一种互动式巷道顶板离层观测实验教学装置及其控制方法

摘要

一种互动式巷道顶板离层观测实验教学装置及其控制方法，属于巷道顶板离层观测的实验教学装置及控制方法。实验教学装置包括：主控计算机、伺服控制机构、巷道模型、顶板离层仪和机器视觉系统；伺服控制机构与巷道模型连接，在巷道模型的顶板上连接有顶板离层仪，机器视觉系统和顶板离层仪对应安装，机器视觉系统的输出与主控计算机连接，主控计算机的输出与伺服机构连接。可实现学生自主安装顶板离层仪，自主控制顶板移动，学习读取并分析顶板离层仪读数的功能。通过建立可识别距离变化的机器视觉系统和由伺服电机控制的物理实验设备相结合的物理模型，得到一种互动式巷道顶板离层观测教学装置及其控制方法，最终达到提高实验教学效果的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种巷道顶板离层观测的实验教学装置及控制方法，特别是一种互动式巷道顶板离层观测实验教学装置及其控制方法。

背景技术

沿实验教学是工程科学最基本的教学手段之一，在教学中起着至关重要的作用。根据采矿工程相关课程，学生需要对煤矿井下巷道的结构及其在采掘中的变化有直观的认识，在课堂上的讲授难以使学生理解透彻，而到煤矿井下实地参观又受到诸多限制。因此，在实验室的教学内容显得尤为重要。

根据目前的教学实践来看，矿山压力实测仪器仪表的教学内容主要以学生参观、教师讲解演示为主，学生动手操作性不强。对此，怎样将这样一种被动的、演示讲解性的教学方式，转变为一种主动地、自主操作的学习方法，提高实验教学的教学效果，一直是教育工作者尤为关注的问题。

发明内容

本发明的目的是要提供一种互动式巷道顶板离层观测实验教学装置及其控制方法，解决目前矿山压力实测仪器仪表教学，学生动手操作性不强的问题。

本发明的目的是这样实现的：实验教学装置包括：主控计算机、伺服控制机构、巷道模型、顶板离层仪和机器视觉系统；伺服控制机构连接在巷道模型的上部，在巷道模型顶板上连接有顶板离层仪，机器视觉系统和顶板离层仪对应安装，机器视觉系统的输出与主控计算机连接，主控计算机的输出与伺服控制机构连接。

所述的伺服机构有伺服电机，伺服电机与巷道模型的活动顶板连接，控制巷道模型的活动顶板运动。

所述的巷道模型内部有深部顶板和浅部顶板两个活动顶板，两个顶板安装在顶板移动导轨上，巷道模型是一个木质巷道围岩的模型，巷道模型按实际比例缩小制作，其尺寸大小满足可安装在室内，并允许人员可进入内部观察；

所述的顶板离层仪有两个标尺和指针，在两个标尺和指针上设置有观测标志点，便于机器视觉系统观测识别。

所述的机器视觉系统有摄像机，摄像机以特定的频率采集图像，通过各标志点的距离数据计算出顶板离层仪的读数，传入主控计算机。

所述的主控计算机的输出端与伺服控制机构的输入端连接，并控制伺服控制机构，主控计算机的输入端接收机器视觉系统输出端提供的实时更新的读数数据。

控制方法：当主控计算机输入顶板移动初始时，通过伺服控制机构控制顶板以初速度移动，之后参考机器视觉系统返回的顶板离层仪读数，再利用伺服控制机构调整加速度，使顶板在每一个调整周期内做匀减速运动，最终准确完成顶板移动动作，保证顶板离层仪的读数与输入的数值一致；

具体步骤如下：

(1)按比例缩小木质巷道模型内部的深部顶板、浅部顶板两个可活动顶板，两个活动顶板安装在顶板移动导轨上；在深部顶板、浅部顶板两个可活动顶板上分别安装顶板离层仪；

(2)在顶板离层仪的两个标尺和指针上设置有观测标志点，便于机器视觉系统观测识别；

(3)机器视觉系统中的摄像机按设定的频率采集图像，通过顶板离层仪的各标志点的距离数据计算出顶板离层仪的读数，传入主控计算机；

(4)主控计算机接收由机器视觉系统提供的实时更新的读数数据，并依据实时更新的读数数据控制伺服机构，完成顶板移动动作。

所述的顶板离层仪的一个标尺上设置两个标志点，将总量程平均分为3部分，从0刻度方向起依次将标尺标志点设为点1、点2，将指针标志点与点1、点2的距离分别设为L₁、L₂，设总量程为3L，读数为X；若L₁＜L且L₂＜L，则X＝L-L₁/L；若L₁＜L且L₂＜L，则X＝L+L₁/L；若L₁＞L且L₂＜L，则X＝2L+L₂/L。

所述的主控计算机接收数据，每秒记录一组顶板离层仪读数，包括深部基点和浅部基点，计算出顶板还需要移动的距离S_N，加速度A_N＝2S_N/N²,做匀减速运动，保持当前运动状态1秒，将N减小1，判断N的值，若N＞1，由机器视觉系统返回的数据重新赋值S_N，重新计算并赋值加速度A_N，做匀减速运动，保持当前运动状态1秒，将N减小1，再判断N的值；当N＝1时，顶板移动动作完成。

有益效果，由于采用了上述方案，当主控计算机输入顶板移动初始时，通过伺服控制机构控制顶板以一定的初速度移动，之后参考机器视觉系统的返回的顶板离层仪读数，再利用伺服控制机构调整加速度，使顶板在每一个调整周期内做匀减速运动，最终准确完成顶板移动动作，保证顶板离层仪的读数与输入的数值一致。解决了目前矿山压力实测仪器仪表教学，学生动手操作性不强的问题，达到了本发明的目的。

