專利名稱：基于不同地質條件的電牽引采煤機工作狀態虛擬仿真系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種采煤機自動控制及系統仿真，特別是一種基于不同地質條件的電牽弓I采煤機整機工作狀態虛擬仿真系統。
背景技術：
虛擬現實技術(Virtual Reality,簡稱VR)是近幾年來逐漸發展完善起來的高新技木。該技術以多媒體計算機系統為基礎，結合實時計算機圖像生成、數據庫、人工智能和物理模擬等手段可以構造出逼真的三維模型。現如今，對井下采煤機進行設計時，需在真實的井下環境或預先構建的模擬井下環境中進行多次試驗，以對采煤機的各參數進行觀察、討論和修改，因而實際設計，存在前期投入成本高、設計研發周期長、實現困難等多種缺陷和不足。 現有技術中，中國專利ー種“采煤機虛擬實訓操作教學儀”，專利號為201020180083. 4的專利，該專利的技術方案通過顯示器、遙控發射器、遙控接收器等，完成對受訓人員的崗前培訓。中國專利ー種“煤礦采掘設備虛擬現實系統”，專利號為201120108794. 5的專利，該技術方案通過建模主機、模型導入電路模塊、場景渲染控制器模塊、顯示単元、用戶控制接ロ電路模塊等構造出煤礦采掘設備三維模型。上述方法的缺陷在于
1、缺少將對采煤機及礦井環境エ況數據的實時檢測；
2、沒有建立不同型號采煤機及不同地質條件的綜采工作面的模型庫。
發明內容
本發明的目的是要提供一種基于不同地質條件的電牽引采煤機整機工作狀態虛擬仿真系統，解決現在采煤機缺少對采煤機及礦井環境エ況數據的實時檢測、沒有建立不同型號采煤機及不同地質條件的綜采工作面的模型庫的問題。本發明的目的是這樣實現的該虛擬仿真系統包括裝置和方法
所述的裝置由采煤機エ況遠程監控平臺、歸檔數據庫、遠程控制器、Visual Basic系統、エ業以太網、本地控制器、機載檢測控制系統組成；采煤機エ況遠程監控平臺通過歸檔數據庫與Visual Basic系統雙向通訊連接；機載檢測控制系統通過本地控制器與エ業以太網雙向通訊連接；エ業以太網通過ニ臺遠程控制器與Visual Basic系統雙向通訊連接；其中，所述的采煤機エ況遠程監控平臺包括基于虛擬現實的采煤機遠程監控平臺、采煤機エ況參數監控平臺，對采煤機エ況狀態參數進行組態、檢測和歸檔；所述的歸檔數據庫儲存不同型號采煤機及不同地質條件的綜采工作面虛擬樣機模型庫，為其他組成模塊提供所需要的數據，實現各組成模塊的數據交換；所述的遠程控制器采用兩臺雙冗余的配置，用干與井下順槽控制器進行通信，實時獲取采煤機各種狀態數據，并及時傳輸各種控制指令；所述的Visual Basic系統完成采煤機エ況參數的實時檢測、重要參數運行記錄顯示、采煤機エ況參數的實時歸檔以及與控制器之間的通訊；所述的本地控制器將機載檢測控制系統采集到的數據通過エ業以太網傳輸到遠端控制器，最終傳輸到采煤機エ況遠程監控平臺進行檢測和歸檔。所述的方法為
第一歩，由EON Studio及其SDK技術、Visual Basic系統完成采煤機エ況遠程監控平臺的開發設計，實現采煤機幾何模型和采煤機運動學模型的虛擬仿真環境以及綜采工作面的漫游，實時顯示采煤機行走、滾筒旋轉割煤、搖臂升降及落煤的工作狀態，同時開發能夠實現遠程監控指令傳輸的控制面板，通過エ業以太網傳輸控制指令； 進ー步的，基于虛擬現實的采煤機遠程監控平臺在實時訪問歸檔數據庫的基礎上，利用計算機圖形與可視化技術、三維虛擬現實技術，構建基于真實采煤機結構及尺寸的采煤機三維虛擬樣機，完成不同地質條件的綜采工作面的重構，并驅動采煤機虛擬樣機；
