本發(fā)明涉及一種基于激光標(biāo)尺的采煤工作面液壓支架監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，該方法涉及自動控制、圖像模式識別和通信等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，隨著科技的發(fā)展，井下工作人員數(shù)量大大減少。然而煤礦井下綜采設(shè)備仍多以人工現(xiàn)場操作為主。井下采煤工作面、掘進(jìn)工作面是事故高發(fā)區(qū)域，采掘工作面生產(chǎn)環(huán)境惡劣多變，事故多發(fā)，嚴(yán)重威脅了生產(chǎn)人員的人身安全，降低了煤炭生產(chǎn)效率。因此，若要降低采掘工作面勞動強(qiáng)度，提高工作人員的安全系數(shù)和采煤效率，必須實(shí)現(xiàn)采掘工作面的自動化和少人化。

液壓支架作為綜采工作面的重要組成部分，必須實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動化和少人化。因此如何監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)多以傳感器監(jiān)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(zhuǎn)換，再經(jīng)通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸給處理器等環(huán)節(jié)，過程復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理比較繁瑣。在井下工作面存在煤塵、水淋、大功率電氣設(shè)備、振動等干擾條件，環(huán)境惡劣，特別是大功率設(shè)備開停等電磁干擾及振動對傳感器影響較大，易造成傳感器數(shù)據(jù)誤差、甚至造成傳感器的損壞；另外大數(shù)量的傳感器成本比較高，同時(shí)可靠性低，效率低下。為解決以上問題，需要一種新的、不完全依賴于傳感器，性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單的液壓監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于激光標(biāo)尺的采煤工作面液壓支架監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，所述報(bào)警系統(tǒng)采用圖像識別的方式對采煤工作面液壓支架監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)液壓支架移架工作的自動控制。所述系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射器、攝像機(jī)、液壓支架控制設(shè)備、液壓支架監(jiān)測設(shè)備；所述激光發(fā)射器用于發(fā)射作為標(biāo)尺的激光束；所述攝像機(jī)安裝于采煤工作面巷道側(cè)壁位置，用于采集包括至少一個激光束和至少一個液壓支架的至少一個固定標(biāo)志；所述液壓支架控制設(shè)備負(fù)責(zé)對液壓支架進(jìn)行控制，并采集液壓支架狀態(tài)；所述液壓支架監(jiān)測設(shè)備通過攝像機(jī)采集液壓支架的視頻圖像，通過對圖像中激光束和液壓支架的固定標(biāo)志識別獲得包括液壓支架與激光束的相對位置和角度的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)與已存儲的與激光束的相對目標(biāo)位置和工作角度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，根據(jù)比對結(jié)果自動通過液壓支架控制設(shè)備對液壓支架進(jìn)行控制，控制液壓支架移動至設(shè)定的位置；所述液壓支架監(jiān)測設(shè)備當(dāng)監(jiān)測到液壓支架角度異常，則向監(jiān)控終端發(fā)出報(bào)警數(shù)據(jù)。

所述液壓支架監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)一步包括：所述液壓支架監(jiān)測設(shè)備存儲數(shù)據(jù)包括攝像機(jī)采集圖像區(qū)域內(nèi)的至少一個液壓支架固定標(biāo)志的模板圖像數(shù)據(jù)；所述液壓支架監(jiān)測設(shè)備存儲數(shù)據(jù)還包括液壓支架與激光束的相對目標(biāo)位置和工作角度數(shù)據(jù)；所述相對目標(biāo)位置和工作角度數(shù)據(jù)是在攝像機(jī)和液壓支架均處于工作位置的狀態(tài)下測量得到的，相對目標(biāo)位置數(shù)據(jù)包括液壓支架固定標(biāo)志的特定特征點(diǎn)與激光束的距離。

液壓支架移架工作步驟包括:

第一步：將激光發(fā)射器和攝像機(jī)沿采煤方向移動至新的工作位置；

第二步：液壓支架監(jiān)測設(shè)備通過液壓支架控制設(shè)備控制壓支架降柱，再向采煤工作面方向移動；

第三步：液壓支架監(jiān)測設(shè)備對攝像機(jī)采集的視頻圖像與液壓支架固定標(biāo)志模板進(jìn)行模式匹配，并識別激光束，如在設(shè)定時(shí)間找到匹配目標(biāo)并識別出激光束，則進(jìn)行第四步，否則停止移架并發(fā)送移架失敗信號；

第四步：計(jì)算匹配目標(biāo)與激光束的夾角，并求此角度數(shù)據(jù)與存儲的該液壓支架相對工作角度的差數(shù)據(jù)，如果得到的差的絕對值小于設(shè)定閾值則進(jìn)行第五步，否則停止移動液壓支架并發(fā)出報(bào)警信號；

