李 祥，王學文，謝嘉成，喬春光，楊兆建

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復(fù)雜工況下采運裝備虛擬運行關(guān)鍵技術(shù)研究

李 祥1,2，王學文1,2，謝嘉成1,2，喬春光1,2，楊兆建1,2

(1. 太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024；2. 煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

當前綜采工作面采運裝備虛擬仿真技術(shù)都是建立在水平理想底板上，不能真實模擬采運裝備在底板不平整的復(fù)雜工況條件下的運行狀態(tài)。針對這一問題，在虛擬現(xiàn)實引擎Unity3D中，對采煤機與刮板輸送機在復(fù)雜工況下虛擬運行的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。通過建立采運裝備的虛擬現(xiàn)實場景，結(jié)合采煤機在刮板輸送機上的虛擬定位定姿方法，重點對刮板輸送機的虛擬彎曲、采煤機支撐滑靴銷軸的坐標解析與采煤機虛擬運行等關(guān)鍵技術(shù)進行研究。開發(fā)原型系統(tǒng)并進行實驗驗證，實驗結(jié)果表明，虛擬刮板輸送機的形態(tài)與實際布置形態(tài)的誤差小于15 mm，采煤機機身傾角誤差小于2°，滿足實際工作要求的精度。該系統(tǒng)可以真實再現(xiàn)復(fù)雜工況下采煤機與刮板輸送機的動態(tài)配套關(guān)系與運行狀態(tài)，為綜采工作面遠程監(jiān)測系統(tǒng)的建立奠定基礎(chǔ)。

虛擬現(xiàn)實；采運裝備；虛擬仿真；Unity3D技術(shù)

在“中國制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的持續(xù)推進下，煤炭開采不斷向智能化和無人化的方向發(fā)展。綜采工作面“三機”(采煤機、刮板輸送機、液壓支架)是煤炭開采的關(guān)鍵設(shè)備，承擔著采煤、運煤和支護任務(wù)[1]。其中，刮板輸送機在完成運煤的同時，兼做采煤機的運行軌道；采煤機在完成采煤、裝煤的同時，后滾筒的截割曲線又決定著刮板輸送機下一次的排布狀態(tài)。在實際生產(chǎn)現(xiàn)場，由于煤層結(jié)構(gòu)、開采規(guī)劃等因素，使得煤層底部呈現(xiàn)凹凸不平、起伏變化。刮板輸送機會自適應(yīng)的貼合煤層底部，使得采煤機的運行軌道起伏不平，其運行姿態(tài)也會實時改變。要想實現(xiàn)無人化開采，對采運裝備工作姿態(tài)的準確監(jiān)測與可視化非常重要，一套能真實再現(xiàn)其運行姿態(tài)的仿真系統(tǒng)也亟待開發(fā)。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)因具有直觀性、沉浸性以及交互性等特點，使其在機械裝備虛擬拆裝[2-3]與人機實時多模態(tài)交互[4]領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用方向主要分為培訓、數(shù)據(jù)可視化和煤礦綜合3類[5]。文獻[6-7]將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于生產(chǎn)和安全培訓演練，提升了礦工的操作技能和安全意識水平。AKKOYUN和CAREDDU[8]基于完整的仿真數(shù)據(jù)，建立了交互式的采礦工程可視化環(huán)境，展示了露天菱鎂礦。綜采裝備仿真領(lǐng)域的研究主要包括：裝備單機、三機運動仿真[9-10]和綜采工作面設(shè)備全景漫游系統(tǒng)仿真[11]，其中謝嘉成等[12]在水平底板下研究了采煤機沿刮板輸送機的運行及采煤機與液壓支架的相互感知，實現(xiàn)了三機之間協(xié)同運動。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在煤礦裝備領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些應(yīng)用價值，但是當前大部分研究是在水平理想底板環(huán)境下進行的，不能真實反應(yīng)綜采裝備的實際工況，更無法真實再現(xiàn)采煤機與刮板輸送機實際運行狀態(tài)。本文在詳細分析采煤機與刮板輸送機真實運動關(guān)系后，設(shè)計了復(fù)雜工況下采煤機與刮板輸送機虛擬運行仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了工作面底板不平整條件下的采煤機與刮板輸送機的動態(tài)仿真，更加準確真實的模擬采運裝備的運行姿態(tài)。