進ー步的，采煤機エ況參數監控平臺實現采煤機エ況參數的實時檢測、重要參數運行記錄顯示、采煤機エ況參數的實時歸檔；采用觸發器實現數據庫中相應參數變量的及時更新；
進ー步的，在采煤機遠程監控平臺上開發能夠實現遠程監控指令傳輸的控制面板，通過エ業以太網傳輸控制指令；
進ー步的，通過Visual Basic系統實現協同控制器與數據庫之間的通信，實時獲取采煤機エ況參數以及發送遠程控制指令；采用Microsoft SQL SeverfOOO數據庫進行數據的歸檔，運用EON Studio系統的SDK 二次開發技術，通過Visual Studio 2003平臺的數據程序設計，開發訪問數據庫并讀取采煤機實時工作狀態的Node節點；
進ー步的，在采煤機エ況監控平臺中采用觸發器實現數據庫中相應參數變量的及時更新，相應的過程變量由機載檢測控制系統賦值發生變化，就通過與之對應的Visual Basic內部變量觸發數據庫數據更新；
進ー步的，冗余配置的兩個遠程控制器，一個作為主控制器，一個作為從控制器，兩個控制器以熱備份方式運動，任意一個控制器出現故障時，另外ー個控制器自動跳轉為主控制器，當故障恢復后，自動連接形成新的主從結構；
進ー步的，機載檢測控制系統實現電牽引采煤機的エ況數據采集、本地操作控制、遠程操作控制、網絡通信的功能；機載檢測控制系統核心部件是機載PLC，用于連接物理傳感器単元和本地人機操作裝置，驅動采煤機執行部件，并完成邏輯單元的控制與網絡通訊的任務;
最后，實現不同地質條件的電牽引采煤機整機エ況參數實時檢測、工作狀態“真實再現”和遠程控制。有益效果，由于采用了上述方案，機載檢測控制系統采集采煤機エ況參數，經過ー定的數據分析，通過本地控制器和エ業以太網，最終傳輸到采煤機監控平臺中進行檢測和歸檔，在實時訪問歸檔數據庫的基礎上，運用虛擬現實技術繪制不同地質條件的綜采工作面，并驅動采煤機虛擬樣機，實現采煤機工作狀態的“真實再現”。利用機載檢測控制系統提供的實時エ況參數驅動采煤機虛擬樣機模型，使采煤機虛擬仿真系統具有進入綜采工作面的現場感和良好的交互性。解決了現在采煤機缺少對采煤機及礦井環境エ況數據的實時檢測、沒有建立不同型號采煤機及不同地質條件的綜采工作面的模型庫的問題，達到了本發明的目的。與現有技術相比，本發明具有以下優點
I、本發明利用機載控制系統提供的采煤機實時エ況參數驅動采煤機虛擬樣機模型，實時顯示采煤機行走、滾筒旋轉割煤、搖臂升降、落煤等工作狀態。2、本發明根據不同型號的采煤機和不同地質條件綜采工作面模型數據庫建立虛擬樣機，增強了仿真系統的真實性及現場感。3、本發明具有進入綜采工作面的現場感和良好的可視化及交互性，使得操作人員能及時準確地掌握現場和采煤機工作信息，從而明顯提高了采煤機仿真系統的技術性能和高新技術含量。