第五步：計(jì)算獲得匹配目標(biāo)的特定特征點(diǎn)，計(jì)算匹配目標(biāo)的特定特征點(diǎn)與激光束的距離，計(jì)算該距離數(shù)據(jù)與存儲的該液壓支架相對目標(biāo)位置數(shù)據(jù)的差，如差值大于設(shè)定閾值則繼續(xù)移動液壓支架，并重復(fù)執(zhí)行第三到第五步，直至差值小于設(shè)定閾值，則停止移動液壓支架并升柱；

在移動攝像機(jī)監(jiān)測范圍內(nèi)多個液壓支架時(shí)，重復(fù)第二步至第五步，直至完成攝像機(jī)監(jiān)測范圍內(nèi)所有液壓支架的移動工作。

液壓支架監(jiān)測設(shè)備對攝像機(jī)采集的視頻圖像與液壓支架固定標(biāo)志模板進(jìn)行比對的過程包括：

1.提取數(shù)字圖像中的特定顏色特征；

2.運(yùn)用濾波算法對圖像進(jìn)行濾波處理；

3.對數(shù)字圖像進(jìn)行邊緣檢測，獲取圖像邊緣信息。

4.用已調(diào)取的各液壓支架標(biāo)記模板與經(jīng)過邊緣檢測的數(shù)字圖像進(jìn)行模式匹配處理。對模式匹配結(jié)果進(jìn)行判定。

所述液壓支架監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)一步包括：所述激光發(fā)射器和攝像機(jī)安裝位置包括垂直于采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(jī)；電機(jī)用于控制攝像機(jī)在軌道上移動；所述電機(jī)由液壓支架控制設(shè)備控制。

所述液壓支架監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)一步包括：所述固定標(biāo)志的材料包括熒光材料；所述固定標(biāo)志包括“十”字形標(biāo)記。

附圖說明

圖1實(shí)施方案1系統(tǒng)示意圖。

圖2實(shí)施方案2系統(tǒng)示意圖。

圖3液壓支架控制器連接示意圖。

圖4攝像機(jī)及激光發(fā)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(shí)施方式

所述基于激光標(biāo)尺的采煤工作面液壓支架監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)施方案1如圖1所示，系統(tǒng)組成主要包括：

1.液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)，即液壓支架監(jiān)測設(shè)備，接收視頻服務(wù)器(103)上傳的采煤工作面現(xiàn)場的數(shù)字化視頻數(shù)據(jù)，通過對圖像中激光束和液壓支架的固定標(biāo)志識別獲得包括液壓支架位置和支架角度的數(shù)據(jù)并進(jìn)行比對處理，并根據(jù)比對結(jié)果自動通過液壓支架控制器設(shè)備對液壓支架進(jìn)行控制，控制液壓支架移動至設(shè)定的位置；具有現(xiàn)場報(bào)警監(jiān)測功能，當(dāng)監(jiān)測到液壓支架姿態(tài)或環(huán)境異常，則向監(jiān)控終端發(fā)出報(bào)警數(shù)據(jù)。

2.存儲服務(wù)器(102)，負(fù)責(zé)接收視頻服務(wù)器(103)上傳的采煤工作面現(xiàn)場的數(shù)字化視頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲，并為監(jiān)控終端(103)提供查詢調(diào)取服務(wù)。

3.監(jiān)控終端(103)，負(fù)責(zé)顯示采煤工作面現(xiàn)場視頻圖像，具有實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控和歷史視頻調(diào)取功能，生產(chǎn)管理人員通過監(jiān)控終端查看現(xiàn)場視頻圖像并可從存儲服務(wù)器(102)調(diào)取歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；可根據(jù)接收到的液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)發(fā)送的報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警提示，并發(fā)出聲光報(bào)警。

4.網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(104)，負(fù)責(zé)所有接入礦用以太網(wǎng)的設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)交換。

5.井下交換機(jī)(105)，負(fù)責(zé)分站和其它通過網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)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(jiān)測服務(wù)器(101)進(jìn)行通信對液壓支架進(jìn)行控制，采用可編程控制器(plc)，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)、液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)、及相關(guān)設(shè)備的監(jiān)控。可采用西門子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(zhí)行部件，為單元組合式結(jié)構(gòu)，每個單元由兩個主控閥和兩個先導(dǎo)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?fù)Q向閥集成的單元數(shù)取決于被控對象的數(shù)量，使得電液控制閥具備靈活通用性，實(shí)現(xiàn)液壓支架(109)及刮板(110)運(yùn)輸機(jī)的動作與姿態(tài)，由液壓支架控制器(106)直接驅(qū)動。

8.傳感器(108)，用于采集液壓支架動作必要的反饋數(shù)據(jù)，包括壓力傳感器、行程開關(guān)、紅外傳感器等。

9.液壓支架(109)，用于支撐工作面頂，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(yùn)輸機(jī)(110)進(jìn)行聯(lián)動。

