一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统及
方法技术领域
本发明涉及一种煤矿井下钻式采煤机控制系统，具体涉及一种基于机器视觉和多
传感器融合的采煤机自动作业系统及方法。
背景技术
我国薄与极薄煤层储量丰富、分布广泛，但现阶段薄与极薄煤层开采机械化程度
较低，钻式采煤机是一种用于薄与极薄煤层开采的专用机器，由于其矮机身、大功率等优点
得到广泛应用，而现阶段钻式采煤机钻杆依然采用单轨吊起吊，人工对接，且需通过由棘轮
与液压缸组成的微调机构进行调整才能完成钻杆的对接，控制精度低，装卸钻杆时间长，大
大降低了采煤效率。此外，国内外对钻式采煤机自动化作业控制的研究极少，与煤矿井下采
煤机、掘进机等设备相比机械化程度低。钻式采煤机工作过程中煤的采出率低，能量消耗
大，对薄与极薄煤层的开采造成资源、人员和设备的极大浪费。
因此，本领域技术人员致力于开发一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自
动作业系统，能够实现工作过程中钻杆自动换接及无人值守作业，具有较高的集成度及自
动化程度。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于机器视觉和多
传感器融合的采煤机自动作业系统及方法，具有较高的集成度及自动化程度，能够实现工
作过程中钻杆自动换接及无人值守作业，有效提高采煤作业效率，工作可靠且节约成本。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统，包括采煤机主机体、
钻杆自动输送系统和钻杆自动对接系统；
其中，所述采煤机主机体包括钻机机架、侧支撑机构、钻机升降机构、钻杆旋转作
业平台、钻杆推进平台、工作钻杆和工作钻杆支撑件，且采煤机主机体在其工作的巷道内移
动；
钻机机架水平设置于钻机升降机构上，钻机升降机构用于支撑并调整钻机机架的
高度；侧支撑机构包括两对测支撑液压缸，每对测支撑液压缸构成一个两端可伸缩的支撑
杆；两个支撑杆分别水平设置于钻机机架的前后两侧，实现钻机机架的横向支撑固定；钻杆
推进平台设置于钻机机架上，钻杆旋转作业平台设置于钻杆推进平台上；工作钻杆水平与
钻杆旋转作业平台相连，在钻杆旋转作业平台带动工作钻杆旋转的同时钻杆推进平台带动
钻杆旋转作业平台与工作钻杆横向推进钻入巷道壁中；工作钻杆支撑件可伸缩地设置于钻
机机架上，用于在换接钻杆时支撑工作钻杆；
所述钻杆自动输送系统包括送钻液压缸、送钻平台、待换接钻杆、升降液压缸和
DSP处理器(数字信号处理器)；送钻平台沿巷道长度方向设置于钻机机架的前侧或者后侧，
送钻平台与送钻液压缸相连并通过送钻液压缸推动送钻平台沿巷道移动；待换接钻杆通过
升降液压缸水平横向设置于送钻平台上，并通过升降液压缸调整待换接钻杆的高度；工作
钻杆支撑件及升降液压缸上均设置有位移传感器，且钻机机架上设置有限位开关；位移传
感器与限位开关均与DSP处理器相连，通过位移传感器及限位开关实现待换接钻杆的调整
定位至与工作钻杆同轴；
所述钻杆自动对接系统包括可伸缩机械臂及CCD(电荷耦合器件)双目摄像机，可
伸缩机械臂设置于钻杆旋转作业平台上，可伸缩机械臂的顶端夹持有CCD双目摄像机；通过
旋转电机调整待换接钻杆相对于工作钻杆的周向位置，并通过视觉定位实现待换接钻杆与
工作钻杆的自动对接。
优选的，所述采煤机主机体通过履带输送机构实现巷道内的移动，钻机升降机构
底部设置有滑撬，钻机机架通过滑撬设置于履带输送机构的履带上。
