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第４６卷第１２期煤炭科学技术Ｖｏｌ４６ Ｎｏ１２ ２０１８年１２月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｃ.２０１８ 悬臂式掘进机可视化辅助截割系统研制张旭辉１ꎬ２ꎬ张 超１ꎬ杨文娟１ꎬ２ꎬ赵建勋１(１.西安科技大学机械工程学院ꎬ陕西西安 ７１００５４ꎻ２.陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室ꎬ陕西西安 ７１００５４)摘 要:为了解决煤矿井下巷道掘进过程中因粉尘大ꎬ掘进机司机视野受限ꎬ导致截割效率低下ꎬ巷道成形质量不佳等问题ꎬ提出一种截割头位姿视觉测量的方法ꎬ实现巷道掘进过程的可视化监测ꎮ介绍了辅助截割导引系统的轨迹控制方法和系统主要功能模块ꎬ操作者输入巷道和掘进机参数后ꎬ系统自动生成截割头路径轨迹ꎬ并根据视觉测量结果实时更新、显示掘进机机身位姿和截割头位置提醒操作者ꎬ同时对超、欠挖进行预报警ꎮ试验结果表明:应用该系统后ꎬ掘进机机身静止时横滚角和俯仰角均在０.４°以内ꎬ航向角的变化在０.２°以内ꎬ运动情况下稳定性良好ꎻ截割头静止时抬升角在０.３°以内跳动ꎬ回转角跳动在０.２５°以内ꎬ运动时稳定性良好ꎻ最后对系统报警功能和可视化截割功能进行验证ꎬ效果良好ꎮ关键词:掘进机ꎻ视觉测量ꎻ可视化ꎻ轨迹规划ꎻ截割导引中图分类号:ＴＤ６３２ꎻＴＤ４２１ 文献标志码:Ａ 文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)１２－００２１－０６ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｖｉｓｕａｌａｕｘｉｌｉａｒｙｃｕｔｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｒｏａｄｈｅａｄｅｒＺＨＡＮＧＸｕｈｕｉ１ꎬ２ꎬＺＨＡＮＧＣｈａｏ１ꎬＹＡＮＧＷｅｎｊｕａｎ１ꎬ２ꎬＺＨＡＯＪｉａｎｘｕｎ１(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＸｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉ’ａｎ ７１００５４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｈａａｎｘｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｔｙｏｆＭｉｎｅＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｔＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎬＸｉ’ａｎ ７１００５４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｒｏａｄｈｅａｄｅｒｄｒｉｖｅｒ’ｓｖｉｓｉｏｎｉｓｌｉｍｉｔｅｄｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｈｅａｖｙｄｕｓｔꎬｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｌｏｗｃｕｔｔｉｎｇｅｆ￣ｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｐｏｏｒｆｏｒｍｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙｉｎｔｈｅｔｕｎｎｅｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅ.Ｔｈｅｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｖｉｓｕａｌｍｅａｓｕｒｅ￣ｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｏｆｃｕｔｔｉｎｇｈｅａｄｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｅꎬｗｈｉｃｈｃａｎｒｅａｌｉｚｅｖｉｓｕａｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｒｏａｄｗａｙｅｘｃａｖａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ.Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｍａｉｎｆｕｎｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｓｏｆｔｈｅａｕｘｉｌｉａｒｙｃｕｔｔｉｎｇｇｕｉｄａｎｃｅｓｙｓｔｅｍ.