10.刮板運(yùn)輸機(jī)(110)，用于短途運(yùn)輸由采煤機(jī)采下的煤炭，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)由液壓支架控制器(106)控制，刮板運(yùn)輸機(jī)與液壓支架(109)通過液壓機(jī)構(gòu)連接，在移架前先移動刮板運(yùn)輸機(jī)再移動液壓支架。

11.采煤機(jī)(111)，由自身的控制設(shè)備直接控制，通過過現(xiàn)場總線與液壓支架控制器(106)通信，關(guān)鍵部件安裝有紅外傳感器，用于監(jiān)測采煤機(jī)位置及姿態(tài)，監(jiān)測數(shù)據(jù)由液壓支架控制器(106)采集處理。

12.視頻編碼器(112)，將攝像機(jī)采集的模擬視頻圖像數(shù)字化并壓縮編碼，并向井上液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)、存儲服務(wù)器(102)、監(jiān)控終端(103)傳輸視頻數(shù)據(jù)；可采用?？礵s-6701hw，以組播方式發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。

13.攝像機(jī)(113)，采用符合煤礦隔爆要求的礦用攝像機(jī)，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(jī)軌道上(115)。

14.激光發(fā)射器(114)，采用符合煤礦隔爆要求的激光發(fā)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(jī)軌道上(115)。

15.攝像機(jī)軌道(115)，垂直于巷道且平行于巷道安裝于工作面?zhèn)缺?，采用步進(jìn)電機(jī)帶動軌道滑動，步進(jìn)電機(jī)連接液壓支架控制器(106)，根據(jù)其發(fā)送的脈沖信號控制轉(zhuǎn)動，帶動攝像機(jī)(113)移動到指定位置。

所述基于激光標(biāo)尺的采煤工作面液壓支架監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)施方案2如圖2所示，與實(shí)施方案1的區(qū)別在于：

1.液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)安裝于井下，采用工控機(jī)或用于多路圖像處理識別的專用設(shè)備，直接采集工作面現(xiàn)場視頻信號并進(jìn)行處理，與液壓支架控制器(106)通過網(wǎng)絡(luò)通信，也可通過工業(yè)現(xiàn)場總線進(jìn)行通信。

2.攝像機(jī)連接視頻分路器(116)，用于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(shù)字化并壓縮，通過udp單播方式傳輸至存儲服務(wù)器(102)；第二路模擬視頻輸出連接液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)。

液壓支架控制器與各井下設(shè)備連接與控制關(guān)系如圖3所示：

1.液壓支架控制器(106)通過can總線連接采煤機(jī)(111)的控制器進(jìn)行移架相關(guān)必要的通信。液壓支架控制器(106)由can總線通信模塊實(shí)現(xiàn)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(yùn)輸機(jī)(110)。

3.紅外傳感器(202)用于監(jiān)測采煤機(jī)位置及角度，采用guh5-f紅外發(fā)射器和guh5-s紅外接收器，紅外發(fā)射器部署于采煤機(jī)主要部件上，液壓支架上的紅外接收器負(fù)責(zé)接收發(fā)射器發(fā)射的紅外編碼信號，由液壓支架控制器(106)的a/d轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

4.壓力傳感器(203)用于檢測液壓支架各立柱下腔壓力，可采用gpd60型礦用壓力傳感器，由液壓支架控制器(106)的a/d轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

5.行程開關(guān)(201)用于檢測液壓支架部件狀態(tài)，輸出開關(guān)量，直接連接液壓支架控制器(106)的輸入端口。

6.攝像機(jī)軌道(115)的軌道電機(jī)直接連接液壓支架控制器(106)。

7.激光發(fā)射器(114)通過電纜與液壓支架控制器(106)連接。

圖4為采煤工作面設(shè)備位置示意圖。如圖所示，在采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的巷道壁上，平行于巷道均安裝攝像機(jī)軌道(115)，攝像機(jī)(113)和激光發(fā)射器(114)安裝于攝像機(jī)軌道，攝像機(jī)(113)應(yīng)能采集到激光束和液壓支架的固定標(biāo)志，固定標(biāo)志由具有特定顏色的熒光材料繪制，特定顏色包括紅色、綠色、黃色、白色等。在此示例中，采煤機(jī)從進(jìn)風(fēng)巷向回風(fēng)巷方向移動，移架前需先移動進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)的攝像機(jī)，再從進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)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)采集采煤機(jī)(111)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)，包括運(yùn)行狀態(tài)、采煤機(jī)位置等，將數(shù)據(jù)傳輸至液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)。