优选的，所述钻机机架左右两侧边的两端均设置有红外传感器，通过红外传感器
实时获得钻式采煤机与巷道四周的距离，保证了采煤机移动的安全性。
优选的，所述钻杆旋转作业平台包括旋转电机及电机支座，旋转电机通过电机支
座安装于钻杆推进平台上。
优选的，所述旋转电机的数量与工作钻杆的数量相同，可伸缩机械臂的数量与旋
转电机的数量相同，彼此一一对应。
优选的，工作钻杆的对接端及待换接钻杆靠近旋转电机的一端均设置有第一对接
装置，旋转电机的输出端及待换接钻杆靠近工作钻杆的一端均设置有第二对接装置；所述
第一对接装置及第二对接装置均呈圆柱状，且其外端面均设置有三爪凹凸块；所述三爪凹
凸块两两相适配，且第一对接装置及第二对接装置的柱面上均设置有三个沿圆周方向均布
的定位圆柱体；第一对接装置上定位圆柱体的中心轴线与其三爪凹凸块中凸块的中心轴线
平行，第二对接装置上定位圆柱体的中心轴线与其三爪凹凸块中凹块的中心轴线平行，且
待换接钻杆两端的定位圆柱体的中心轴线相互平行。所述对接装置可实现任意工作角度钻
杆的无缝对接。
优选的，所述可伸缩机械臂安装于电机支座上，可伸缩机械臂包括第一伺服电机、
第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机及第六伺服电机，第一伺服电
机驱动可伸缩机械臂的水平转动，第二伺服电机和第三伺服电机驱动可伸缩机械臂的上下
摆动，第四伺服电机驱动可伸缩机械臂的周向转动，第五伺服电机驱动可伸缩机械臂的伸
缩，第六伺服电机驱动可伸缩机械臂所夹持CCD双目摄像机的转动。
优选的，所述CCD双目摄像机具有眨眼功能，通过间断性眨眼避免工作过程中的灰
尘堵塞CCD双目摄像机。
优选的，所述钻杆自动对接系统还包括图像采集卡、工控机、PLC(可编程逻辑控制
器)可执行控制器和电液比例阀；CCD双目摄像机拍摄的照片通过图像采集卡将数据传递到
工控机进行处理，工控机驱动PLC可执行控制器控制电液比例阀的开度，从而带动旋转电机
的转动，实现旋转电机的输出端与待换接钻杆的对接。
一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业方法，包括以下步骤：
步骤A：通过履带输送机构将采煤机主机体输送至巷道内工作位置，移动过程中通
过钻机机架上的红外传感器实时获得钻式采煤机与巷道四周的距离，实时调整采煤机主机
的输送方向和速度从而实现钻式采煤机在巷道内的行走导航；
步骤B：采煤机主机体到达巷道内工作位置后通过钻机升降机构调整钻机机架的
高度以适应不同煤层的开采；钻机机架升高至工作面后控制侧支撑机构实现采煤机主机体
的横向支撑固定，进而进行煤层开采；在旋转电机带动工作钻杆旋转的同时钻杆推进平台
带动钻杆旋转作业平台与工作钻杆横向推进钻入巷道壁中；钻头采下的煤通过钻杆运出，
煤下落后通过输送机运出；
步骤C：当工作钻杆全部钻进煤层后旋转电机停转，工作钻杆支撑件上升支撑住工
作钻杆；旋转电机的输出端与工作钻杆脱开，钻杆推进平台带动钻杆旋转作业平台退回至
原位，进而进行换接钻杆；
步骤D：待换接钻杆由行车起吊至升降液压缸上，送钻液压缸推动送钻平台将待换
接钻杆运送至钻机机架上，当送钻平台到达限位开关所在位置时限位开关发送信号给DSP
处理器进行处理，DSP处理器控制送钻液压缸将送钻平台停在限位开关处，实现待换接钻杆
水平方向的精确定位；通过升降液压缸调整待换接钻杆的高度，根据工作钻杆支撑件上位
移传感器记录的工作钻杆垂直方向位置信息，通过DSP处理器控制升降液压缸的同时通过
位移传感器的反馈控制待换接钻杆的高度，实现待换接钻杆垂直方向的精确定位；
