掘进机远程监控系统设计与位姿检测精度验证

　第４６卷第１２期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰１２　　２０１８年１２月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｃ.２０１８　掘进机远程监控系统设计与位姿检测精度验证张敏骏ꎬ臧富雨ꎬ吉晓冬ꎬ蔡岫航ꎬ吴　淼(中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院ꎬ北京　１０００８３)摘　要:为研究悬臂式掘进机远程控制与位姿检测方法精度验证问题ꎬ基于实地工况的调研ꎬ提出一种基于机载可编程控制器、机载传感系统、视频监控系统以及工控机的掘进机远程监控与位姿检测精度验证系统ꎬ并完成掘进机试验样机的改造ꎬ搭建模拟巷道ꎬ详细阐述了该系统的总体结构并说明了各部分的构建方法ꎮ以掘进机位姿检测试验为例ꎬ进行掘进机远程监控系统的调试与精度验证系统的功能性验证ꎮ结果表明ꎬ掘进机位姿测量精度验证系统与几种典型位姿测量方法的测角误差在１°以内ꎬ偏距误差在０.０１ｍ以内ꎬ在试验过程中系统运行稳定且操作简便ꎬ显示界面直观ꎬ从而为掘进机远程监控与位姿测量技术进行了试验验证ꎬ为掘进机的无人化发展提供重要试验依据ꎮ关键词:悬臂式掘进机ꎻ远程监控ꎻ位姿检测ꎻ精度验证中图分类号:ＴＤ４２１　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)１２－００４８－０６ＤｅｓｉｇｎｏｆｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｒｏａｄｈｅａｄｅｒａｎｄａｃｃｕｒａｃｙｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｔｕｒｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎＺＨＡＮＧＭｉｎｊｕｎꎬＺＡＮＧＦｕｙｕꎬＪＩＸｉａｏｄｏｎｇꎬＣＡＩＸｉｕｈａｎｇꎬＷＵＭｉａｏ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(Ｂｅｉｊｉｎｇ)ꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００８３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｒｏａｄｈｅａｄｅｒｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄꎬｗｉｔｈｔｈｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｆｉｅｌｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬｔｈｅｒｏａｄｈｅａｄｅｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎａｉｒｂｏｒｎｅｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒꎬａｉｒｂｏｒｎｅｓｅｎｓｏｒｓｙｓｔｅｍꎬｖｉｄｅｏｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ.Ｍｅａｎｗｈｉｌｅꎬｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｏｆｔｈｅｒｏａｄｈｅａｄｅｒｗａｓｅｎｈａｎｃｅｄａｎｄａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｏａｄｗａｙｗａｓｂｕｉｌｔ.Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍ􀆳ｓｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｅａｃｈｐａｒｔｗｅｒｅｄｅ￣ｔａｉｌｅｄ.Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｔｅｓｔｏｆｒｏａｄｈｅａｄｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｓａｎｅｘａｍｐｌｅꎬｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｎｇｌｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｒｒｏｒｉｓｗｉｔｈｉｎ１°ｃｏｍｐａｒｉｎｇｒｏａｄｈｅａｄｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｓｅｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓꎬａｎｄｔｈｅｏｆｆｓｅｔｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｅｒｒｏｒｉｓｗｉｔｈｉｎ０.