)身鉸接點(diǎn)的距離；θ為短搖臂與搖臂的夾角；l為調(diào)高油缸收縮到最短的長度；x為調(diào)高油缸活塞的位移量；l+x為調(diào)高油缸兩端鉸接點(diǎn)的距離。

所述攝像監(jiān)控模塊用于監(jiān)測到整個(gè)采煤工作面的工況，并根據(jù)采煤工作面煤巖圖像監(jiān)測滾筒在截割時(shí)是否與巖層發(fā)生接觸，主要是在監(jiān)控滾筒截割過程中截齒是否割到巖石，若割到巖石則進(jìn)行人工干預(yù)進(jìn)行調(diào)低滾筒，防止?jié)L筒截割至巖層部分，避免滾筒受過大截割阻力而損壞。

所述滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊用于對采煤機(jī)搖臂進(jìn)行路徑檢測計(jì)算，并將得到的路徑與實(shí)際采煤工作面圖像中的煤巖界面進(jìn)行對比，確定其擬合程度，驗(yàn)證該發(fā)明裝置的可靠性與精準(zhǔn)度，并為下一步改進(jìn)采煤工作面工作環(huán)境奠定基礎(chǔ)。所述的滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊體積小，可靠性高，工作電源電壓范圍寬，接口電路的復(fù)雜程度大幅度減少，可直接與ttl，lsttl和cmos電路芯片連接，對滾筒3的調(diào)高行進(jìn)軌跡進(jìn)行檢測。

如圖2所示，所述攝像模塊包括ccd高清攝像機(jī)4-1、防塵玻璃箱4-2、led照明燈4-3，其中，ccd高清攝像機(jī)4-1包括機(jī)身和基座，led照明燈4-3包括燈座和燈泡；所述防塵玻璃箱4-2設(shè)置于采煤機(jī)主體1機(jī)身上，用于防止灰塵污染ccd高清攝像機(jī)4-1的鏡頭；所述led照明燈4-3設(shè)置于防塵玻璃箱4-2上，用于給ccd高清攝像機(jī)4-1提供照明；燈泡設(shè)置于防塵玻璃箱4-2豎直一面的外側(cè)，燈座固定安裝于防塵玻璃箱4-2的上表面上；所述ccd高清攝像機(jī)4-1的機(jī)身設(shè)置于基座上，基座固定于防塵玻璃箱4-2內(nèi)的下表面上，用于拍攝采煤工作面煤巖圖像；所述ccd高清攝像機(jī)4-1與計(jì)算機(jī)終端相連接。

所述的采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊包括plc控制系統(tǒng)和調(diào)高油缸，plc控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)終端相連接，一個(gè)調(diào)高油缸固定在采煤機(jī)主體1的一端，另一個(gè)調(diào)高油缸固定在采煤機(jī)主體1的另一端，用于推動(dòng)搖臂2擺動(dòng)，從而使搖臂2上的滾筒3在采煤工作面上下自動(dòng)調(diào)高；采煤機(jī)主體兩端均設(shè)有搖臂2、滾筒3，所述調(diào)高油缸與搖臂2的一端相接觸，所述搖臂2的一端與所述采煤機(jī)主體1通過軸承連接，所述搖臂2的另一端與滾筒3連接。

所述圖像識(shí)別處理模塊、攝像監(jiān)控模塊在計(jì)算機(jī)終端完成并顯示。

所述滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊安裝在采煤機(jī)搖臂上，所述滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊包括位置坐標(biāo)傳感器，具體是包括光電式坐標(biāo)傳感器；所述位置坐標(biāo)傳感器用于對采煤機(jī)搖臂2移動(dòng)位置的記錄，所述滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊根據(jù)記錄的采煤機(jī)搖臂2移動(dòng)位置進(jìn)行路徑檢測計(jì)算。

如圖4所示，一種基于圖像識(shí)別的采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高裝置的自動(dòng)調(diào)高方法，包括以下步驟：

a.通過攝像模塊4拍攝采煤工作面煤巖圖像，并將其輸入至圖像識(shí)別處理模塊和攝像監(jiān)控模塊；

b.通過圖像識(shí)別處理模塊對步驟a拍攝到的采煤工作面煤巖圖像進(jìn)行圖像去噪、紋理提取、邊緣檢測操作，建立煤巖圖像坐標(biāo)系；

c.根據(jù)步驟b得到的煤巖圖像坐標(biāo)系對采煤工作面煤巖圖像進(jìn)行界面軌跡優(yōu)化，通過優(yōu)化后的界面軌跡獲取滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)；并將獲取的滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)輸出給采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊，將優(yōu)化后的界面軌跡輸送給滾筒軌跡跟蹤傳感器模塊；

d.通過采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊將步驟c中的滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)輸出至采煤機(jī)搖臂調(diào)高模塊中的plc控制系統(tǒng)，plc控制系統(tǒng)根據(jù)滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)運(yùn)算得到油缸的推進(jìn)量/退回量，將油缸的推進(jìn)量/退回量輸入至調(diào)高油缸中，通過調(diào)高油缸控制搖臂2擺動(dòng)，使得搖臂2上的滾筒3在采煤工作面上下自動(dòng)調(diào)高，直至調(diào)到滾筒待移動(dòng)坐標(biāo)上；

e.通過攝像監(jiān)控模塊對步驟c得到的滾筒3在實(shí)際采煤工作面上的行走路徑進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)步驟a拍攝到的采煤工作面煤巖圖像監(jiān)測滾筒在截割時(shí)是否與巖層發(fā)生接觸，防止?jié)L筒3截割到巖層，若截割到巖石，人工干預(yù)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)高。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。