趙 力，趙 靜，張 揚

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)在各種土方的開采中，大約有65%~70%的土方量是由挖掘機單獨來完成的[1]，挖掘機采用常規(guī)作業(yè)模式，駕駛員利用手柄操作機械臂，完成作業(yè)中的前進、提升、推壓及回轉(zhuǎn)等操作，在視野范圍內(nèi)無法獲得深處的挖掘狀態(tài)，駕駛員僅靠現(xiàn)場經(jīng)驗進行挖掘，無法實時了解挖掘機作業(yè)狀態(tài)，且作業(yè)場地和環(huán)境惡劣[2]，導(dǎo)致駕駛員作業(yè)效率低、質(zhì)量差。傳統(tǒng)的經(jīng)驗型挖掘方式對駕駛員的依賴性很高，特別是在惡劣環(huán)境時人工測量存在更大的誤差和危險性[3]。傳統(tǒng)卡車調(diào)度系統(tǒng)中裝車識別的判斷是通過卡車定位區(qū)域和挖掘機定位區(qū)域的范圍作為裝車判定條件判斷是否裝車，由于無法判斷挖掘機的作業(yè)狀態(tài)，導(dǎo)致裝車識別誤判的狀況。

近年來，挖掘機的挖掘效率在礦山開采中發(fā)揮著重要作用，其工況研究一直是共同研究的熱點[4]。隨著“十三五”專項規(guī)劃[5]提出的生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)型升級，智慧化礦山的建設(shè)也是礦山行業(yè)轉(zhuǎn)型升級所需。本文結(jié)合卡車調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺，利用智能傳感網(wǎng)絡(luò)[6-7]綜合分析研究挖掘機作業(yè)工況，通過現(xiàn)場姿態(tài)分析和卡車調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合運算，使駕駛員實時掌握挖掘機的運行狀態(tài)，預(yù)警違規(guī)操作，提升駕駛員的操作水平，進而提高裝車質(zhì)量和效率[8-9]。利用卡車調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺和智能傳感網(wǎng)絡(luò)對挖掘機作業(yè)狀態(tài)的分析，給出卡車調(diào)度系統(tǒng)裝車條件的判定依據(jù)，解決卡車調(diào)度系統(tǒng)中裝車判斷的難題，為系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)處理和分析提供可靠依據(jù)。

1 卡車調(diào)度系統(tǒng)和挖掘機工況分析

目前，露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)的組成主要由B/S 報表平臺、C/S 操作平臺、通信網(wǎng)絡(luò)及車載設(shè)備終端等組成[10-11]。B/S 報表平臺是礦山生產(chǎn)數(shù)據(jù)以報表的形式進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理和查詢，其中包括報表系統(tǒng)模塊、生產(chǎn)計劃管理模塊等；C/S 操作平臺是對礦山生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控和調(diào)度，其中包括二維顯示模塊、生產(chǎn)控制模塊等；通信網(wǎng)絡(luò)為卡車調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺和裝載設(shè)備相互通信提供通信平臺；裝載設(shè)備的終端主要功能是為卡車調(diào)度系統(tǒng)平臺提供礦山生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其中包括GNSS 高精數(shù)據(jù)定位、車輛生產(chǎn)相關(guān)信息數(shù)據(jù)的傳輸、生產(chǎn)設(shè)備的各種信號信息采集等功能。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘機工況狀態(tài)在卡車調(diào)度系統(tǒng)中應(yīng)用，首先要了解挖掘機的作業(yè)狀態(tài)。如圖1 所示，挖掘機主要有發(fā)動機、液壓系統(tǒng)、工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、行走裝置和電器控制等組成[12]，其中工作裝置由大臂、小臂和鏟斗組成，回轉(zhuǎn)裝置控制挖掘機旋轉(zhuǎn)，使工作裝置朝向不同方向作業(yè)。