０１ｍ.Ｉｎｔｈｅｔｅｓｔꎬｔｈｅｓｙｓｔｅｍｒｕｎｓｓｔｅａｄｉｌｙａｎｄｉｓｅａｓｉｌｙｏｐｅｒａｔｅｄꎬａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｄｉｓｐｌａｙｓｃｌｅａｒｌｙ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｔｈｅｒｏａｄｈｅａｄｅｒｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉ￣ｔｏｒｉｎｇａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｏｕｌｄｂｅｖｅｒｉｆｉｅｄ.Ａｎｄｉｔｉｓｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｅｓｔｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｕｎｍａｎｎｅｄｒｏａｄｈｅａｄｅｒ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｒｏａｄｈｅａｄｅｒꎻｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎻｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎꎻｐｒｅｃｉｓｉｏｎｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ收稿日期:２０１８－０４－０３ꎻ责任编辑:赵　瑞　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰１２􀆰００８基金项目:国家重点基础研究发展计划(９７３计划)资助项目(２０１４ＣＢ０４６３０６)作者简介:张敏骏(１９９２—)ꎬ男ꎬ山东泰安人ꎬ博士研究生ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]引用格式:张敏骏ꎬ臧富雨ꎬ吉晓冬ꎬ等􀆰掘进机远程监控系统设计与位姿检测精度验证[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１２):４８－５３􀆰ＺＨＡＮＧＭｉｎｊｕｎꎬＺＡＮＧＦｕｙｕꎬＪＩＸｉａｏｄｏｎｇꎬｅｔａｌ􀆰Ｄｅｓｉｇｎｏｆｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｒｏａｄｈｅａｄｅｒａｎｄａｃｃｕｒａｃｙｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｏｓ￣ｔｕｒｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１２):４８－５３􀆰０　引　　言当前煤炭开采深度不断增加ꎬ煤层开采危险系数不断增大ꎬ无人采掘装备作为当前国际煤炭领域的发展前沿和久攻未破的世界性难题[１]ꎮ机器人化掘进装备的发展是确保我国具备煤炭能源持续生产能力与矿工人身安全的重要举措[２－３]ꎮ悬臂式掘进机是煤矿综掘工作面的核心机电设备ꎬ但由于环境的恶劣性与现有理论的局限性ꎬ尚未形成适当的综掘工作面远程监控系统ꎬ且掘进机位姿检测技术作为综掘工作面无人化的基础ꎬ尚未有合适的位姿检测精度验证系统ꎮ８４张敏骏等:掘进机远程监控系统设计与位姿检测精度验证２０１８年第１２期悬臂式掘进机远程监控系统主要包括机载控制系统与远程监控系统ꎮ目前国内外尚未建立起系统的掘进机远程监控系统ꎬ文献[４－５]介绍了掘进机上位机监控系统与远程监控系统的设计与应用ꎬ在与掘进机结构类似或工况类似的盾构机与海底履带集矿车方面ꎬ国内外学者进行了一定的研究ꎮ文献[６－８]研制出盾构模拟试验系统ꎬ为试验的进行ꎬ设计了盾构机的远程监控系统ꎮ文献[９]研制出海底履带集矿车模拟试验系统的远程监控系统ꎮ文献[１０－１１]重点阐述了盾构掘进试验平台监控系统的开发与应用ꎮ笔者在广泛调研国内外掘进机工作特点的基础上ꎬ设计了用于掘进机模拟试验平台且可对掘进机所有状态与参数进行动态显示的监控系统ꎬ另外搭建了可对各种掘进机位姿检测方法进行验证与对比的高精度掘进机位姿测量精度验证系统ꎮ选取了具有代表性的位姿测量方法开展掘进机位姿测量试验ꎬ对系统的功能进行验证ꎬ并分析了位姿测量精度验证系统的实用性ꎮ１　悬臂式掘进机远程监控系统设计１.