X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Горнопроходческие работы – это совокупность различных видов деятельности по реализации и проведению горных работ непосредственно под землей. Определение местоположения под землей затруднено, так как невозможно использование традиционных глобальных навигационных спутниковых систем. В настоящее время одной из важных проблем при управлении горнопроходческими комбайнами (ГПК) в шахте является подземная навигация. Рост энерговооруженности и производительности проходческих комбайнов, с одной стороны, и возросшие требование к точности обеспечения проектных параметров по местоположению, направлению и геометрическим формам штреков, с другой стороны, делают актуальными разработку и внедрение новых систем ориентации и навигации проходческих комбайнов. Такие системы должны строиться с использованием новейших достижений в области гироскопической и навигационной техники, лазерной техники, радиосвязи и радиолокации, и т. д. [1].

Для решения данной проблемы разрабатывается автоматическая система взаимного оптического визирования. Идея построения этой системы заключается в использовании двух основных приборов: первого прибора – наземного прибора ориентации (гирооптического прибора – ГОП), установленного под кровлей штрека в точке с известными географическими координатами, и второго прибора – прибора ориентации, установленного на ГПК. Между этими приборами выполняется автоматическое оптическое взаимное визирование. Третий прибор – пульт управления может располагаться либо в кабине комбайна, либо в руках машиниста, находящегося вне комбайна. Этот прибор содержит вычислитель с монитором и связан с первыми двумя приборами беспроводными двухсторонними каналами обмена информации.

Данная система ориентации и навигации не относится к наземным системам для объектов, расположенных сверху на поверхности земли, в связи с тем, что в шахте невозможен прием сигналов со спутников. Так же данную систем нельзя отнести к «подземной навигации и ориентации», так как, как правило, в этих случаях речь идёт о скважинной навигации со всеми её специфическими особенностями. Поэтому к данной систему предъявляются особые требования:

Высокая точность- автоматическая система взаимного оптического визирования должна максимально точно ориентировать горнопроходческий комбайн и решать задачи навигации и ориентации.

Быстродействие- система должна обладать высокой скоростью реакции на изменение ориентации и местоположения ГПК.

Режим поиска – в момент включения в произвольном направлении, должен включиться режим поиска, при котором головки автоматически направятся друг на друга. После чего включается режим слежения, обеспечивающий стабильную линию оптического визира.

Рассмотрим существующие системы навигации применяемы в тоннелестроении. Для данной сферы также важно определение, в реальном времени, пространственного положения тоннелепроходческого комплекса с высокой точностью. Основное отличие ГПК от тоннелепроходческого комплекса заключается в том, что ГПК может передвигаться в шахте и имеет большую степень подвижности штрека. Основные системы:

Система навигации SN-PAi - Работа системы основана на определении электронным тахеометром абсолютных координат (X, Y, Z) двух мотопризм и расчёте через эти данные пространственного положения ножа, хвоста и передней базовой точки щита, и их смещения относительно проектного положения.

Система навигации SLS - Работа системы основана на определении электронными палетками активной мишени относительных координат точки лазерного луча, при помощи программного обеспечения их пересчёт в абсолютные координаты и определение смещения от проектного положения ножа и плоскости мишени.

Система навигации ACS II - Работа системы основана на определении относительных координат лазерных точек, на двух палетках мишени (одна из прозрачного оргстекла, вторая не прозрачная) при помощи двух высокоточных видеокамер, и их дальнейший перерасчёт программой в абсолютные координаты, с последующим определением смещения от проектного положения ножа, хвоста и передней базовой точки щита [2].

Так же к подобным вариантам реализации можно отнести системы самонаведения, применяемые в военной сфере:

 

Рис. 1. Схема инфракрасной (тепловой) головки самонаведения

Инфракрасная (тепловая) головка самонаведения (рис.1) — головка самонаведения, работающая на принципе улавливания волн инфракрасного диапазона, излучаемых захватываемой целью. Представляет собой оптико-электронный прибор, предназначенный для идентификации цели на окружающем фоне и выдачи в автоматическое прицельное устройство сигнала захвата, а также для измерения и выдачи в автопилот сигнала угловой скорости линии визирования. Данная система самонаведения имеет большие сходства с проектируемой системой для ГПК. Принцип действия -головка самонаведения обеспечивает получение сведений о цели, необходимых для наведения ракеты на цель. Основным элементом тепловой головки самонаведения является координатор цели, который измеряет угол рассогласования, т. е. угол между оптической осью координатора и направлением на цель. Поступающие от цели, а также отраженные и собственные излучения фона собираются оптической системой и фокусируются на поверхности чувствительного элемента. Информация о цели от чувствительного элемента в виде электрического сигнала поступает в электронную схему. Конечным звеном схемы являются сервомеханизмы, связанные с рулями управления. Элементы схемы от входной оптики до электронной схемы называют тепловым координатором цели [3].