步骤E：当待换接钻杆与工作钻杆完成同轴定位后，通过CCD双目摄像机拍摄一组
待换接钻杆上第一对接装置的照片，通过图像采集卡将数据传递到工控机处理，获得待换
接钻杆第一对接装置上定位圆柱体的周向位置信息，通过可伸缩机械臂调整CCD双目摄像
机的位置及角度使待换接钻杆上第一对接装置处于图像的正中位置；调整完成后工控机驱
动PLC可执行控制器控制电液比例阀的开度带动旋转电机的转动，当CCD双目摄像机获得旋
转电机上定位圆柱体的周向位置与待换接钻杆的第一对接装置上定位圆柱体的周向位置
一致时，旋转电机停转，此时待换接钻杆第一对接装置上的三爪凹凸块与旋转电机输出端
上的三爪凹凸块在圆周方向相互匹配，实现待换接钻杆在圆周方向的精确定位；钻杆推进
平台推进旋转电机完成待换接钻杆与旋转电机输出端的对接；
步骤F：当待换接钻杆与旋转电机输出端的对接完成后，工控机驱动PLC可执行控
制器控制电液比例阀的开度从而控制旋转电机转动与步骤E中相反的角度至原位；此时待
换接钻杆第二对接装置上定位圆柱体的中心轴线与工作钻杆上定位圆柱体的中心轴线是
平行的，实现待换接钻杆与工作钻杆在圆周方向的精确定位；钻杆推进平台推进钻杆旋转
作业平台完成待换接钻杆与工作钻杆的对接，从而进行下一次钻进采煤。
有益效果：本发明提供的一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系
统及方法，相对于现有技术，具有以下优点：1、具有较高的集成度及自动化程度，工作安全
可靠且节省人力；2、采用机器视觉和多传感器融合技术，实现钻式采煤机行走、钻进、换钻、
作业一体化，缩短了钻式采煤机换钻作业的时间，大大提高了薄与极薄煤层的开采效率，节
约成本。
附图说明
图1是本发明中采煤机主机体的俯视图；
图2是本发明中采煤机主机体的主视图；
图3是本发明中采煤机主机体的左视图；
图4是本发明中采煤机主机体的右视图；
图5是本发明中待换接钻杆的结构图；
图6是本发明中第一对接装置的结构图；
图7是本发明中第二对接装置的结构图；
图8是本发明中可伸缩机械臂的结构图；
图9是本发明中钻杆自动输送系统的结构框图；
图10是本发明中钻杆自动输送系统的控制流程图；
图11是本发明中钻杆自动对接系统的结构框图；
图12是本发明中钻杆自动对接系统的控制流程图；
图中包括：1、钻机机架，2、钻杆旋转作业平台，3、钻杆推进平台，4、钻机升降机构，
5、送钻平台，6、工作钻杆，7、工作钻杆支撑件，8、测支撑液压缸，9、送钻液压缸，10、限位开
关，11、升降液压缸，12、位移传感器，13、待换接钻杆，14、可伸缩机械臂，15、CCD双目摄像
机，16、红外传感器，17、第一对接装置，18、第二对接装置，19、三爪凹凸块，20、定位圆柱体，
2-1、旋转电机，2-2、电机支座，14-1、第一伺服电机，14-2、第二伺服电机，14-3、第三伺服电
机，14-4、第四伺服电机，14-5、第五伺服电机，14-6、第六伺服电机。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1、2、3、4所示为一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业系统，
包括采煤机主机体、钻杆自动输送系统和钻杆自动对接系统；
其中，所述采煤机主机体包括钻机机架1、侧支撑机构、钻机升降机构4、钻杆旋转
作业平台2、钻杆推进平台3、三个工作钻杆6和三个工作钻杆支撑件7，且采煤机主机体在其
工作的巷道内移动；
钻机机架1水平设置于钻机升降机构4上，钻机升降机构4用于支撑并调整钻机机