１　系统功能悬臂式掘进机远程监控系统可对掘进机与模拟巷道进行全方位监控ꎬ同时可实时显示、采集与记录掘进机参数与数据ꎬ以便于试验过程的管理并且可作为相应掘进机试验的验证数据ꎮ因此ꎬ该远程监控系统必须具备以下功能[１２]ꎮ①可实现对试验系统全部设备的远程控制ꎻ②可显示、采集与记录掘进机的所有数据ꎻ③可实现数据的保存、显示、查询、调用以及数据的处理与分析ꎻ④可显示掘进机各个视角实时动作与周围环境ꎬ监测设备的实时参数ꎬ并有相应的操作提示ꎻ⑤具有高可靠性与安全性ꎬ具有完备的自我诊断与自我保护功能ꎮ１.２　硬件结构设计根据掘进机远程监控系统的功能需求ꎬ系统由用可编程控制计算机ꎬ远程监控平台ꎬ数据采集器以及组态软件构成ꎮ其中ꎬＰＣＣ作为机载控制系统完成掘进机各基本动作的控制ꎻ通过组态软件完成人机交互界面的搭建以及ＰＣＣ数据的采集、储存与处理工作ꎮ监控系统的组成结构如图１所示ꎮ图１中ＰＣＣ选用的是Ｘ２０系列产品ꎬＰＣＣ相比于传统ＰＬＣ计算能力更强且稳定性更佳ꎬ此系统可以提供各种级别的诊断功能以便于及早发现并处理故障ꎬ其所有输入输出接口电路均采用光电隔离ꎬ可有效抑制外部干扰源对ＰＣＣ的影响[１３]ꎮＰＣＣ在系统中主要承担的任务为掘进机各机构的控制ꎬ以及完成与ＰＣＣ相连的所有传感器测量的数据采集ꎮＰＣＣ与所有的Ｉ/Ｏ及接线全部安装于掘进机电控箱中ꎮ图１　掘进机模拟试验系统监控系统结构Ｆｉｇ.１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍｏｎｉｔｏｒａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｒｏａｄｈｅａｄｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ掘进机远程监控平台由主副２个工控机组成ꎮ选用组态王作为远程监控的组态软件ꎬ组态王可根据用户需求构造所需的数据采集管理系统与远程人机界面ꎬ且可以在ＰＣ工控机平台上进行二次开发[１４]ꎮ主副工控机通过以太网与机载ＰＣＣ相连ꎬ通过贝加莱系统中的ＯＰＣ(ＯＬＥｆｏｒＰｒｏｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ)实现工控机与ＰＣＣ的数据交换ꎬ２个工控机之间可通过局域网进行数据交换与相互控制ꎮ主工控机除连接ＰＣＣ之外同时连接数据采集器与录像机ꎬ可采集所有外置传感器的数据与摄像头采集的所有视频信息ꎮ由于该监控系统采用主副双工控机的控制模式ꎬ且同时与ＰＣＣ相连ꎬ在试验的过程中若主工控机发生故障ꎬ则副工控机可获得系统的控制权ꎬ可保证系统的稳定运行与数据的安全储存ꎮ１.３　软件结构设计监控系统软件结构(图２)主要考虑软件的运行性能、开发成本、开发周期及系统维护等问题ꎮ图２　监控系统软件结构Ｆｉｇ.２　Ｓｏｆｔｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍｏｎｉｔｏｒａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ监控系统中ＰＣＣ与数据采集器直接通过组态软件驱动进行数据采集ꎬ数据的存储同样通过组态９４２０１８年第１２期煤炭科学技术第４６卷软件进行ꎬ同时建立试验数据库以供数据分析与调用ꎮ主副工控机的监控组态软件可以实现数据互通与数据共享ꎮ由于组态王没有提供数据采集器的设备驱动ꎬ因其具有开放的协议ꎬ可利用组态王提供的驱动开发系统进行相应驱动程序的开发[１５]ꎮ监控系统的数据存储选择ＯＤＢＣ的驱动方式与Ａｃｃｅｓｓ数据库ꎮ数据存储完毕ꎬ系统采用主副双工控机的形式ꎬ双工控机可以相互访问各自的变量信息ꎬ主副工控机可以同时存储试验平台的所有状态信息作为备份ꎬ如果主工控机发生故障ꎬ副工控机仍可以记录数据且之前数据仍有备份ꎮ１.４　监控系统人机界面设计监控系统人机界面的设计主要任务为系统中各个控制界面与监测界面的设计ꎬ进行静态操作界面的绘制、动画的制作及界面中各个元素与变量列表的连接ꎬ同时建立各个界面之间的逻辑关系ꎮ基于人机工程学[１６]ꎬ需重点考虑以下２点:１)在满足功能需求的基础上ꎬ尽量使界面简单清晰且易于操作ꎬ尽可能减少冗余界面ꎬ既保证人员操作简便ꎬ也可减少空间占用ꎬ并节约成本ꎮ２)界面切换简易且美观ꎬ设备状态的显示要明显ꎬ颜色设置需符合一般常识ꎮ掘进机试验样机的远程控制可由控制中心通过自动控制算法的计算实现自动控制ꎬ若试验过程中没有智能算法ꎬ通过遥控手柄进行控制更加方便ꎬ遥控手柄如图３所示ꎮ控制信号在光纤上的透明传输ꎬ大幅延长控制距离ꎮ图３　远程遥控手柄按键实物Ｆｉｇ.３　Ｒｅａｌｏｂｊｅｃｔｏｆｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｈａｎｄｌｅｋｅｙ２　掘进机位姿检测精度验证系统文献[３ꎬ１３ꎬ１６]分别提出了基于空间交汇测量技术、超宽带技术与ｉＧＰＳ技术的掘进机位姿测量方法与精度验证分析ꎮ为检验位姿测量精度ꎬ建立了基于绝对测量的高精度掘进机位姿测量验证系统ꎬ如图４所示ꎮ以上要求使人、机器、环境的功能符合操作人员的需求ꎮ监控系统界面逻辑关系如图５所示ꎮ１—掘进机机载矿用高精度角度变送器ꎻ２—机载矿用激光测距仪ꎻ３—高精度双轴倾角仪、手持式激光