 

Акустическая система наведения- система имеет два микрофона, если ракета не имеет смещения и направлена на цель, то звуковые колебания до обоих микрофонов доходят одновременно. При смещении цели в сторону звуковые колебания приходят от цели к одному микрофону раньше, чем к другому. По разности времени прихода звука к микрофонам определяют угол между направлением на цель и осью координатора. В акустической головке самонаведения, как и в головках других типов, угол измеряется в двух плоскостях: по курсу и тангажу. Для этого на ракете устанавливают две пары микрофонов и размещают их взаимно-перпендикулярно.

Оптическое самонаведение- основано на определении направления на источник светового излучения. Применяются головки самонаведения пассивного типа, реагирующие на световые лучи, излучаемые или отражаемые целью. Оптическая головка самонаведения (рис.2) может работать лишь в том случае, если цель обладает достаточной световой контрастностью на окружающем фоне. В качестве измерителя, реагирующего на световой контраст цели, используется оптический координатор цели, который конструктивно ничем не отличается от теплового координатора.

 

Рис. 2. Оптическая головка самонаведения

 

Анализ задачи

В данной работе требуется описать возможные варианты реализации автоматической системы взаимного оптического визирования. Способ определения взаимного положения объектов относится к оптическим способам определения взаимного положения и взаимной ориентации объектов и может быть использован при ориентации и навигации в горнопроходческом деле, а также в иных областях техники, в которых необходим контроль взаимного положения изделий или их частей. Заявленный способ состоит в использовании двух приборов: гирооптического прибора- наземный прибор ориентации, установленный под кровлей штрека с известными географическими координатами (широта, долгота, альтитуда); прибора ориентации, расположенного на ГПК. Между приборами устанавливается оптическая связь: на приборе ориентации, светодиод излучает световое пятно, в то же время гирооптический прибор в режиме поиска осуществляет обзор пространства. При нахождении светового пятна наземного прибора, с помощью оптической системы проецируется на фото матрицу и определяется смещение пятна относительно центра фото матрицы. С помощью вычислительной программы, вырабатывается сигнал рассогласования,

 

Рис. 3. Схема прохождения луча света

который подается на приводы, для корректировки ГОП. В результате устанавливается линия оптического визирования между неподвижным и жестко закреплённым гирооптическим прибором и прибором ориентации, установленным на подвижном ГПК. Достигаемый технический результат - однозначное определение параметров положения и ориентации ГПК, а также обеспечение возможности проведения измерений в условиях запылённости и взрывоопасности.

 

Для наглядного представления работы проектируемой системы представлена схема прохождения луча (рис.3). Луч от светодиода попадает в объектив, т.е. оптическую систему состоящею из множества линз, которые проецируют световое пятно на матрицу, диафрагмы, для, ограничения световых лучей и фото матрицы.

Требования, предъявляемые к элементам

Светодиод. Световое пятно, проецируемое на фото-матрицу должно обладать заявленными характеристиками. Во-первых, световой излучатель (светодиод) должен иметь направленное излучение, которое будет заметно для ГОП на расстоянии до 100м. Во-вторых, форма изучения должна легко распознаваема и не затрудняющая вычисление сигнала смещения.

Оптическая система - т.е. объектив, расположенный на ГОП должен работать в режиме «поиска» и в режиме «работа»:

Режим «поиска» - объектив должен обладать широким углом обзора, для быстрого перехода в режим «работы».

Режим «работы»: объектив фокусируется на световом пятне. Получаемое изображение должно быть четким, для более точной установки линии оптического визирования.

Не маловажным фактором является тип фокусировки. Выделяют три вида автофокуса: фазовый, контрастный, гибридный. Для нашей системы по всем требованиям подходит- контрастный автофокус. Работа контрастного автофокуса основана на специальных светочувствительных элементах, которые проводят исследования контраста снимаемой сцены. Точная фокусировка происходит в тот момент, когда данное изображение обретет максимально отличающуюся от фона резкость и контрастность.

Фото-матрица- обладает оптимальным размером, большим подавлением цифровых шумов, высокой светочувствительностью т.е. способность фотодатчиков матрицы генерировать электрический заряд под действием световой составляющей электромагнитного излучения.

Заключение

В данной работе было рассмотрено множество вариантов реализации автоматической системы взаимного визирования. Рост энерговооруженности и производительности проходческих комбайнов, с одной стороны, и возросшие требование к точности обеспечения проектных параметров по местоположению, направлению и геометрическим формам штреков, с другой стороны, делают актуальными разработку и внедрением новой системы ориентации и навигации проходческих комбайнов.

Список литературы

Д. К. Ву, Л. Н. Белянин Алгоритмы определения местоположения горнопроходческого комбайна // Материалы XVIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». - Томск: ТПУ, 2016г.

Подземная навигация // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Подземная_навигация (дата обращения: 20.01.2018).

Пассивная инфракрасная система самонаведения // Самонаведение ракет URL: http://samonavedenie-raket.ru/sistemy-samonavedeniya/passivnaya-infrakrasnaya-sistema-samonavedeniya (дата обращения: 20.01.2018).

Инфракрасная головка самонаведения // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Инфракрасная_головка_самонаведения (дата обращения: 20.01.2018).

Код для цитирования: Скопировать