1 整體思路

依據(jù)實驗室現(xiàn)有三機裝備，在虛擬現(xiàn)實引擎Unity3D下完成場景搭建，利用現(xiàn)有中部槽傾角數(shù)據(jù)驅(qū)動刮板輸送機在豎直平面內(nèi)彎曲，通過分析采煤機與刮板輸送機的動態(tài)配套關(guān)系完成滑靴坐標解析，并以解析結(jié)果驅(qū)動采煤機沿著刮板輸送機虛擬運行。如圖1所示。最后，利用實驗室現(xiàn)有的等比例縮小的三機模型搭建采煤機與刮板輸送機聯(lián)合實驗平臺，進行虛擬仿真系統(tǒng)的實驗驗證，測試該系統(tǒng)中采運裝備運行姿態(tài)的仿真精度。

該仿真系統(tǒng)需要解決以下幾個關(guān)鍵技術(shù)：

(1) 虛擬現(xiàn)實環(huán)境下原型機的定位定姿方法及虛擬場景的建立；

(2) 刮板輸送機在底板不平情況下實現(xiàn)豎直平面內(nèi)的彎曲；

(3) 采煤機沿著底板不平的刮板輸送機虛擬運行，以及滑靴與鏟煤板的自適應(yīng)貼合。

圖1 總體方法思路圖

2 虛擬場景的定位定姿方法

2.1 采煤機在刮板輸送機上的定位定姿方法

SGZ764/630型刮板輸送機，各溜槽之間采用啞鈴銷或者套環(huán)連接，可以實現(xiàn)豎直平面內(nèi)的彎曲。采煤機運行過程中，左右支撐滑靴與中部槽的鏟煤板接觸，左右行走輪與中部槽的銷排進行嚙合，其中左右支撐滑靴的位置決定了采煤機機身在豎直平面內(nèi)的位姿。圖2為坐標系對其進行定位定姿描述。

圖2 采煤機與刮板輸送機定位定姿關(guān)系

支撐滑靴與刮板輸送機鏟煤板的接觸狀態(tài)有全接觸、半接觸和懸空接觸，如圖3所示。在計算不同接觸方式下采煤機定位關(guān)鍵點的坐標時，需要靈活選取接觸點，如選取滑靴底部端點(、)或中點()為接觸點。

圖3 滑靴與中部鏟煤板的接觸狀態(tài)

其中，全接觸與半接觸狀態(tài)下的關(guān)鍵點的縱坐標求解較容易，現(xiàn)以最復(fù)雜的懸空接觸為例進行分析，取點為接觸點，依據(jù)接觸狀態(tài)求解關(guān)鍵點的坐標，如圖4所示。

根據(jù)圖中關(guān)系，求得滑靴與中部槽的夾角1的關(guān)系式為

圖4 懸空接觸分析圖

其中，1，x，x為未知量，其余為已知量。

依據(jù)1，得到接觸點(x,y)的坐標，反推得到懸空接觸狀態(tài)下點坐標式為

2.2 虛擬模型的建立

模型的建立是虛擬仿真的基礎(chǔ)。用實驗室現(xiàn)有的原型機在UG中進行建模、簡化與修補，導(dǎo)入3D Max中進行單位設(shè)置與坐標軸調(diào)整，最后導(dǎo)入Unity3D中進行場景布置。

虛擬聯(lián)動實現(xiàn)的前提是在Unity3D中建立各零部件之間的父子關(guān)系。刮板輸送機以機尾為初始建立每節(jié)中部槽與啞鈴銷之間的父子關(guān)系。通常，采煤機以機身為父體建立父子關(guān)系，但是難以滿足復(fù)雜工況下的運動要求，本文以采煤機左支撐滑靴銷軸為父體，通過左滑靴銷軸帶動整個模型運動，其父子關(guān)系如圖5所示。

圖5 采煤機父子關(guān)系圖

3 刮板輸送機虛擬彎曲技術(shù)

3.1 刮板輸送機虛擬形狀的建立

建立刮板輸送機控制腳本Gbj.cs并賦給機尾，在C#環(huán)境下定義中部槽及其銷軸變量，并通過GetChild()方法使變量與虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的物體相對應(yīng)。

在凹凸不平的地面上，機尾及各個中部槽之間均有一定的橫向傾角，取每節(jié)中部槽與水平面的夾角為變量，將中部槽的夾角變量認為是由多個夾角組成的一維數(shù)組。運用四元數(shù)(Quaternion)方法表示旋轉(zhuǎn)，確定每節(jié)中部槽的位置。