优点：可实现学生自主安装顶板离层仪，自主控制顶板移动，学习读取并分析顶板离层仪读数的功能。将机器视觉系统和伺服控制的物理实验装置相结合，得到一种互动式巷道顶板离层观测实验的教学装置及其控制方法，能够提高实验教学效果。

附图说明：

图1是本发明的结构图。

图2是顶板离层观测实验教学装置的各部分控制关系图。

图3是本发明的顶板离层观测实验教学装置控制方法的流程图。

图中：1-巷道模型，2-顶板移动导轨，3-浅部顶板，4-深部顶板，5-伺服控制机构，6-顶板离层仪，7-机器视觉系统，8-主控计算机。

具体实施方式

实验教学装置包括：主控计算机8、伺服控制机构5、巷道模型1、顶板离层仪6和机器视觉系统7；伺服控制机构5连接在巷道模型1的上部，在巷道模型顶板上连接有顶板离层仪6，机器视觉系统7和顶板离层仪6对应安装，机器视觉系统7的输出与主控计算机8连接，主控计算机8的输出与伺服控制机构5连接。

所述的伺服控制机构有伺服电机，伺服电机与巷道模型的活动顶板连接，控制巷道模型的活动顶板运动。

所述的巷道模型内部有深部顶板4和浅部顶板3两个活动顶板，两个顶板安装在顶板移动导轨2上，巷道模型是一个木质巷道围岩的模型，巷道模型按实际比例缩小制作，其尺寸大小满足可安装在室内，并允许人员可进入内部观察；

所述的顶板离层仪有两个标尺和指针，在两个标尺和指针上设置有观测标志点，便于机器视觉系统观测识别。

所述的机器视觉系统有摄像机，摄像机以特定的频率采集图像，通过各标志点的距离数据计算出顶板离层仪的读数，传入主控计算机。

所述的主控计算机的输出端与伺服控制机构的输入端连接，并控制伺服控制机构，主控计算机的输入端接收机器视觉系统输出端提供的实时更新的读数数据。

控制方法：当主控计算机输入顶板移动初始时，通过伺服控制机构控制顶板以初速度移动，之后参考机器视觉系统返回的顶板离层仪读数，再利用伺服控制机构调整加速度，使顶板在每一个调整周期内做匀减速运动，最终准确完成顶板移动动作，保证顶板离层仪的读数与输入的数值一致；

具体步骤如下：

(1)按比例缩小木质巷道模型内部的深部顶板、浅部顶板两个可活动顶板，两个活动顶板安装在顶板移动导轨2上；在深部顶板、浅部顶板两个可活动顶板上分别安装顶板离层仪；

(2)在顶板离层仪的两个标尺和指针上设置有观测标志点，便于机器视觉系统观测识别；

(3)机器视觉系统中的摄像机按设定的频率采集图像，通过顶板离层仪的各标志点的距离数据计算出顶板离层仪的读数，传入主控计算机；

(4)主控计算机接收由机器视觉系统提供的实时更新的读数数据，并依据实时更新的读数数据控制伺服机构，完成顶板移动动作。

所述的顶板离层仪的一个标尺上设置两个标志点，将总量程平均分为3部分，从0刻度方向起依次将标尺标志点设为点1、点2，将指针标志点与点1、点2的距离分别设为L₁、L₂，设总量程为3L，读数为X。若L₁＜L且L₂＜L，则X＝L-L₁/L；若L₁＜L且L₂＜L，则X＝L+L₁/L；若L₁＞L且L₂＜L，则X＝2L+L₂/L。

所述的主控计算机接收数据，每秒记录一组顶板离层仪读数，包括深部基点和浅部基点，计算出顶板还需要移动的距离S_N，加速度A_N＝2S_N/N²,做匀减速运动，保持当前运动状态1秒，将N减小1，判断N的值，若N＞1，由机器视觉系统返回的数据重新赋值S_N，重新计算并赋值加速度A_N，做匀减速运动，保持当前运动状态1秒，将N减小1，再判断N的值；当N＝1时，顶板移动动作完成。结合一个实验操作实例进一步说明

实施例1：巷道模型内部有深、浅两个可活动顶板，由两套伺服电机通过变速箱带动齿轮控制，使其可以在垂直方向上下运动。

巷道模型的顶板安装有顶板离层仪，其深部基点锚固器和浅部基点锚固器分别插入在深、浅两个活动顶板的圆形断面槽内。

在顶板离层仪的两个标尺上各设置2个标尺观测标志点，将全部量程平均分为三部分，用于读数的活动指针上设置指针观测标志点，便于机器视觉系统观测识别。

固定架设摄像机，朝向被监测巷道段，探头主光轴垂直于被测标尺所在平面，并与电源、通讯系统及主控计算机连接，显示被监测巷道顶板离层仪标尺的图像。

机器视觉系统读取到各标志点的位置信息，从而获取指针标志点与各标尺标志点的距离。

机器视觉系统由标志点间的距离大小与比值得出顶板离层仪的读数。

操作时学生由教师指导将顶板离层仪安装于巷道模型中，在主控计算机中输入设定的顶板移动值S_N、设定运动时间N。

主控计算机控制伺服机构，使顶板朝目标方向以初速度V＝2S_N/N、加速度A_N＝2S_N/N²开始移动。移动速度逐渐减小，直到移动动作完成。

学生在顶板离层仪上读数，与设定的数值对照，检验读数是否准确。