圖1 挖掘機工作裝置模型圖

挖掘機的作業(yè)過程主要包括以下幾個步驟：

挖掘：通過工作裝置的大臂、小臂和鏟斗的組合運動，實現(xiàn)鏟斗進入物料和裝載物料。

一般情況下挖掘機利用鏟斗液壓缸或小臂液壓缸進行獨立挖掘，或二者的聯(lián)合作業(yè)。在作業(yè)過程中主要為鏟斗和小臂的組合運動，有時需大臂進行配合作業(yè)。平地或斜坡作業(yè)時，需同時操作大臂和小臂，使鏟斗的斗尖沿直線運動（圖2），當(dāng)小臂收回和大臂抬起時，小臂和大臂分別由獨立的液壓系統(tǒng)控制，保證二者的運動相互獨立且易于控制，使鏟斗保持一定角度并按一定運動軌跡進行操作，或用鏟斗平整路面時需大臂、小臂、鏟斗三者同時運動完成組合動作（圖3）。

圖2 鏟斗的斗尖直線運動

圖3 鏟斗平面作業(yè)和傾斜角作業(yè)

滿斗回轉(zhuǎn)：鏟斗裝滿物料時需上移大臂，通過回轉(zhuǎn)裝置使工作裝置朝向卸載位置。

采掘完成后，大臂液壓系統(tǒng)將大臂抬起，滿斗提升，同時回鉆裝置旋轉(zhuǎn)使整個挖掘機轉(zhuǎn)臺移動到卸載處，此時需要大臂和回轉(zhuǎn)裝置的組合運動。大臂提升和回轉(zhuǎn)裝置一起運動時，需二者速度的配合，當(dāng)回轉(zhuǎn)裝置抵達卸載位置處時，大臂和鏟斗提升到需卸載的高度。由于裝卸時回轉(zhuǎn)的角度和載重車輛的高度不同，大臂提升速度和回轉(zhuǎn)速度的運動關(guān)系根據(jù)裝卸情況進行調(diào)整，即裝載回轉(zhuǎn)角度大時需回轉(zhuǎn)速度小，而此時大臂提升速度就需要慢。

物料卸載：挖掘機旋轉(zhuǎn)到卸載位置后停止，通過小臂調(diào)節(jié)卸載半徑，鏟斗翻轉(zhuǎn)后卸載完成。即利用鏟斗液壓系統(tǒng)和小臂的運動完成卸載，同時還需要大臂的間接配合移動到卸載位置。

回位：鏟斗卸載完畢后，回轉(zhuǎn)裝置反轉(zhuǎn)，大臂和小臂配合，回到挖掘位置。

卸載結(jié)束后轉(zhuǎn)臺反向回轉(zhuǎn)，同時大臂和小臂液壓系統(tǒng)相互配合動作，把空鏟斗放到下一個采掘處。此工況是回轉(zhuǎn)、大臂和小臂的組合動作。

行走：在行進的過程中有時要求回轉(zhuǎn)裝置、大臂、小臂和鏟斗組合動作進行前行或后退。

目前，在國內(nèi)露天礦山中，常見用液壓挖掘機給卡車裝車，對設(shè)備效率、司機效率分析時需要應(yīng)用卡車的裝車時間。為了準(zhǔn)確地判斷裝車的開始時間和結(jié)束時間，需要分析挖掘機的裝車動作，引入智能傳感網(wǎng)絡(luò)對挖掘機進行姿態(tài)識別，所以需要結(jié)合挖掘機的工況分析來判斷裝車狀態(tài)。國內(nèi)外基本都是單一的對挖掘機工況進行研究，針對其他系統(tǒng)的融合及多系統(tǒng)聯(lián)動缺乏研究[10]，挖掘機工況研究結(jié)合卡車調(diào)度系統(tǒng)在現(xiàn)場實際的應(yīng)用，更能夠提升卡車調(diào)度系統(tǒng)在露天礦山生產(chǎn)中的應(yīng)用價值。

2 挖掘機工況識別原理及研究

由挖掘機工況分析可知挖掘機工況一般是由車身、大臂、小臂和鏟斗的組合動作完成，基本是車身旋轉(zhuǎn)、大臂升降、小臂升降和鏟斗動等姿態(tài)進行研究[13]。利用CAN通信方式完成智能傳感器網(wǎng)絡(luò)與卡車調(diào)度系統(tǒng)終端通信，將采集挖掘機車身、大臂、小臂、鏟斗及多組合作業(yè)信息傳輸?shù)酵诰驒C終端，通過挖掘機終端軟件的運算，完成挖掘機的采掘、滿斗回轉(zhuǎn)、卸載和回位姿態(tài)監(jiān)測[14]。