圖I是本發明的結構框圖。圖2是本發明的路徑漫游線性插值示意圖。圖3是本發明的落煤場景粒子系統三維幀布置圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實時方式和過程，但以下的實施例僅限解釋本發明，本發明的保護范圍應包括權利要求的全部內容。實施例I :在圖I中，基于不同地質條件的電牽引采煤機整機工作狀態虛擬仿真系統，由采煤機エ況遠程監控平臺、歸檔數據庫、遠程控制器、Visual Basic系統、エ業以太網、本地控制器、機載檢測控制系統組成；采煤機エ況遠程監控平臺通過歸檔數據庫與Visual Basic系統雙向通訊連接；機載檢測控制系統通過本地控制器與エ業以太網雙向通訊連接；エ業以太網通過ニ臺遠程控制器與Visual Basic系統雙向通訊連接；
采煤機エ況遠程監控平臺包括基于虛擬現實的采煤機遠程監控平臺、采煤機エ況參數監控平臺，對采煤機エ況狀態參數進行組態、檢測和歸檔；所述的歸檔數據庫儲存不同型號采煤機及不同地質條件的綜采工作面虛擬樣機模型庫，為其他組成模塊提供所需要的數據，實現各組成模塊的數據交換；所述的遠程控制器采用兩臺雙冗余的配置，用干與井下順槽控制器進行通信，實時獲取采煤機各種狀態數據，并及時傳輸各種控制指令；所述的Visual Basic系統完成采煤機エ況參數的實時檢測、重要參數運行記錄顯示、采煤機エ況參數的實時歸檔以及與控制器之間的通訊；所述的本地控制器將機載檢測控制系統采集到的數據通過エ業以太網傳輸到遠端控制器，最終傳輸到采煤機エ況遠程監控平臺進行檢測和歸檔。所述的方法為(I)采煤機エ況遠程監控平臺由EON Studio及其SDK技術、VisualBasic系統設計開發完成，包含采煤機的幾何模型和采煤機的運動學模型的虛擬仿真環境以及綜采工作面的漫游，實時顯示采煤機行走、滾筒旋轉割煤、搖臂升降、落煤等工作狀態。(2)基于虛擬現實的采煤機遠程監控平臺在實時訪問歸檔數據庫的基礎上，利用計算機圖形與可視化技術、三維虛擬現實技術，構建基于真實采煤機結構及尺寸的采煤機三維虛擬樣機，完成不同地質條件的綜采工作面的重構，并驅動采煤機虛擬樣機。
(3)采煤機エ況參數監控平臺實現采煤機エ況參數的實時檢測、重要參數運行記錄顯示、采煤機エ況參數的實時歸檔；采用觸發器實現數據庫中相應參數變量的及時更新。(4)在采煤機遠程監控平臺上開發能夠實現遠程監控指令傳輸的控制面板，通過エ業以太網傳輸控制指令。(5)通過Visual Basic系統實現協同控制器與數據庫之間的通信，獲取采煤機エ況參數以及發送遠程控制指令。(6)采用Microsoft SQL Sever2000數據庫進行數據的歸檔，運用EON Studio系統的SDK 二次開發技術,通過Visual Studio 2003平臺的數據程序設計,開發訪問數據庫并讀取采煤機實時工作狀態的Node節點。
(7)在采煤機エ況監控平臺中采用觸發器實現數據庫中相應參數變量的及時更新，相應的過程變量由機載檢測控制系統賦值發生變化，就通過與之對應的Visual Basic內部變量觸發數據庫數據更新。(8)冗余配置的兩個遠程控制器，一個作為主控制器，一個作為從控制器，兩個控制器以熱備份方式運動，任意一個控制器出現故障時，另外一個控制器自動跳轉為主控制器，當故障恢復后，自動連接形成新的主從結構。遠程控制器采用SIEMENS Siplus S7-400，本地控制器采用SIEMENS SiplusS7-300。(9)機載檢測控制系統實現電牽引采煤機的エ況數據采集、本地操作控制、遠程操作控制、網絡通信等功能。