架1的高度；侧支撑机构包括两对测支撑液压缸8，每对测支撑液压缸8构成一个两端可伸缩
的支撑杆；两个支撑杆分别水平设置于钻机机架1的前后两侧，实现钻机机架1的横向支撑
固定；钻杆推进平台3设置于钻机机架1上，钻杆旋转作业平台2设置于钻杆推进平台3上；工
作钻杆6水平与钻杆旋转作业平台2相连，在钻杆旋转作业平台2带动工作钻杆6旋转的同时
钻杆推进平台3带动钻杆旋转作业平台2与工作钻杆6横向推进钻入巷道壁中；工作钻杆支
撑件7可伸缩地设置于钻机机架1上，用于在换接钻杆时用于支撑工作钻杆6；
所述钻杆自动输送系统包括送钻液压缸9、送钻平台5、待换接钻杆13、升降液压缸
11和DSP处理器；送钻平台5沿巷道长度方向设置于钻机机架1的后侧，送钻平台5与送钻液
压缸9相连并通过送钻液压缸9推动送钻平台5沿巷道移动；待换接钻杆13通过升降液压缸
11水平横向设置于送钻平台5上，并通过升降液压缸11调整待换接钻杆13的高度；工作钻杆
支撑件7及升降液压缸11上均设置有位移传感器12，钻机机架1上设置有限位开关10；如图9
所示，位移传感器12与限位开关10均与DSP处理器相连，通过位移传感器12及限位开关10实
现待换接钻杆13与工作钻杆6的同轴定位；
所述钻杆自动对接系统包括三个可伸缩机械臂14及三个具有眨眼功能的CCD双目
摄像机15，可伸缩机械臂14设置于钻杆旋转作业平台2上，可伸缩机械臂14的顶端夹持有
CCD双目摄像机15，通过视觉定位实现待换接钻杆13与工作钻杆6的自动对接。
本实施例中，所述采煤机主机体通过履带输送机构实现巷道内的移动，钻机升降
机构4底部设置有滑撬，钻机机架1通过滑撬设置于履带输送机构的履带上；所述钻机机架1
左右两侧边的两端均设置有红外传感器16。
本实施例中，所述钻杆旋转作业平台2包括三个旋转电机2-1及三个电机支座2-2，
旋转电机2-1通过电机支座2-2安装于钻杆推进平台3上。
如图5、6、7所示，工作钻杆6的对接端及待换接钻杆13靠近旋转电机2-1的一端均
设置有第一对接装置19，旋转电机2-1的输出端及待换接钻杆13靠近工作钻杆6的一端均设
置有第二对接装置18；所述第一对接装置19及第二对接装置18均呈圆柱状，且其外端面均
设置有三爪凹凸块19；所述三爪凹凸块19两两相适配，且第一对接装置19及第二对接装置
18的柱面上均设置有三个沿圆周方向均布的定位圆柱体20；第一对接装置19上定位圆柱体
20的中心轴线与其三爪凹凸块19中凸块的中心轴线平行，第二对接装置18上定位圆柱体20
的中心轴线与其三爪凹凸块19中凹块的中心轴线平行，且待换接钻杆13两端的定位圆柱体
20的中心轴线相互平行。
如图8所示，所述可伸缩机械臂14安装于电机支座2-2上，可伸缩机械臂14包括第
一伺服电机14-1、第二伺服电机14-2、第三伺服电机14-3、第四伺服电机14-4、第五伺服电
机14-5及第六伺服电机14-6，第一伺服电机14-1驱动可伸缩机械臂14的水平转动，第二伺
服电机14-2和第三伺服电机14-3驱动可伸缩机械臂14的上下摆动，第四伺服电机14-4驱动
可伸缩机械臂14的周向转动，第五伺服电机14-5驱动可伸缩机械臂14的伸缩，第六伺服电
机14-6驱动可伸缩机械臂14所夹持CCD双目摄像机15的转动。
如图11所示，所述钻杆自动对接系统还包括图像采集卡、工控机、PLC可执行控制
器和电液比例阀；CCD双目摄像机15拍摄的照片通过图像采集卡将数据传递到工控机进行
处理，工控机驱动PLC可执行控制器控制电液比例阀的开度，从而带动旋转电机2-1的转动，
实现旋转电机2-1的输出端与待换接钻杆13的对接。