2.1 挖掘工況模型

挖掘機主要作業(yè)姿態(tài)包括大臂運動、小臂運動、鏟斗運動或多種情況組合運動，通過卡車調(diào)度系統(tǒng)的終端系統(tǒng)計算出挖掘機的大臂軸心A 的三維坐標(biāo)，車身固定時，其作業(yè)姿態(tài)可看作一個平面進行運算[15-16]。如圖4 挖掘機示意圖，首先假定大臂軸心A 為固定點，已知大臂的長度LAB、智能傳感器網(wǎng)絡(luò)計算出大臂與車身水平面的夾角α，利用笛卡爾直角坐標(biāo)系計算出B 點坐標(biāo)，當(dāng)大臂提升或下降時，B 點坐標(biāo)相應(yīng)的變化，此時終端平臺可計算出大臂運動姿態(tài)。同理以B 點為固定點時終端計算出小臂的運動姿態(tài)，以此類推終端利用智能傳感器網(wǎng)絡(luò)可計算出C 點坐標(biāo)和D 點坐標(biāo)。

圖4 挖掘機簡化結(jié)構(gòu)示意圖

因此將挖掘機視為一個連桿裝置，將機身、大臂（A至B）、小臂（B 至C）和鏟斗（C 至D）的節(jié)點建立直角坐標(biāo)系，如圖5 所示。

圖5 挖掘機連桿裝置直角坐標(biāo)系

鏟斗C 的位置由大臂和水平夾角α、大臂和小臂的夾角β、鏟斗D 的位置由小臂和鏟斗夾角γ 決定，要實現(xiàn)實時監(jiān)測挖掘機作業(yè)姿態(tài)，智能傳感器網(wǎng)絡(luò)可以給出α、β 和γ 數(shù)值，再利用卡車調(diào)度系統(tǒng)的參數(shù)，即可實現(xiàn)大臂、小臂、鏟斗及它們組合作業(yè)坐標(biāo)的計算。

2.2 回轉(zhuǎn)工況模型

挖掘機的終端定位采用RTK 技術(shù)，將基準(zhǔn)站采集的載波相位通過通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下發(fā)給終端系統(tǒng)的高精定位模塊，利用載波相位差分技術(shù)，定位單元接收到衛(wèi)星載波相位和基準(zhǔn)站的載波相位組成相位差分觀測值進行運算處理，最后計算出高精定位模塊的差分坐標(biāo)[17-18]，通過現(xiàn)場校驗，定位精度≤10cm，定位精度和實時性滿足本文的研究要求。

挖掘機軸心坐標(biāo)采用GNSS 雙天線定位單元實現(xiàn)[19]，雙天線定位單元包含兩個GNSS 定位模塊（A 模塊和B模塊），A 模塊通過接收定位基準(zhǔn)站差分數(shù)據(jù)進行RTK定位，同時A 模塊把原始數(shù)據(jù)發(fā)給B 模塊，B 模塊根據(jù)A模塊和B 模塊的原始數(shù)據(jù)解算出兩個天線的方位角，利用方位角和已知距離計算出大臂的軸心坐標(biāo)。原理如圖6 所示，X、Y 為笛卡爾平面坐標(biāo)系的兩個坐標(biāo)軸，取第一象限為例，假定點AZ為A 模塊天線接收到的坐標(biāo)，即AZ（XA，YA），點BZ為B 天線接收到的坐標(biāo)，即BZ（XB，YB），點CZ（XC，YC）為大臂軸心坐標(biāo)，已知? 可根據(jù)公式計算獲得：

圖6 大臂軸心笛卡爾平面坐標(biāo)系

然后通過余弦定理可以計算出挖掘機的笛卡爾平面坐標(biāo)CZ（XC，YC），最后A 模塊和B 模塊天線水平線與挖掘機軸心的夾角，結(jié)合A 模塊天線的高程計算出挖掘機的軸心坐標(biāo)CZ（XC，YC）的高程HC。