機載檢測控制系統核心部件是機載PLC，用于物理傳感器単元和本地人機操作裝置之間的連接，驅動采煤機執行部件，并完成邏輯單元的控制與網絡通訊等任務。(10)基于不同地質條件的電牽引采煤機整機工作狀態虛擬仿真系統利用機載傳感器提供的采煤機實時エ況參數來驅動采煤機虛擬樣機模型，實時顯示并監控綜采工作面米煤機工作狀態。在本發明中，運用了虛擬三維建模、計算機圖形與可視化技木、虛擬控制臺對采煤機三維運動模型的實時操縱控制、虛擬環境與實際エ況數據交換、場景漫游、碰撞檢測、粒子系統等關鍵技術。在本發明中，地質條件包括鉆孔信息、地層信息、斷層信息等，利用計算機圖形與可視化技術、三維虛擬現實技術，完成不同地質條件綜采工作面的重構，實現物理自然環境融入煤礦虛擬現實環境。不同地質條件綜采工作面的設計主要包括以下五個子模塊
(I) ニ維圖形編輯功能模塊完成對ニ維圖形的創建、編輯等管理，如點、線、面以及各種特征ニ維圖形的編輯管理。(2)地質層面構建功能模塊針對煤礦的地層特點和鉆孔所在各地層的數據，完成各種典型地質層面的構建。(3)三維地質體建模模塊在建立地層面的基礎上，利用鉆孔的數據，完成地質層的垂直發展，以及基礎完成三維地質體的重建。(4)三維井巷建模模塊利用礦井開采過程中的井巷開采的導線數據及相關數據，完成井巷中心線的逼近，完成井巷的拓撲關系和ニ維重構。
(5)地學信息管理模塊利用數據庫技木，對各種地學信息的管理，如鉆孔信息、斷
層信息、地層信息等信息管理。在基于不同地質條件的電牽引采煤機整機工作狀態虛擬仿真系統中，采用兩種基本漫游方式交互式漫游和路徑漫游。本發明中，交互式漫游通過鼠標的移動不斷改變視點的位置來實現前進、后退、旋轉等漫游效果，具體如下
(I)按住鼠標左鍵并上下左右移動鼠標，可以控制視點前、后、左、右的轉動，移動的速度與鼠標箭頭距離屏幕中點的距離成正比。(2)按住鼠標右鍵并上下左右移動鼠標，可以控制視點的上、下、左、右的移動，移動的速度與鼠標距離屏幕中點的距離成正比。 (3)按住鼠標左鍵的同時按住鼠標右鍵，可以控制視點按照順時針或逆時針旋轉。本發明中，路徑漫游通過選取虛擬場景的中的關鍵點構成一條三維樣條曲線，線性樣條路徑設定是根據插值運算，從第一個控制點開始，依次在當前控制點與其下ー個控制點之間計算出等距離的線性插值點，將這些插值點作為新的視點插入到路徑中，如此下去直到處理完所有控制點，則完成了整個路徑設置。從A點到B點的線性插值路徑示意如圖2所示。本發明中，為了防止視點運動到綜采工作面以外，在綜采工作面虛擬場景中設置了碰撞邊界，使用EON Studio中的Collision碰撞檢測節點檢測不同幾何物體之間的碰撞事件，Collision節點采用的是層次包圍盒的方法進行碰撞檢測，具有較高的實時性，通過設置Collision節點的滑移屬性可以保證在綜采工作面漫游時不會發生穿透現象的發生，使仿真過程更具真實感。同時，采煤機在運動仿真過程中，需要實時提供采煤機與綜采工作環境中其它物理對象的相對位置關系，以避免碰撞或穿透現象發生。為了使監控人員能夠從多個場景觀測采煤機運行狀況，本仿真系統中共有6個可切換的觀測場景虛擬工作面左端頭、虛擬工作面右端頭、左搖臂左方、右搖臂右方、左搖臂內部、右搖臂內部。不同場景的切換通過按鈕事件來實現，事件選擇通過EON Studio的傳感器觸發、事件驅動和路由機制實現。通過系統中設置的傳感器節點接收用戶發送的指令，然后由路由把相關的數據信息發送出，以實現交互。