基于虚拟现实技术的采煤机远程操纵系统及远程控制方法

摘要

本发明公开了一种基于虚拟现实技术的采煤机远程操纵系统及远程控制方法，该系统包括控制平台、井下工控台、井下控制器、外部硬件与虚拟软件数据接口、虚拟工作平台，其中控制平台由远程操纵装置、数据采集模块组成。远程控制方法包括：远程操纵装置发出控制指令，由井下工控台接收并由井下控制器驱动井下三机工作，并且将井下三机工作状态数据实时进行采集及处理，由数据采集模块上传至控制平台；同时，操纵装置发出的控制指令，由软硬件数据接口进行采集并发送至虚拟工作平台，由内部编写的程序完成虚拟样机的驱动，此外，控制平台还将井下三机工作状态数据实时发送给虚拟工作平台，对虚拟样机进行修正，实现井下三机与虚拟样机的同步运行，从而完成采煤机的远程监控。本发明设计合理，实用性强，推广应用价值高。

说明书

技术领域

本发明涉及远程监控技术领域，尤其是涉及一种采煤机远程操纵系统及方法。 

背景技术

采煤机是是煤炭生产中主要的机械设备,决定着综采工作面的生产效率。虽然采煤机控制系统具有监测和故障诊断功能,但由于煤炭开采是典型的复杂时变系统，特别是采煤工作面中设备多、空间环境复杂，其中人、机、环境诸多因素相互交错，并行发生,致使工作人员不能及时掌控采煤机的各项运行参数,因此,实现综采工作面的自动化成为当今煤矿领域研究的一个重点,采煤机远程控制系统便是其中重要的一块内容。目前国内尚无成熟的采煤机远程控制系统，大多数煤矿普遍采用安装摄像头的方式进行远程监控，由于采煤机的工作环境复杂、恶劣，往往造成摄像头采集图像不清晰，给远程控制带来很大难度；或利用采煤机控制器监视采煤机运行时的电流、电压、速度、温度、摇臂角度等参数,直接将参数显示或进行图形建模显示,由采煤机工作人员进行操作并实时监测采煤机工作状态。但由于监测的采煤机运行参数不直观的显示方式，使得工作人员很难准确判断采煤机的工作状态，因此该控制方式也存在很大的弊端。 

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种基于虚拟现实技术的采煤机远程操纵系统及其远程控制方法，该系统设 计新颖合理，结构紧凑，实现方便，智能化程度高。 

本发明的技术方案是：一种基于虚拟现实技术的采煤机远程操纵系统，其特征在于：所述系统包括控制平台、井下工控台、井下控制器、外部硬件与虚拟软件数据接口、虚拟工作平台，其中控制平台由远程操纵装置、数据采集模块组成，主要完成控制操作、与井下工控台之间数据的传输以及与虚拟样机之间数据的传输；井下工控台通过井下控制器完成对井下三机的控制以及数据的采集、处理；虚拟工作平台实现井下三机工作状态的展示；外部硬件与虚拟软件接口利用VC++实现，完成软硬件间数据的传输。 

所述的虚拟工作平台选用Quest3D作为软件平台，完成模型的载入、模型动态编程、模型效果生成，实现采煤机及其环境的动态实时显示。 

所述的数据采集模块，利用高速采集卡、Quest3D提供的SDK包以及MYSQL数据库，完成远程操作装置中数据的采集及传输。 

所述的远程操纵装置中的操纵手柄与井下工作面采煤机械操作流程一致，通过数据采集模块与井下工控台完成控制平台与井下三机之间的数据传输。 

所述的井下工控台负责远程操纵装置与各种井下控制器之间数据的传输。 

所述的井下控制器负责对井下设备进行控制以及各个传感器数据的采集，与井下中控台实现数据的传输。 

高速采集卡直接采集控制平台发送的控制指令及数据，利用Quest3D提供的SDK包，在Visual C++环境下,遵循Quest3D SDK的接口标准，使用回调函数技术，进行了自定义管线的编写，将 外部的数据传输到Quest3D。 

所述的自定义管线编写分为五个步骤:首先包含库文件；添加Quest3D模版；然后编写管线代码，实现数据传送的功能；最后导出管线；在Quest3D中调用，将采集的数据实时传送给虚拟样机，虚拟样机通过实时读取数据实现采煤机工作状态真实再现。 