挖掘機作業(yè)時的回轉(zhuǎn)速度可達10r~12r/min，實際作業(yè)時回轉(zhuǎn)角度一般為70°~120°，相應(yīng)時間大約3s~6s，平均回轉(zhuǎn)速度大約每秒20°，瞬間回轉(zhuǎn)速度每秒0°到50°，可知挖掘機的回轉(zhuǎn)速度0~8r/min，根據(jù)此旋轉(zhuǎn)速度利用角度測量儀和陀螺儀測量角度的測量挖掘機旋轉(zhuǎn)角度的誤差較大。通過綜合分析，結(jié)合卡車調(diào)度系統(tǒng)終端的GNSS 定位模塊位移的變化，再利用余弦定理計算回旋角度ω，進而可得挖掘機回轉(zhuǎn)角度及回轉(zhuǎn)速度，如圖7 所示。根據(jù)式（2）和圖6 計算出挖掘機軸心坐標(biāo)z（圖7），GNSS 定位模塊中任一個模塊的定位坐標(biāo)a，車身旋轉(zhuǎn)時得到定位坐標(biāo)a1，然后通過余弦定理計算出旋轉(zhuǎn)角度ω。而a 到a1位移的變換時間△t 由GNSS 定位模塊可知，挖掘機的回轉(zhuǎn)速度亦可知。挖掘機回轉(zhuǎn)角度和速度的計算為卡車調(diào)度系統(tǒng)裝車識別和裝車時間的統(tǒng)計提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖7 挖掘機回轉(zhuǎn)角度的笛卡爾平面坐標(biāo)

2.3 車身姿態(tài)模型

常用的姿態(tài)解算有歐拉角法、方向余弦法和四元數(shù)法，通過實踐證明，露天礦挖掘機的車身姿態(tài)運算需明確定位模塊的坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系的角位置關(guān)系，采礦過程中挖掘機水平姿態(tài)角度變換不大、俯仰角不可能接近90°，利用歐拉角微分方程可計算出挖掘機的航向角、俯仰角及橫滾角[20]。

定位模塊坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間的關(guān)系利用歐拉角法進行三次按照航向角、俯仰角及橫滾角順序轉(zhuǎn)換，如圖8 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換所示。

圖8 定位模塊坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換圖示

定位模塊坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間的關(guān)系如圖8 所示，坐標(biāo)系O-XdYdZd為地理坐標(biāo)系，Xn軸、Yn軸分別 指向水平東方向和北方向、Zn軸垂直于地面向上；坐標(biāo)系OXbYbZb為定位模塊坐標(biāo)系，Xb軸指向挖掘機右側(cè)、Yb軸指向挖掘機行進方向、Zb軸指向垂直于挖掘機向上。

從大地坐標(biāo)系到載體挖掘機坐標(biāo)系的變換矩陣：

若挖掘機坐標(biāo)系相對地球坐標(biāo)系的角度向量為φ，依據(jù)“航向角、俯仰角及橫滾角”的順序矢量則φ 為ρ、σ、τ 三個矢量和，其中航向軸角矢量為ρ、俯仰軸角矢量為σ和橫滾軸角矢量為τ。

依據(jù)公式4 推導(dǎo)出：

即當(dāng)前時刻的歐拉角為：

在終端系統(tǒng)中采樣時間設(shè)置為0.01s，通過現(xiàn)場的實際姿態(tài)動作中系統(tǒng)界面的“俯視圖”狀態(tài)顯示相吻合，歐拉角法符合本文的研究需求。

2.4 礦內(nèi)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

利用卡車調(diào)度系統(tǒng)對挖掘機工況進行研究時，首先需把GNSS 定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成礦區(qū)坐標(biāo)，坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換需要根據(jù)項目實際情況而定，本項目研究的礦區(qū)采用54 坐標(biāo)系，且礦區(qū)7 個轉(zhuǎn)換參數(shù)（△X0、△Y0、△Z0、△μ、θX、θY、θZ）已知，可利用公式（8）求得礦區(qū)挖掘機定位坐標(biāo)，在卡車調(diào)度系統(tǒng)平臺二維地圖顯示[21]。

2.5 挖掘機模擬測試

為了滿足現(xiàn)場的實際需求，需進行模擬測試，通過智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的運動曲線測試即可確定本文研究是否滿足現(xiàn)場的實際應(yīng)用，如圖9 至圖13 為以挖掘機大臂姿態(tài)監(jiān)測為例的運動曲線圖。圖9 和圖10 為模擬測試大臂傾斜時角度測量傳感器向后10°和向前10°來回動作各20次、圖11 和圖12 大臂向左運動20°和向右20°各動作20次及圖13 大臂角度極限角度測試20 次，通過測試數(shù)據(jù)可判斷智能傳感網(wǎng)絡(luò)采集和運算滿足現(xiàn)場實際的需求，可進行現(xiàn)場實際應(yīng)用研究。