Ａｆｔｅｒｔｈｅｏｐｅｒａｔｏｒｉｎｐｕｔｓｔｈｅｐａｒａｍｅ￣ｔｅｒｓｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙａｎｄｔｈｅｒｏａｄｈｅａｄｅｒꎬｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｇｅｎｅｒａｔｅｓｔｈｅｐａｔｈｏｆｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｈｅａｄꎬｕｐｄａｔｅｓａｎｄｄｉｓｐｌａｙｓｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｘｃａｖａｔｏｒ'ｓｆｕｓｅｌａｇｅａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｈｅａｄｔｏｒｅｍｉｎｄｔｈｅｏｐｅｒａｔｏｒꎬａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｖｉｓｕａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ.Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｃａｒｒｙｏｎｔｈｅｐｒｅ－ａｌａｒｍｔｏｔｈｅｓｕｐｅｒｄｉｇｇｉｎｇａｎｄｕｎｄｅｒｄｉｇｇｉｎｇ.Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｏｌｌａｎｇｌｅａｎｄｐｉｔｃｈａｎｇｌｅａｒｅｗｉｔｈｉｎ０.４°ａｎｄｔｈｅｃｏｕｒｓｅａｎｇｌｅｉｓｗｉｔｈｉｎ０.２°ｗｈｅｎｔｈｅｆｕｓｅｌａｇｅｉｓａｔｒｅｓｔ.Ｔｈｅｌｉｆｔｉｎｇａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｈｅａｄｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ０.３°ａｎｄｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎａｎｇｌｅｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ０.２５°ｗｈｅｎｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｈｅａｄｉｓｓｔｉｌｌꎬｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｈｅａｄｉｓｇｏｏｄꎬａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｌａｒｍｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｖｉｓｕａｌｃｕｔ￣ｔｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎａｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄꎬｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｓｆｉｎｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｒｏａｄｈｅａｄｅｒꎻｖｉｓｕａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔꎻｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎꎻｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｐｌａｎｎｉｎｇꎻｃｕｔｔｉｎｇｇｕｉｄｅ收稿日期:２０１８－０６－２２ꎻ责任编辑:赵 瑞 ＤＯＩ:１０１３１９９/ｊｃｎｋｉｃｓｔ２０１８１２００４基金项目:国家绿色制造系统集成资助项目(工信部节函[２０１７]３２７号)ꎻ陕西省创新能力支撑计划资助项目(２０１８ＴＤ－０３２)作者简介:张旭辉(１９７２—)ꎬ男ꎬ陕西凤翔人ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｚｈａｎｇｘｈ＠ｘｕｓｔ.ｅｄｕ.ｃｎ引用格式:张旭辉ꎬ张 超ꎬ杨文娟ꎬ等悬臂式掘进机可视化辅助截割系统研制[Ｊ]煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１２):２１－２６ＺＨＡＮＧＸｕｈｕｉꎬＺＨＡＮＧＣｈａｏꎬＹＡＮＧＷｅｎｊｕａｎꎬｅｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｖｉｓｕａｌａｕｘｉｌｉａｒｙｃｕｔｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｒｏａｄｈｅａｄｅｒ[Ｊ].ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１２):２１－２６０ 引 言随着煤矿井下综采装备的自动化水平提高ꎬ煤矿井下掘进效率低下导致的采掘失衡问题日益突出[１－２]ꎮ前期研究发现国内外在掘进机的自动化和智能化控制方面取得了很大进展[３]ꎬ但由于受煤矿１２２０１８年第１２期煤炭科学技术第４６卷井下环境限制ꎬ掘进机的精确定位仍未解决ꎬ限制着掘进机的智能化发展ꎮ目前国内大多数煤矿依然需要人工操作ꎬ这就导致掘进效率低下ꎮ由于掘进过程中粉尘浓度大、光线差等环境恶劣ꎬ导致司机视野受限不能准确判断截割头在截割断面的位置ꎬ从而容易导致超挖欠挖、不能保证巷道成形的质量ꎮ解决上述问题的关键在于确定掘进机机身位姿和截割头位姿ꎮ笔者提出的悬臂式掘进机可视化辅助截割系统在不改变现有掘进机结构的基础上ꎬ通过加装可视化辅助截割系统ꎬ对操作者进行可视化导引作业ꎮ本系统利用非接触的视觉测量技术[４]解决截割头定位问题ꎬ同时利用捷联惯导辅以其他的传感器定位、感知掘进机机身位姿ꎬ以可视化的形式为高粉尘ꎬ低照度环境下工作的掘进机司机提供操作导引ꎬ提高掘进效率和保证巷道成形质量ꎮ１ 断面形成与截割头运动轨迹控制１.