路由是用來連接節點，定義事件的發生與接收方式，路由機制體現了節點與節點之間的ー種特定的關聯，是指定節點間的域與域進行連接的連接器。為了保證每次按下按鈕時只有相應的場景得到激活，并且只有相應的ニ維幀顯示“激活狀態”，每ー個按鈕事件都綁定ー個Boolean數據類型的變量，通過變量置位的唯一性來保證事件執行的唯一性。本發明中使用粒子系統模擬落煤效果，大大提高了采煤機工作狀態真實再現的逼真度，具體方法說明如下
本發明在設計落煤粒子系統前首先要添加“三維幀”，并設置“三維幀”位置、方向等屬性，使其局部坐標系的z軸方向由虛擬工作面頂板垂直指向刮板鏈。為了提高落煤場景虛擬的逼真度，在滾筒圓周上布置多個粒子發射三維幀，如圖3所示。本發明中，采煤機虛擬樣機有實時的左右牽引運動和搖臂升降運動，為了保持粒子發射位置相對滾筒中心位置不變，首先添加Script節點實時獲取采煤機滾筒中心坐標向量，然后編輯模塊Position, value. toArray將其分解為x、y、z坐標數值,將結果存入設定的Array中。由于粒子發射三維巾貞z坐標不變,所以只需獲取x和y方向實時坐標值。采用Do forever的循環工作方式保證滾筒中心坐標獲取的實時性。通過實時獲取已存在Array中滾筒中心的x、y坐標值，并根據設定的相對位置進行計算得到粒子發射三維幀的位置坐標，在通過Script節點設定粒子發射三維幀位置，這樣就能夠實現粒子發射源與滾筒中心相對位置保持不變。最后調用粒子節點ParticleEmitter> ParticleMaterial> PartciIes> ParticleSystem,導入各種煤塊貼圖，并進行適當的屬性設置，實現落煤場景的虛擬。本發明的仿真系統既可以在計算機屏幕上顯示，也可以通過投影儀在投影幕上顯示。可通過立體眼鏡觀看投影幕，使用戶獲得身臨綜采工作面的現場感。本發明采用了相應的微機圖形加速卡，其顯示幀存、貼圖存儲器和面片著色能力保證在綜采工作面漫游時達到每秒15幀以上的顯示速率，從而實現了采煤機的連續立體顯不。
權利要求
1.一種基于不同地質條件的電牽引采煤機工作狀態虛擬仿真系統的裝置，其特征是該裝置由采煤機工況遠程監控平臺、歸檔數據庫、遠程控制器、Visual Basic系統、工業以太網、本地控制器、機載檢測控制系統組成；采煤機工況遠程監控平臺通過歸檔數據庫與Visual Basic系統雙向通訊連接；機載檢測控制系統通過本地控制器與工業以太網雙向通訊連接；工業以太網通過二臺遠程控制器與Visual Basic系統雙向通訊連接； 其中，所述的采煤機工況遠程監控平臺包括基于虛擬現實的采煤機遠程監控平臺、采煤機工況參數監控平臺，對采煤機工況狀態參數進行組態、檢測和歸檔；所述的歸檔數據庫儲存不同型號采煤機及不同地質條件的綜采工作面虛擬樣機模型庫，為其他組成模塊提供所需要的數據，實現各組成模塊的數據交換；所述的遠程控制器采用兩臺雙冗余的配置，用于與井下順槽控制器進行通信，實時獲取采煤機各種狀態數據，并及時傳輸各種控制指令；所述的Visual Basic系統完成采煤機工況參數的實時檢測、重要參數運行記錄顯示、采煤機工況參數的實時歸檔以及與控制器之間的通訊；所述的本地控制器將機載檢測控制系統采集到的數據通過工業以太網傳輸到遠端控制器，最終傳輸到采煤機工況遠程監控平臺進行檢測和歸檔。