一种基于虚拟现实技术的采煤机远程操纵系统的远程控制方法，其特征在于：远程操纵装置发出控制指令，由井下工控台接收并由井下控制器驱动井下三机工作，并且将井下三机工作状态数据实时进行采集及处理，由数据采集模块上传至控制平台；同时，操纵装置发出的控制指令，由软硬件数据接口进行采集并发送至虚拟工作平台，由内部编写的程序完成虚拟样机的驱动，此外，控制平台还将井下三机工作状态数据实时发送给虚拟工作平台，对虚拟样机进行修正，实现井下三机与虚拟样机的同步运行，从而完成采煤机的远程监控。 

根据虚拟工作平台中要真实再现的采煤机实时状态，进行传感器的选择。 

有益效果 

本发明设计新颖合理，实现方便，使用操作便捷。采用传感检测技术对采煤机的工况数据进行采集、分析和处理；基于虚拟现实技术构建了采煤机的监控平台；利用自动控制技术驱动监控平台中的采煤机三维模型以及真实采煤机动作，实现了基于虚拟现实技术的采煤机控制系统，为采煤机的远程监控提供了新的解决途径。能够使得远程控制装置与井下设备进行可靠事实通信，将井下设备及环境信息以三维动态的形式展示在虚拟平台。 

附图说明

图1是本发明的方法流程图。 

图2是本发明的系统结构框图。 

图3是本发明的软件调用方式图。 

图4是本发明的虚拟平台实现方法图。 

具体实施方式

如图1所示，基于虚拟现实的采煤机控制系统工作原理：首先，远程操纵装置发出控制指令，由井下工控台接收并驱动井下三机(采煤机、刮板输送机、液压支架，后面简称“三机”)工作，并且将井下三机工作状态数据实时进行采集及处理，由数据采集模块上传至控制平台；同时，远程操纵装置发出的控制指令，由软硬件数据接口进行采集并发送至虚拟工作平台，由内部编写的程序完成虚拟设备的驱动。此外，控制平台还将工作状态数据实时发送给虚拟设备进行修正，实现井下三机与虚拟样机的同步运行，从而完成采煤机的远程监控。 

根据采煤机虚拟工作平台中要真实再现的采煤机实时状态，进行传感器的选择。采煤机端安装有位移编码器、红外传感器、（摇臂）陀螺仪、油缸位移传感器、（机身）陀螺仪，分别将采煤机的工作状态进行数据采集，并配备有液压支架位移传感器、压力传感器、刮板输送机传感器，对液压支架和刮板输送机进行定位。 

如图2所示，该系统由控制平台、井下工控台、井下控制器、外部硬件与虚拟软件数据接口、虚拟工作平台组成，系统功能保留了原有采煤机的本地操作和无线遥控功能，增加了远程状态监视、故障报警和控制等功能。控制平台由远程操纵装置、数据采集模块组成，主要完成控制操作、与井下工控台之间数据的传输 以及与虚拟样机之间数据的传输。井下工控台通过井下控制器完成对井下三机的控制以及数据的采集、处理。选择Quest3D软件构建虚拟工作平台，主要完成模型的载入、逻辑编程，实现井下三机工作状态的显示。外部控制硬件与虚拟软件接口利用vc++实现，完成软硬件间数据的传输。 

所述的虚拟工作平台界面分为井下采煤机工作状态真实再现区、工作参数显示区两个功能区，通过该平台界面的场景切换按钮,可按照需要切换不同的Scene和Camera,为工作人员对采煤机各个部位的监控提供方便。 

如图3所示，本发明软件调用过程是：高速采集卡直接采集控制台发送的控制指令及数据，利用Quest3D提供的SDK包，在Visual C++环境下,遵循Quest3D SDK的接口标准，使用“回调函数”技术,进行了自定义管线的编写，将外部的数据传输到Quest3D。“自定义管线”编写分为五个步骤:首先包含库文件；添加Quest3D模版；然后编写管线代码，实现数据传送的功能；最后导出管线；在Quest3D中调用，将采集的数据实时传送给虚拟样机，虚拟样机通过实时读取数据实现采煤机工作状态真实再现。 

如图4所示，虚拟工作平台的搭建方法是：首先，建立三维模型,根据相关规定和总体设计需求,在建模软件Solid works中根据特定型号的采煤机结构及尺寸完成3D建模和虚拟场景的构造。所建模型基于真实井下环境,在确保模型必要精确度和逼真度的同时,减少纹理精细度、降低细节等级并减少图形复杂度以提高系统运行效率。然后进行模型动态编程，将模型导入Quest3D进行组装,通过Quest3D内部优化Channel引擎,对仿真进行优 化。使用软件内置的逻辑编程工具箱实现虚拟操作系统与外界之间的互交方式。最后完成模型效果生成，对模型进行贴图烘焙、灯光材质，实时渲染模型并将其三维显示,完成虚拟平台的搭建。 

需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。 

凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。