2.(502)液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)分析采煤機(jī)(111)狀態(tài)與位置數(shù)據(jù)，當(dāng)采煤機(jī)從采煤面一端開始向另一端開始移動時(shí)，通過液壓支架控制器(106)控制攝像機(jī)軌道電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動攝像機(jī)向工作面方向移動采煤機(jī)此次進(jìn)刀的距離。

3.(503)液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)通過液壓支架控制器(106)控制刮板運(yùn)輸機(jī)向采煤面方向分段移動。

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(jiān)測服務(wù)器(101)通過液壓支架控制器(106)控制液壓支架(109)向采煤面方向移動。

6.(506)液壓支架控制器(106)控制激光發(fā)射器(114)發(fā)射激光。

7.(507)移動支架的同時(shí)液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)采集支架的視頻圖像。

8.(508)液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)對圖像中的標(biāo)記進(jìn)行模式匹配識別。

9.(509)液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)確定模式匹配得到的液壓支架位置。

10.(510)液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)判定液壓支架是否已到達(dá)目標(biāo)位置，如未到達(dá)則返回執(zhí)行(504)繼續(xù)移動支架；如已到達(dá)目標(biāo)位置，則執(zhí)行(511)。

11.(511)液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)判定是否已完成預(yù)定數(shù)量的支架的移架工作，如已完成則結(jié)束此次移架工作；如未完成則返回執(zhí)行(501)。

液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)對液壓支架模式識別及處理流程如圖6所示：

1.(601)調(diào)取當(dāng)前攝像機(jī)所監(jiān)測范圍內(nèi)的液壓支架固定標(biāo)志的模板圖像數(shù)據(jù)、液壓支架與激光束的相對目標(biāo)位置和工作角度數(shù)據(jù)，本示例所述標(biāo)記為采用紅色熒光材料人為做的特定“十”字形標(biāo)記，特定特征點(diǎn)為“十”字形標(biāo)記的中心點(diǎn)。

2.(602)根據(jù)熒光材料的顏色提取數(shù)字圖像中的顏色特征，本示例標(biāo)記采用紅色熒光材料，激光束為綠色，即對紅色和綠色特征進(jìn)行提取。

3.(603)運(yùn)用濾波算法對圖像進(jìn)行濾波處理，去除電磁干擾、粉塵等干擾因素造成的圖像噪聲，增強(qiáng)圖像信息，可采用多種濾波算法對圖像進(jìn)行濾波處理。

4.(604)對數(shù)字圖像進(jìn)行邊緣檢測，獲取圖像邊緣信息。

5.(605)用已調(diào)取的液壓支架固定標(biāo)記的模板圖像數(shù)據(jù)與經(jīng)過邊緣檢測的數(shù)字圖像進(jìn)行模式匹配處理，在本示例中，可針對“十”字形固定標(biāo)記的頂點(diǎn)位置關(guān)系進(jìn)行模式匹配；并對激光束進(jìn)行識別。

6.(606)對模式匹配結(jié)果和激光束識別結(jié)果進(jìn)行判定，如果匹配成功且激光束識別成功，則復(fù)位模式匹配計(jì)時(shí)器，繼續(xù)執(zhí)行(609)；否則模式匹配計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，并執(zhí)行(607)。

7.(607)對模式匹配計(jì)時(shí)器的值進(jìn)行判定，如果值超過設(shè)定閾值則執(zhí)行(608)；否則返回(602)繼續(xù)對新采集的數(shù)字圖像進(jìn)行處理。

8.(608)輸出液壓支架移動失敗信號，停止移架。

9.(609)計(jì)算匹配目標(biāo)與激光束的夾角，在本示例中可計(jì)算頂點(diǎn)連線與與激光束直線的夾角。

10.(610)比較(609)得到的夾角與存儲的該液壓支架工作角度數(shù)據(jù)的差，如果角度差大于設(shè)定閾值，則說明液壓支架傾斜執(zhí)行(611)；如未傾斜則繼續(xù)執(zhí)行(612)。

11.(611)輸出液壓支架報(bào)警信號，停止移架。

12.(612)判定匹配目標(biāo)的固定標(biāo)記的特定特征點(diǎn)的位置，本示例特定特征點(diǎn)為“十”字形標(biāo)記的中心點(diǎn)。

13.(613)計(jì)算匹配目標(biāo)的特定特征點(diǎn)與激光束的距離。計(jì)算該距離數(shù)據(jù)與存儲的該液壓支架相對目標(biāo)位置數(shù)據(jù)的差。

14.(614)判定(613)得到的差值大小，如果小于設(shè)定閾值則執(zhí)行(615)；否則執(zhí)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(dāng)前所經(jīng)過的時(shí)間是否超過設(shè)定閾值；如果超過設(shè)定閾值則執(zhí)行(617)；否則返回(602)繼續(xù)對新采集的數(shù)字圖像進(jìn)行處理。

17.(617)輸出液壓支架移動失敗信號，停止移架。