田原

(1. 中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2. 山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

掘進(jìn)工作面是煤礦井下作業(yè)環(huán)境最惡劣、事故發(fā)生率最高、作業(yè)人員最密集的場(chǎng)合之一，截割過程中產(chǎn)生的大量粉塵、噪音和安全隱患均對(duì)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化提出了迫切的要求，其中掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)成為關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。以掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)為基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)斷面監(jiān)視和自動(dòng)截割，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

標(biāo)準(zhǔn)GB 50213—2010 《煤炭井巷工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中規(guī)定“井巷掘進(jìn)坡度偏差不得超過±1‰”，“基礎(chǔ)掘進(jìn)斷面規(guī)格的允許偏差為-25 mm～+150 mm”[2]，這一偏差指的是最終成型偏差，包含檢測(cè)偏差和執(zhí)行偏差等部分。考慮到掘進(jìn)機(jī)裝配精度、惡劣工況等因素，通常在執(zhí)行環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生較大偏差，因此，掘進(jìn)機(jī)定位檢測(cè)精度應(yīng)達(dá)到厘米級(jí)，姿態(tài)和航向檢測(cè)精度應(yīng)達(dá)到角分級(jí)。

視覺導(dǎo)航技術(shù)屬于基于光電技術(shù)的導(dǎo)航技術(shù)中的一類，其特點(diǎn)是導(dǎo)航系統(tǒng)分為兩部分：一部分作為檢測(cè)裝置如工業(yè)攝像機(jī)固定在巷道基準(zhǔn)中；一部分作為信號(hào)發(fā)射裝置配置在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上隨機(jī)身一起運(yùn)動(dòng)，或者反之，固定單元以經(jīng)過標(biāo)定的激光指向儀光束為基準(zhǔn)，獲取運(yùn)動(dòng)單元即掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的空間位置姿態(tài)，隨著巷道的延伸而定期向前移位，是一種相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)檢測(cè)[3-8]。在煤礦井下應(yīng)用時(shí)，雖然存在一定的環(huán)境適應(yīng)性問題，但視覺導(dǎo)航技術(shù)因其具有技術(shù)成熟、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。視覺導(dǎo)航技術(shù)的關(guān)鍵是圖像處理和識(shí)別、導(dǎo)航解算等技術(shù)，其特點(diǎn)是海量數(shù)據(jù)的傳輸和處理。傳統(tǒng)的視覺導(dǎo)航技術(shù)以工控機(jī)為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，便攜性差，在煤礦井下應(yīng)用時(shí)，這一問題尤為突出。

嵌入式技術(shù)方面，作為一種數(shù)字圖像、視頻、語音、音頻信號(hào)處理的新平臺(tái)，達(dá)芬奇技術(shù)集成了具有通用處理器功能的ARM 和具有高速處理功能的DSP，兩者有效結(jié)合，非常適合進(jìn)行音視頻處理，可以很好地迎合市場(chǎng)上對(duì)高性能、實(shí)時(shí)的、移動(dòng)數(shù)字媒體需求，有著廣泛的市場(chǎng)前景。同時(shí)在視頻監(jiān)控[9]、目標(biāo)識(shí)別[10]及智能跟蹤等領(lǐng)域，如何將嵌入式終端采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)端上位機(jī)進(jìn)行處理也是一個(gè)迫切需要解決的問題。文獻(xiàn)[11]～[14]均采用基于達(dá)芬奇技術(shù)系列芯片DM3730 處理器的解決方案，通過實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)采集、處理、編碼和傳輸，實(shí)現(xiàn)了不同的智能監(jiān)控功能。

為了使掘進(jìn)機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)小型化、集成化，提高其可靠性以便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在基于PC平臺(tái)的掘進(jìn)機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[15]，開發(fā)了基于ARM Cortex A8 CPU內(nèi)核的集工業(yè)攝像機(jī)與圖像采集分析系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)扔谝惑w的嵌入式平臺(tái)，并將基于Windows平臺(tái)，利用Visual C++開發(fā)的系統(tǒng)軟件移植到嵌入式平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)視覺導(dǎo)航的功能。

