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基于VR的悬臂式掘进机远程操控与仿真系统研究

陈利  
【摘要】:在传统掘进工作面施工中,依靠操作人员的经验和目测方法实现巷道成形作业存在很大难度。近年来国内外掘进自动化作业控制系统研究突破性不足。井下掘进中的粉尘大、通风难等问题,使得井下环境恶劣,掘进工作面依靠视频监控方式难以获得掘进机位姿和掘进工作面信息,导致工人劳动强度大,且巷道走向定位难、成形截割质量差。研制一种具有多维化信息环境交互能力的掘进机虚拟操控系统,具有重要的研究意义和应用价值。本论文提出一种基于VR的掘进作业远程操控与仿真系统,以悬臂式掘进机为研究对象,以实现悬臂式掘进机远程操控与截割断面轨迹规划为目标,对悬臂式掘进机运动学进行分析与建模,研究截割头轨迹生成理论,构建虚拟操控仿真实验台进行功能测试。以悬臂式掘进机为研究对象,根据系统实际需求构建井下全局坐标系统,依据掘进机几何结构建立掘进机机身子坐标系统,利用机器人运动学知识,建立掘进机截割头运动学、掘进机机身运动学模型,计算掘进机运动学正问题与逆问题的解,获得掘进机控制量和截割头位姿。根据巷道断面尺寸与悬臂式掘进机的功能,对巷道掘进方式与工艺进行研究,得出适合本系统的巷道掘进工艺。以截割头的形状与结构为基础,建立从截割头大圆起始沿螺旋线安装的第i个截齿的坐标,研究截割头上的不同截齿所截割成的截割断面范围,从而确定巷道断面轮廓的边界点,最终获得截割头中心点的轨迹,为掘进机工作时能截割出符合要求的巷道断面尺寸与形状提供重要的保障。根据对综掘工作面掘进机工作现状的分析,论文搭建掘进机虚拟仿真平台,用以真实再现掘进机工作状态与数据显示,实现掘进机虚拟控制所需操控数据采集和传输,并结合掘进机机身传感器所采集到的井下掘进机工况参数,对虚拟掘进机的位姿进行动态修正,更加真实的再现掘进机的工作状态,为掘进机远程操作提供图像与数据支持。


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