2.一種基于不同地質條件的電牽引采煤機工作狀態虛擬仿真系統的方法，其特征在于第一步，由EON Studio及其SDK技術、Visual Basic系統完成采煤機工況遠程監控平臺的開發設計，實現采煤機幾何模型和采煤機運動學模型的虛擬仿真環境以及綜采工作面的漫游，實時顯示采煤機行走、滾筒旋轉割煤、搖臂升降及落煤的工作狀態，同時開發能夠實現遠程監控指令傳輸的控制面板，通過工業以太網傳輸控制指令； 進一步的，基于虛擬現實的采煤機遠程監控平臺在實時訪問歸檔數據庫的基礎上，利用計算機圖形與可視化技術、三維虛擬現實技術，構建基于真實采煤機結構及尺寸的采煤機三維虛擬樣機，完成不同地質條件的綜采工作面的重構，并驅動采煤機虛擬樣機； 進一步的，采煤機工況參數監控平臺實現采煤機工況參數的實時檢測、重要參數運行記錄顯示、采煤機工況參數的實時歸檔；采用觸發器實現數據庫中相應參數變量的及時更新； 進一步的，在采煤機遠程監控平臺上開發能夠實現遠程監控指令傳輸的控制面板，通過工業以太網傳輸控制指令； 進一步的，通過Visual Basic系統實現協同控制器與數據庫之間的通信，實時獲取采煤機工況參數以及發送遠程控制指令；采用Microsoft SQL SeverfOOO數據庫進行數據的歸檔，運用EON Studio系統的SDK 二次開發技術，通過Visual Studio 2003平臺的數據程序設計，開發訪問數據庫并讀取采煤機實時工作狀態的Node節點； 進一步的，在采煤機工況監控平臺中采用觸發器實現數據庫中相應參數變量的及時更新，相應的過程變量由機載檢測控制系統賦值發生變化，就通過與之對應的Visual Basic內部變量觸發數據庫數據更新； 進一步的，冗余配置的兩個遠程控制器，一個作為主控制器，一個作為從控制器，兩個控制器以熱備份方式運動，任意一個控制器出現故障時，另外一個控制器自動跳轉為主控制器，當故障恢復后，自動連接形成新的主從結構； 進一步的，機載檢測控制系統實現電牽引采煤機的工況數據采集、本地操作控制、遠程操作控制、網絡通信的功能；機載檢測控制系統核心部件是機載PLC，用于連接物理傳感器單元和本地人機操作裝置，驅動采煤機執行部件，并完成邏輯單元的控制與網絡通訊的任務; 最后，實現不同 地質條件的電牽引采煤機整機工況參數實時檢測、工作狀態“真實再現”和遠程控制。
全文摘要
一種基于不同地質條件的電牽引采煤機整機工作狀態虛擬仿真系統，屬于采煤機自動控制及系統仿真。包括裝置和方法；裝置由采煤機工況遠程監控平臺、數據庫、遠程控制器、VisualBasic系統、工業以太網、本地控制器、機載檢測控制系統組成；方法為機載檢測控制系統采集采煤機工況參數，經過數據分析，通過本地控制器和工業以太網，最終傳輸到采煤機監控平臺中進行檢測和歸檔，在實時訪問歸檔數據庫的基礎上，運用虛擬現實技術繪制不同地質條件的綜采工作面，并驅動采煤機虛擬樣機，實現采煤機工作狀態的“真實再現”。利用機載檢測控制系統提供的實時工況參數驅動采煤機虛擬樣機模型，使采煤機虛擬仿真系統具有進入綜采工作面的現場感和良好的交互性。
文檔編號G05B19/418GK102759909SQ20121019569
公開日2012年10月31日 申請日期2012年6月14日 優先權日2012年6月14日
發明者張帥, 成鈺龍, 程剛 申請人:中國礦業大學