1 嵌入式掘進(jìn)機(jī)空間位姿檢測(cè)系統(tǒng)組成

嵌入式掘進(jìn)機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)由導(dǎo)航儀以及光靶兩部分組成，如圖1所示。光靶布置在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上，由9個(gè)特征光源按照“田”字形排布形成，用于強(qiáng)化掘進(jìn)機(jī)空間幾何特征。導(dǎo)航儀固定在掘進(jìn)機(jī)后方巷道頂板上，用于確定檢測(cè)基準(zhǔn)并獲取光靶的圖像，對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并計(jì)算導(dǎo)航儀與光靶之間的相對(duì)空間位置和姿態(tài)，從而獲得掘進(jìn)機(jī)相對(duì)巷道設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的空間位置和姿態(tài)。嵌入式平臺(tái)包含在導(dǎo)航儀中，由圖像采集單元、數(shù)據(jù)分析單元(CPU)、存儲(chǔ)單元、無線數(shù)傳單元、電源單元、輸入輸出單元以及系統(tǒng)軟件等組成，用于采集并分析處理工業(yè)攝像機(jī)獲取的光靶圖像，解算掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航參數(shù)并無線上傳至機(jī)載上位機(jī)。機(jī)載上位機(jī)實(shí)時(shí)接收來自導(dǎo)航儀的掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航數(shù)據(jù)，用于掘進(jìn)機(jī)遙控或掘進(jìn)機(jī)斷面監(jiān)視系統(tǒng)。

圖1 嵌入式掘進(jìn)機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 掘進(jìn)機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)嵌入式平臺(tái)硬件開發(fā)

為提高性能，縮小體積，掘進(jìn)機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)嵌入式平臺(tái)采用“處理單元(CPU)+存儲(chǔ)器(MCP)+電源管理(PMIC)”最小系統(tǒng)模塊AP Module，配合一系列外擴(kuò)芯片，實(shí)現(xiàn)視頻采集和通信等功能。

2.1 AP 模塊

AP模塊(Jorjin ATBN441JS)使用德州儀器(TI)ARM Cortex A8 CPU內(nèi)核的 MPU DM3730，4GB DDR+4GB NAND Flash 的存儲(chǔ)器和高性能的電源管理芯片TPS65950 構(gòu)建最小系統(tǒng)。DM3730微處理器由1GHz的ARM Cortex-A8 Core和800 MHz的TMS320C64x+ DSP Core兩部分組成，并集成了3D圖形處理器、視頻加速器(IVA)、USB 2.0、支持MMC/SD卡、串口等。ARM Cortex-A8處理器是基于ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，用于多媒體和信號(hào)處理。相較于ARM11架構(gòu)，Cortex-A8采用“雙指令執(zhí)行”(dual-issue超標(biāo)量)設(shè)計(jì)，每個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行兩個(gè)指令。MCP是AP模塊的存儲(chǔ)芯片，是NAND Flash 與 SDRAM DDR 二合一的存儲(chǔ)用芯片,大小均為512 MB,NAND Flash 通過GPMC總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問，而 DDR則使用 SDRAM Controller(SDRC)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問。

2.2 外擴(kuò)芯片

外擴(kuò)芯片包括LAN9514、WG7310、TRS3253E、MAX3485、TVP5146M2等，主要用于IO接口擴(kuò)展。

1) LAN9514 是一個(gè)高性能的高速USB 2.0集線器和 10/100以太網(wǎng)控制器。它可作為一種高性能、低成本 USB/以太網(wǎng)和 USB/USB 連接解決方案，并包含下行USB 接口和一個(gè)以太網(wǎng)口。它還整合了上行鏈路的USB 2.0 PHY、一個(gè) 10/100 以太網(wǎng) PHY、一個(gè) 10/100 以太網(wǎng)控制器、 TAP 控制器和 EEPROM 控制器。嵌入式圖像處理平臺(tái)可通過直通網(wǎng)線連接到網(wǎng)絡(luò) hub 上，也可用交叉網(wǎng)線與PC直接相連。

2) 板載(Wi-Fi+FM+BT)三合一通信模塊WG7310-0A是集成 Wi-Fi、BlueTooth 和 FM 的系統(tǒng)級(jí)封裝模塊。基于德州儀器 WL1271的 Wi-Fi(IEEE 802.11b/g/n)與 BT(V2.1+ EDR)的解決方案，提供Wi-Fi 和 BT共存互操作性和節(jié)能技術(shù)。

3) TRS3253E 支持 3 路發(fā)送信號(hào)和 5 路接收信號(hào)的 RS-232 接口設(shè)備， 對(duì)于混合電平信號(hào)有各自獨(dú)立的電源引腳。TRS3253E 適用于不同電平平臺(tái)串口輸出，可以兼容 1.8V 輸入/3.3V 輸入，RS-232 電平輸出，可以直接通過串口線連接PC。

