張鳳霞

（山西中招招標(biāo)代理有限公司，山西 太原 030053）

引言

我國(guó)目前部分煤礦的掘進(jìn)工作還是以人工作業(yè)為主，掘進(jìn)效率難以得到提高。在掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大濃度的粉塵，導(dǎo)致工作環(huán)境光線昏暗，司機(jī)的視野因?yàn)槭艿较拗齐y以對(duì)截割頭的具體位置作出精準(zhǔn)判斷，極易造成欠挖、超挖等施工問(wèn)題，無(wú)法保證成型巷道的作業(yè)質(zhì)量。而一種懸臂式掘進(jìn)機(jī)可視化輔助截割系統(tǒng)，可引導(dǎo)操作人員進(jìn)行可視化作業(yè)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了視覺(jué)非接觸測(cè)量應(yīng)用技術(shù)，使截割頭的定位難題得以解決，同時(shí)采用了捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)幫助傳感器精準(zhǔn)定位、對(duì)機(jī)身的位姿進(jìn)行準(zhǔn)確感知。

1 輔助可視化截割應(yīng)用系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

懸臂式掘進(jìn)機(jī)可視化輔助截割系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，具體可分為工作面的建模，規(guī)劃軌跡模塊、采集數(shù)據(jù)信息及處理應(yīng)用模塊、解算數(shù)據(jù)模塊、傳感器及顯示圖像模塊和存儲(chǔ)模塊的設(shè)置。

1）掘進(jìn)機(jī)的建模與規(guī)劃軌跡模塊用于搭建掘進(jìn)施工的數(shù)學(xué)運(yùn)算模型，把巷道的斷面種類(lèi)、走向、尺寸、截割技術(shù)等列入模型參數(shù)，再通過(guò)輸入顯示器操作界面的掘進(jìn)機(jī)相關(guān)參數(shù)，即可完成掘進(jìn)機(jī)截割需要規(guī)劃的軌跡，自動(dòng)生成截割作業(yè)路徑，創(chuàng)建起截割頭的補(bǔ)償截割數(shù)學(xué)運(yùn)算模型，結(jié)合截割頭的尺寸、機(jī)身的位姿、截割點(diǎn)的有效變化、巷道的邊界限制、截割運(yùn)行軌跡補(bǔ)償?shù)?，完成截割頭移動(dòng)的真實(shí)軌跡的規(guī)劃，避免巷道產(chǎn)生超挖或欠挖[1]。

2）傳感器的構(gòu)成主要分為超聲波及激光測(cè)量距離傳感器、捷聯(lián)式慣導(dǎo)和測(cè)量視覺(jué)的相關(guān)系統(tǒng)，其中測(cè)量視覺(jué)系統(tǒng)的主要構(gòu)成是紅外16 點(diǎn)LED型標(biāo)靶與除塵防爆相機(jī)，相機(jī)被安裝在掘進(jìn)機(jī)上，LED 紅外標(biāo)靶被安裝在回轉(zhuǎn)臺(tái)附近。通過(guò)前期研究顯示，LED紅外多點(diǎn)標(biāo)靶能夠避免因?yàn)榛覊m多而造成視覺(jué)測(cè)量偏差，一般規(guī)定要將測(cè)量視覺(jué)的準(zhǔn)確度誤差控制在±0.8°上下（垂直式擺角）和±0.5°上下（水平式擺角）[2]。

3）采集信息的處理應(yīng)用模塊主要用于完成超聲波、捷聯(lián)式慣導(dǎo)等應(yīng)用傳感器的數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)采集，并將采集回來(lái)的數(shù)據(jù)信息通過(guò)預(yù)處理，獲取傳感器的輸出量，再將輸出量傳輸至解算數(shù)據(jù)模塊。

4）解算數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊的主要構(gòu)成分為機(jī)身解算定位、截割頭解算定位及其解算軌跡。

5）顯示圖像應(yīng)用模塊主要完成設(shè)置參數(shù)、顯示軌跡、提示控制量、查詢(xún)數(shù)據(jù)內(nèi)容等。

6）存儲(chǔ)應(yīng)用模塊功能的實(shí)現(xiàn)依靠控制器的集成數(shù)據(jù)單元，與數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL 相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道、機(jī)身、截割頭等相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。煤礦懸臂式巷道掘進(jìn)機(jī)輔助可視化截割控制系統(tǒng)依靠捷聯(lián)式慣導(dǎo)對(duì)巷道內(nèi)的掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行定位，再通過(guò)捷聯(lián)式慣導(dǎo)、超聲波與激光組合傳感器對(duì)掘進(jìn)機(jī)的位姿進(jìn)行確定[3]。本模塊根據(jù)紅外圖像標(biāo)靶進(jìn)行定時(shí)圖像信息采集，再通過(guò)對(duì)圖像信息的預(yù)處理獲取截割頭姿態(tài)角，然后將其轉(zhuǎn)化至斷面的坐標(biāo)系中，最終將其顯示在可視化操作界面，為操作者提供準(zhǔn)確、直觀的導(dǎo)引和幫助。