圖9 大臂車體向后傾斜10°測試

圖10 大臂車體前傾斜10°測試

圖11 大臂車體右傾斜20°測試

圖12 大臂車體左傾斜20°測試

圖13 大臂角度極限角度測試數(shù)據(jù)

3 挖掘機工況功能實現(xiàn)

3.1 挖掘機工況研究的整體架構(gòu)

通過挖掘機工況現(xiàn)狀分析和工況識別的研究，卡車調(diào)度系統(tǒng)平臺采集和處理分析挖掘機的各姿態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)信息，其中包括車身的定位數(shù)據(jù)，車身、大臂、小臂及鏟斗數(shù)據(jù)信息，最終顯示在系統(tǒng)平臺上。挖掘機工況研究應(yīng)用開發(fā)采用C-S 架構(gòu)，利用C#語音進行編寫，整體系統(tǒng)的開發(fā)都是在卡車調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行研發(fā)。

挖掘機工況研究應(yīng)用在卡車調(diào)度系統(tǒng)中主要體現(xiàn)在三個方面，其中包括基礎(chǔ)層、應(yīng)用層和管理層，如圖14 所示。基礎(chǔ)層主要功能為智能網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)完成挖掘機姿態(tài)數(shù)據(jù)信息的采集，通信網(wǎng)絡(luò)完成終端軟件與管理層信息交互；應(yīng)用層主要功能為車載終端顯示，其中包括設(shè)備信息的顯示、物料選擇、故障信息上報、挖掘姿態(tài)顯示界面顯示、裝車狀態(tài)判斷等；管理層主要功能為生產(chǎn)控制、報表統(tǒng)計及運算、作業(yè)效率統(tǒng)計。

圖14 挖掘機工況研究整體框架圖

同時通過終端界面顯示，如圖15、圖16 所示，駕駛員在終端界面可實時掌控挖掘機的作業(yè)狀態(tài)，且顯示界面還具備文字和語音報警提示功能，當(dāng)駕駛員駕駛不當(dāng)或違規(guī)操作時及時提醒駕駛員，并反饋到卡車調(diào)度系統(tǒng)平臺，進而提升露天礦的管理水平。

圖15 卡車調(diào)度系統(tǒng)終端系統(tǒng)作業(yè)界面

圖16 露天礦挖掘機工況識別系統(tǒng)的界面圖

3.2 功能的實現(xiàn)

通過卡車調(diào)度系統(tǒng)中挖掘機的裝車狀態(tài)準(zhǔn)確識別和生產(chǎn)報表的分析，結(jié)合露天礦采礦需求年計劃、采場數(shù)據(jù)等，即可利用程序服務(wù)引導(dǎo)采礦，包括目標(biāo)采場位置、鏟斗位置、鏟斗當(dāng)前位置。利用狀態(tài)識別和卡車調(diào)度系統(tǒng)裝車模塊融合，實時監(jiān)控駕駛員裝車姿態(tài)、狀態(tài)、時長、質(zhì)量，再結(jié)合卡車調(diào)度系統(tǒng)對挖掘機作業(yè)效率進行統(tǒng)計和分析，對礦方管理者提供有效的采掘數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)中挖掘機工況研究通過現(xiàn)場的測試應(yīng)用，不僅實現(xiàn)了挖掘機作業(yè)姿態(tài)的監(jiān)測，同時提升了駕駛員的操作水平，更能有效地預(yù)警司機在作業(yè)中的違規(guī)操作，減少或避免事故的發(fā)生；且解決了卡車調(diào)度系統(tǒng)中裝車識別難題，提升礦山生產(chǎn)管理能力，達到礦山開采增產(chǎn)增效的目的。提升了卡車調(diào)度系統(tǒng)在市場上的競爭力，也為露天礦無人駕駛提供輔助平臺和智慧礦山的建設(shè)提供良好的基礎(chǔ)。