一种基于机器视觉和多传感器融合的采煤机自动作业方法，包括以下步骤：
步骤A：通过履带输送机构将采煤机主机体输送至巷道内工作位置，移动过程中通
过钻机机架1上的红外传感器16实时获得钻式采煤机与巷道四周的距离，实时调整采煤机
主机的输送方向和速度从而实现钻式采煤机在巷道内的行走导航；
步骤B：采煤机主机体到达巷道内工作位置后通过钻机升降机构4调整钻机机架1
的高度以适应不同煤层的开采；钻机机架1升高至工作面后控制侧支撑机构实现采煤机主
机体的横向支撑固定，进而进行煤层开采；在旋转电机2-1带动工作钻杆6旋转的同时钻杆
推进平台3带动钻杆旋转作业平台2与工作钻杆6横向推进钻入巷道壁(煤层)中；钻头采下
的煤通过钻杆运出，煤下落后通过输送机运出；
步骤C：当工作钻杆6全部钻进煤层后旋转电机2-1停转，工作钻杆支撑件7上升支
撑住工作钻杆6；旋转电机2-1的输出端与工作钻杆6脱开，钻杆推进平台3带动钻杆旋转作
业平台2退回至原位，进而进行换接钻杆；
步骤D：待换接钻杆13的自动输送及其与工作钻杆6的同轴定位
如图10所示，待换接钻杆13由行车起吊至升降液压缸11上，送钻液压缸9推动送钻
平台5将待换接钻杆13运送至钻机机架1上，当送钻平台5到达限位开关10所在位置时限位
开关10发送信号给DSP处理器进行处理，DSP处理器控制送钻液压缸9将送钻平台5停在限位
开关10处，实现待换接钻杆13水平方向的精确定位；通过升降液压缸11调整待换接钻杆13
的高度，根据工作钻杆支撑件7上位移传感器12记录的工作钻杆6垂直方向位置信息，通过
DSP处理器控制升降液压缸11的同时通过位移传感器12的反馈控制待换接钻杆13的高度，
实现待换接钻杆13垂直方向的精确定位；
步骤E：待换接钻杆13与旋转电机2-1输出端的对接
如图12所示，当待换接钻杆13与工作钻杆6完成同轴定位后，通过CCD双目摄像机
15拍摄一组待换接钻杆13上第一对接装置19的照片，通过图像采集卡将数据传递到工控机
处理，获得待换接钻杆13的第一对接装置19上定位圆柱体20的周向位置信息，通过可伸缩
机械臂14调整CCD双目摄像机15的位置及角度使待换接钻杆13的第一对接装置19处于图像
的正中位置；调整完成后工控机驱动PLC可执行控制器控制电液比例阀的开度带动旋转电
机2-1的转动，当CCD双目摄像机15获得旋转电机2-1上定位圆柱体20的周向位置与待换接
钻杆13的第一对接装置19上定位圆柱体20的周向位置一致时，旋转电机2-1停转，此时待换
接钻杆13上的三爪凹凸块19与旋转电机2-1输出端上的三爪凹凸块19在圆周方向相互匹
配，实现待换接钻杆13在圆周方向的精确定位；钻杆推进平台3推进旋转电机2-1完成待换
接钻杆13与旋转电机2-1输出端的对接；
步骤F：待换接钻杆13与工作钻杆6的对接
当待换接钻杆13与旋转电机2-1输出端的对接完成后，工控机驱动PLC可执行控制
器控制电液比例阀的开度从而控制旋转电机2-1转动与步骤E中相反的角度至原位；此时待
换接钻杆13第二对接装置18上定位圆柱体20的中心轴线与工作钻杆6上定位圆柱体的中心
轴线是平行的，实现待换接钻杆13与工作钻杆6在圆周方向的精确定位；钻杆推进平台3推
进钻杆旋转作业平台2完成待换接钻杆13与工作钻杆6的对接，从而进行下一次钻进采煤。
本发明中三爪凹凸块19对接贴合部分的接触面及接触距离较大，且钻杆长度较
短，刚性大，实际工作不会发生打滑和脱离。工作时依靠推进平台提供推力，对接装置始终
保持较好的对接。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。