2 系統(tǒng)相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)

采用跨平臺(tái)VS2015+Qt5.8 軟件，以保證數(shù)據(jù)得到實(shí)時(shí)更新，使用多線編程執(zhí)行的方式使軟件具備多種應(yīng)用功能。

主線程序負(fù)責(zé)更新主監(jiān)測(cè)操作界面，其中包括掘進(jìn)機(jī)位姿的實(shí)時(shí)顯示，導(dǎo)引路徑、截割頭處在斷面時(shí)的實(shí)時(shí)位置更新顯示，掘進(jìn)機(jī)欠挖或超挖時(shí)的報(bào)警。該系統(tǒng)輔助1 線程可以通過(guò)攝像機(jī)完成標(biāo)靶圖像的采集，進(jìn)行截割臂的姿態(tài)測(cè)量；輔助2 線程采用通信RS485 模塊完成超聲傳感器的數(shù)據(jù)采集；輔助3 線程采用通信RS485 模塊完成慣導(dǎo)捷聯(lián)數(shù)據(jù)的采集；輔助4 線程采用通信RS485 模塊完成激光傳感器測(cè)距數(shù)據(jù)的采集。各線程之間的信息交互由數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL 負(fù)責(zé)完成，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)信息的傳輸和管理[4]。

按照懸臂式的掘進(jìn)機(jī)輔助可視化截割應(yīng)用系統(tǒng)方案，需要該系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)工況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的采集及計(jì)算，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示，以及完成各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可查詢(xún)的功能等，如圖1所示。

圖1 可視界面的功能

該系統(tǒng)采用捷聯(lián)式慣導(dǎo)、超聲波和激光組合傳感器對(duì)巷道掘進(jìn)機(jī)位姿進(jìn)行精準(zhǔn)定位，通過(guò)測(cè)量視覺(jué)系統(tǒng)獲取截割頭位于機(jī)身的準(zhǔn)確位置，然后利用轉(zhuǎn)換坐標(biāo)對(duì)截割頭巷道對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行查找，最終在顯示器上按相應(yīng)比例加以顯示。

在該系統(tǒng)1 區(qū)域通過(guò)動(dòng)態(tài)圖形化顯示的辦法對(duì)巷道掘進(jìn)機(jī)的位置進(jìn)行精準(zhǔn)顯示，其中包括顯示掘進(jìn)機(jī)跟前方及其兩側(cè)煤壁相差距離、掘進(jìn)機(jī)機(jī)身偏航角。在系統(tǒng)2 區(qū)域?qū)崿F(xiàn)模擬巷道的顯示，同時(shí)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割規(guī)劃路徑加以顯示，通過(guò)動(dòng)態(tài)橢圓圖形對(duì)截割頭的運(yùn)行軌跡進(jìn)行顯示，完成截割作業(yè)輔助性的導(dǎo)引幫助。在系統(tǒng)3 區(qū)域展示機(jī)身姿態(tài)角和機(jī)身與兩側(cè)煤壁的差距，同時(shí)以動(dòng)態(tài)圖形化的形式加以顯示。在系統(tǒng)4 區(qū)域如果發(fā)現(xiàn)2 區(qū)域出現(xiàn)截割頭運(yùn)行軌跡超越模擬巷道的邊界標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)指示燈進(jìn)行報(bào)警，直至截割頭修正軌跡并符合邊界標(biāo)準(zhǔn)為止。在系統(tǒng)5 區(qū)域通過(guò)經(jīng)緯度的對(duì)比對(duì)掘進(jìn)機(jī)所處位置進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示[5]。

3 測(cè)試驗(yàn)證

3.1 截割頭的定位功能測(cè)試

相機(jī)距離LED 紅外標(biāo)靶170 cm，采取內(nèi)參定相機(jī)的辦法獲取到相機(jī)的內(nèi)參數(shù)，其中主像素點(diǎn)為（617.68，512.234），焦距是5.116 mm。本論文通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證截割頭處于動(dòng)態(tài)與靜態(tài)測(cè)量視覺(jué)的效果。