4) MAX3485是一個(gè)可在惡劣環(huán)境中工作的低功耗RS-485/RS-422標(biāo)準(zhǔn)收發(fā)器。收發(fā)器的每個(gè)輸入和輸出端口都具有ESD保護(hù)防鎖閉結(jié)構(gòu)，它包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器：驅(qū)動(dòng)器具有短路電流保護(hù)功能，并可通過熱關(guān)斷電路使輸出為高阻態(tài)來防止額外的功耗；接收器具有一個(gè)自動(dòng)防故障裝置的特性，保證輸入開路時(shí)輸出一個(gè)邏輯高電位。芯片為限回轉(zhuǎn)率的收發(fā)器，具有使電磁干擾(EMI)最小化和減小錯(cuò)誤終端電纜引起的反射的特性。允許無誤差數(shù)據(jù)的傳輸速率大于250 kbit/s。

5) TVP5146M2是一款專業(yè)的數(shù)字視頻解碼芯片，可以將模擬視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換為數(shù)字組合視頻。它能將NTSC、PAL、SECAM視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字分量視頻信號(hào)，適用于便攜式、高質(zhì)量和高性能的視頻產(chǎn)品，比如個(gè)人視頻設(shè)備、數(shù)字電視移動(dòng)電話電視等。

2.3 硬件接口

掘進(jìn)機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)嵌入式平臺(tái)接口包括電源輸入接口(U12)、TF卡接口(P1402)、串口接口(CN1、CN3)、RGB接口(CONN4)、以太網(wǎng)接口(L4)、天線接口(TRX1)、攝像頭信號(hào)輸入(TRX2)、RS-485接口(U10)、USB HOST接口(CN4、CN6、CN7、CN8)、按鍵(S401、S402)等。

3 掘進(jìn)機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)嵌入式平臺(tái)軟件開發(fā)

軟件基于Linux 2.6.37開發(fā)，需要在掘進(jìn)機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)嵌入式平臺(tái)上完成圖像循環(huán)采集、預(yù)處理、動(dòng)態(tài)二值化、目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別、多目標(biāo)自動(dòng)匹配、導(dǎo)航參數(shù)解算及無線傳輸、相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)等功能。基于上述要求，軟件主程序主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：

1)控制攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像。

2)以不低于10幀/s的速度分析處理圖像數(shù)據(jù)。

3)通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

軟件主程序包括圖像分析處理線程和服務(wù)器線程等線程，其流程分別如圖2～4所示。除主程序外，還設(shè)計(jì)了PC輔助調(diào)試程序，其流程如圖5所示。

圖2 主程序流程

圖3 圖像處理線程

圖4 服務(wù)器線程

圖5 調(diào)試服務(wù)器線程

該程序主要用來測(cè)試嵌入式平臺(tái)程序運(yùn)行結(jié)果，通過和平臺(tái)采集傳輸程序建立socket通信，發(fā)送和接收相關(guān)數(shù)據(jù)，在界面上刷新相關(guān)信息，可觀察采集傳輸程序運(yùn)行結(jié)果。

4 掘進(jìn)機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)嵌入式平臺(tái)性能測(cè)試

4.1 硬件環(huán)境搭建

用串口通信線連接嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試串口和PC串口(或使用USB轉(zhuǎn)串口連接線)。將VGA輔助模塊用50PIN FFC排線連接到嵌入式平臺(tái)，VGA接口連接到VGA顯示器。插入帶有系統(tǒng)映象的TF卡。與上位PC機(jī)通過無線路由器連接，采用路由器動(dòng)態(tài)分配的網(wǎng)絡(luò)地址方法，在該測(cè)試中嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)地址為 192.168.0.105，PC 端的網(wǎng)絡(luò)地址為 192.168.0.106。連接5 V電源適配器到嵌入式系統(tǒng)。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

嵌入式平臺(tái)實(shí)物如圖6所示。測(cè)試中使用PC 端作為服務(wù)器端，嵌入式系統(tǒng)作為客戶端。試驗(yàn)結(jié)果表明,嵌入式平臺(tái)能在60 m距離范圍內(nèi)滿足幀率為10幀/s，分辨率為768×576的圖像實(shí)時(shí)采集、分析以及導(dǎo)航數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳的要求。

圖6 嵌入式圖像處理平臺(tái)實(shí)物

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于ARM Cortex-A8處理器、TVP5146模擬攝像頭模塊、WG7310-0A通信模塊的掘進(jìn)機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)嵌入式平臺(tái)，給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原理及軟件的設(shè)計(jì)流程。嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了圖像采集、預(yù)處理、圖像分析、導(dǎo)航參數(shù)解算和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)裙δ?，它與工業(yè)攝像機(jī)、電源模塊等集成于同一個(gè)隔爆殼體內(nèi)，使其小型化便于安裝。測(cè)試結(jié)果表明，該嵌入式平臺(tái)能滿足10幀/s，分辨率為768×576的圖像實(shí)時(shí)采集、分析以及導(dǎo)航數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳的要求。