１ 断面成形截割断面由掘进机截割头的旋转和截割臂的上、下、左、右摆动形成ꎮ为了便于计算ꎬ以截割臂在水平位置为基准位置ꎬ即截割臂的抬升角为－９０°ꎬ以截割臂在掘进机中轴线位置为基准位置ꎬ即截割臂的回转角为０°ꎬ如图１所示ꎮ悬臂式掘进机可视化辅助截割系统中ꎬ以截割臂的回转角γ和抬升角θ作为判断掘进机截割头在截割断面位置的依据[５－６]ꎮ图１ 掘进机截割臂摆动原理及基准角度Ｆｉｇ.１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｗｉｎｇｉｎｇａｒｍｏｆｒｏａｄｈｅａｄｅｒａｎｄｉｔｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅａｎｇｌｅ１.２ 截割头运动轨迹控制常见的断面形式主要有梯形、矩形、拱形ꎮ实际截割时ꎬ具体的截割工艺随着巷道大小和形状的变化而有所不同ꎮ断面截割的方式一般是首先截割出一个大致的轮廓ꎬ再慢慢修正ꎬ直到形成预期的断面效果ꎬ在断面成形的过程中主要依靠工作人员的经验或者卷尺等工具来完成ꎬ所以存在很大的随机性和经验性ꎮ因此ꎬ采用先水平后垂直的循环截割方式ꎬ如图２中所示的Ｓ形截割路线[７－８]ꎬ从断面的最下面钻进开始截割ꎬ按照路径顺次向上截割ꎬ最后进行扩帮ꎬ完成一次断面截割(以矩形巷道为例)ꎮ图２ 简化的截割路径规划Ｆｉｇ.２ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｃｕｔｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇ通过对掘进机截割头运行轨迹的简化和断面成形截割路径的规划ꎬ可以将截割头运行路径的轨迹离散成截割头中心在截割断面上的对应坐标点[９]ꎮ再通过坐标变换求取截割头中心点相对于机体的坐标点ꎮ２ 可视化辅助截割系统总体方案悬臂式掘进机可视化辅助截割系统总体方案ꎬ如图３所示ꎮ包括掘进机工作面建模及轨迹规划模块、传感器、信息采集处理模块、数据解算模块、图像显示模块以及存储模块ꎮ图３ 可视化辅助截割系统总体方案Ｆｉｇ.３ Ｇｅｎｅｒａｌｓｃｈｅｍｅｏｆｖｉｓｕａｌａｕｘｉｌｉａｒｙｃｕｔｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ１)掘进机建模及轨迹规划模块是建立掘进作业数学模型ꎬ将巷道断面类型、巷道尺寸和走向ꎬ以及截割工艺等作为截割模型参数ꎻ通过在显示界面输入上述掘进机工作面参数ꎬ自动完成截割轨迹规划ꎬ生成掘进机截割路径ꎮ建立截割头截割补偿数学模型ꎬ考虑机身位姿、截割头尺寸、有效截割点变化ꎬ以及巷道边界尺寸限制ꎬ对掘进机进行截割轨迹补偿[８]ꎬ形成真实的截割头移动轨迹ꎬ防止巷道欠挖和超挖ꎮ２２张旭辉等:悬臂式掘进机可视化辅助截割系统研制２０１８年第１２期２)传感器包括捷联惯导、超声波传感器、激光测距传感器和视觉测量系统ꎬ其中视觉测量系统由防爆除尘相机和１６点红外ＬＥＤ标靶组成ꎬ相机安装在掘进机机身上ꎬ红外ＬＥＤ标靶安装在截割臂靠近回转台的位置ꎮ前期研究[４]表明ꎬ多点状红外ＬＥＤ标靶可以防止因灰尘过大而导致视觉计算不正确ꎬ并且视觉测量的精度为垂直摆角误差在±０.８°以内ꎬ水平摆角误差为±０.５°ꎮ３)信息采集处理模块是对捷联惯导、超声波等传感器进行高速实时的数据采集ꎬ并对采集的数据进行预处理得到传感器输出量ꎬ然后将输出量发送到数据解算模块ꎮ４)数据解算模块包括机身定位解算、截割头定位解算和截割头轨迹解算ꎮ５)图像显示模块包括参数设置、轨迹显示、控制量提示和历史数据查询等ꎮ６)存储模块使用控制器中集成的数据存储单元ꎬ结合ＭｙＳＱＬ数据库完成巷道数据的存储、机身和截割头位置数据的存储ꎮ悬臂式掘进机可视化辅助截割系统利用捷联惯导定位掘进机在巷道中的位置ꎬ捷联惯导再结合激光传感器和超声传感器获得掘进机机身位姿[１０－１１]ꎮ通过定时采集红外标靶图像ꎬ然后对图像进行预处理等操作得到截割头的姿态角ꎮ再将得到的截割头姿态角转化到断面坐标系ꎬ最后以可视化界面的形式显示出来ꎬ为操作人员提供直观、精准的决策依据[１２－１３]ꎮ３ 悬臂式掘进机可视化辅助截割系统软件实现 悬臂式掘进机可视化辅助截割系统以ＶＳ２０１５＋Ｑｔ５.８跨平台软件为开发平台ꎬ为了实现数据的实时更新[１４]ꎬ采用多线程并发执行的编程方式实现软件多种功能ꎮ本系统的多线程软件结构如图４所示ꎮ图４ 多线程软件结构Ｆｉｇ.４ Ｍｕｌｔｉ－ｔｈｒｅａｄｅｄｓｏｆｔｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ主线程实现对主监测界面的更新ꎬ包括截割路径的导引、掘进机机身位姿的实时更新显示、截割头在巷道断面位置的实时显示更新以及超挖欠挖的报警ꎻ辅助线程１实现摄像机对红外标靶的图像采集、掘进机截割臂姿态的测量ꎻ辅助线程２实现通过ＲＳ４８５通信模块对超声波传感器数据的定时采集ꎻ辅助线程３实现通过ＲＳ４８５通信模块对捷联惯导数据的定时采集ꎻ辅助线程４实现通过ＲＳ４８５通信模块对激光测距传感器数据的定时采集ꎮ线程间的数据交互通过ＭｙＳＱＬ数据库实现ꎬ便于数据通信与管理[１５]ꎮ根据悬臂式掘进机可视化辅助截割系统整体方案ꎬ计算机界面需要完成实时工况数据的采集、计算、显示和存储以及基本参数的设置与历史数据的查询等功能ꎬ如图５所示ꎮ图５ 系统界面功能显示框架Ｆｉｇ.５ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｄｉｓｐｌａｙｆｒａｍｅｏ