1）關(guān)于對(duì)截割頭進(jìn)行的視覺(jué)靜止測(cè)試。當(dāng)截割頭處于靜止時(shí)，在每隔100 ms 就進(jìn)行一張圖片采集，圖2 是將圖片完成處理后的結(jié)果展示。

圖2 靜止截割頭視覺(jué)的測(cè)試變化結(jié)果

通過(guò)圖2 可以看到，當(dāng)截割頭處于靜止時(shí)，抬升角在測(cè)量視覺(jué)時(shí)的跳動(dòng)不會(huì)超過(guò)0.3°，回轉(zhuǎn)角的跳動(dòng)不會(huì)超過(guò)0.25°，符合輔助可視化截割應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

2）關(guān)于對(duì)截割頭視覺(jué)運(yùn)動(dòng)的測(cè)試。要檢測(cè)輔助可視化截割應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性，主要通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下截割頭視覺(jué)方面的性能情況測(cè)試加以確定。在截割頭處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，每隔100 ms 進(jìn)行一次圖片采集，首先需將截割頭保持垂直的方向靜止不動(dòng)，再操作其截割頭從右至左勻速擺動(dòng)[6]。測(cè)試中回轉(zhuǎn)角的擺動(dòng)角度曲線變化平滑，并呈線性運(yùn)動(dòng)。對(duì)其擺角進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，同樣采用每間隔100 ms 進(jìn)行一張圖片采集，此時(shí)保持截割頭的回轉(zhuǎn)角不變，再通過(guò)截割頭由上至下的方式運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行圖像采集，要求截割頭與抬升角所擺動(dòng)的角度保持一致，變化曲線平滑，呈線性運(yùn)動(dòng)關(guān)系，具有較好的穩(wěn)定性。

3.2 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)性能試驗(yàn)

1）九軸的捷聯(lián)式慣導(dǎo)相關(guān)靜置測(cè)試。為了達(dá)到降低對(duì)捷聯(lián)式慣導(dǎo)的影響作用，在其防爆殼內(nèi)用厚度為5 mm的硅膠墊將捷聯(lián)式慣導(dǎo)固定好，然后啟動(dòng)捷聯(lián)式慣導(dǎo)，靜置1 min 以后，開(kāi)始進(jìn)行姿態(tài)角信息數(shù)據(jù)的采集，時(shí)間為10 min，其中俯仰角和橫滾角的變化都不超過(guò)0.4°，航向角所發(fā)生的變化不超過(guò)0.2°。通過(guò)以上測(cè)試可以看到，九軸的捷聯(lián)式慣導(dǎo)各項(xiàng)性能可靠、穩(wěn)定，符合系統(tǒng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求[7]。

2）捷聯(lián)式慣導(dǎo)相關(guān)動(dòng)態(tài)測(cè)試。在高精度自由旋轉(zhuǎn)臺(tái)上固定九軸的捷聯(lián)式慣導(dǎo)，需待方位臺(tái)正轉(zhuǎn)至2°、捷聯(lián)式慣導(dǎo)停穩(wěn)再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，需要進(jìn)行21個(gè)組次的連續(xù)性采集。測(cè)試結(jié)果顯示，航向角所發(fā)生的變化能夠符合輔助可視化截割機(jī)運(yùn)行工作的精準(zhǔn)度要求。

4 結(jié)論

1）在截割頭處于靜止?fàn)顟B(tài)下，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)抬升角只限于在不超過(guò)0.3°的范圍跳動(dòng)，而回轉(zhuǎn)角在不超過(guò)0.25°的范圍跳動(dòng)；當(dāng)截割頭運(yùn)行時(shí)，截割頭的擺動(dòng)趨勢(shì)與測(cè)量結(jié)果相符，其運(yùn)動(dòng)曲線呈線性關(guān)系，具有良好的穩(wěn)定性能。

2）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的機(jī)身保持不動(dòng)時(shí)，其俯仰角與橫滾角都不超過(guò)0.4°，而航向角則在不超過(guò)0.2°的范圍變化。在動(dòng)態(tài)測(cè)試中，其航向角的曲線變化與旋轉(zhuǎn)臺(tái)方位角的曲線變化表現(xiàn)為斜率一致。

3）通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，該系統(tǒng)的截割運(yùn)行軌跡和報(bào)警提示功能穩(wěn)定可靠，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求。