3.2 刮板輸送機的數(shù)據(jù)驅(qū)動

刮板輸送機每節(jié)中部槽與水平面的夾角[]用實驗室現(xiàn)有的測量數(shù)據(jù)。建立Connect.cs腳本訪問數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫中各節(jié)中部槽傾角讀取并傳輸?shù)経nity環(huán)境中，通過GameObject.Find(“腳本所在的物體名”).GetComponent<腳本名>.()函數(shù)名().實現(xiàn)Gbj.cs腳本與Connect.cs腳本的數(shù)據(jù)交互，將讀取的傾角值賦給中部槽與水平面夾角變量[]，以此驅(qū)動中部槽旋轉(zhuǎn)，得到刮板輸送機的形狀。

4 采煤機虛擬運行關(guān)鍵技術(shù)

4.1 采煤機滑靴銷軸關(guān)鍵點解析

采煤機滑靴銷軸所在的關(guān)鍵點1、2的坐標決定采煤機機身的位姿，通過刮板輸送機函數(shù)和滑靴與中部槽鏟煤板的接觸狀態(tài)對關(guān)鍵點進行坐標解析。左滑靴的關(guān)鍵點直接求解，右滑靴關(guān)鍵點直接求解難度較大，通過窮舉法間接求解，當右滑靴的求解結(jié)果在一定誤差范圍內(nèi)時認為求解正確。依次對刮板輸送機上各個點進行求解，當采煤機到達端部時求解結(jié)束。求解方法流程圖如圖6所示。

其中，每節(jié)中部槽長度為L；傾角為；左滑靴初始位置為1；右滑靴位置為2；左右滑靴預(yù)設(shè)的初始距離為Δ；左右滑靴求解距離為L1o2；機身與刮板輸送機的距離為；刮板輸送機長度為L。

在Gbj.cs腳本中編寫關(guān)鍵點的求解函數(shù)。求解的主程序在FixedUpdate()函數(shù)中編寫，實時對關(guān)鍵點坐標進行解算。圖6中，支撐滑靴銷軸橫坐標由采煤機關(guān)鍵點初始位置與刮板輸送機函數(shù)得到，縱坐標的求解過程較為復(fù)雜，具體求解步驟如下：

圖6 求解方法流程圖

步驟1.編寫刮板輸送機形狀函數(shù)Ygbjhanshu()，確定其上任意點坐標。

步驟2.在滑靴水平狀態(tài)下，求出滑靴底部端點(、)及中點()的坐標。

步驟3.編寫區(qū)間序號判別函數(shù)XuHaoShiBie()，分別判定，，等3點所屬的中部槽區(qū)間，并將中部槽序號賦上(Na、Nb、Nc)。

步驟4. 由中部槽的序號及相應(yīng)中部槽的傾角[]進行接觸狀態(tài)判定，并輸出相應(yīng)的模式。判定規(guī)則見表1。

表1 接觸狀態(tài)判定規(guī)則

步驟5. 判定模式。當模式為全接觸或半接觸時，執(zhí)行步驟6；當模式為懸空接觸時，執(zhí)行步驟7。

步驟6.計算點橫坐標，代入刮板輸送機函數(shù)得到縱坐標，反推得到滑靴關(guān)鍵點點縱坐標。

步驟7.計算點橫坐標，代入刮板輸送機函數(shù)得到縱坐標，反推得到滑靴關(guān)鍵點點縱坐標。

4.2 采煤機沿虛擬路徑運行

在刮板輸送機形成的彎曲路徑上，采煤機在不同的位置存在不同的位姿。建立采煤機驅(qū)動腳本CmjControl.cs，并附于采煤機上。通過實時獲取采煤機關(guān)鍵點解算腳本Gbj.cs中的解算結(jié)果實時調(diào)控采煤機機身的位姿。從而實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實環(huán)境下采煤機沿著刮板輸送機運行。采煤機虛擬運行流程如圖7所示。

圖7 采煤機虛擬運行流程圖

初始零點調(diào)整。根據(jù)Gbj.cs腳本中參數(shù)解算模塊所給出的采煤機初始位置1，通過換算在Unity3D環(huán)境中進行世界坐標調(diào)整，并將其坐標值作為初始向量賦給采煤機。也可逆向調(diào)整，即在虛擬環(huán)境中將模型擺放合適的位置，獲得其坐標，通過換算得到初始值1，進行參數(shù)解算。

模型驅(qū)動。通過含1實時坐標的參數(shù)向量驅(qū)動采煤機的行走，通過含機身傾角參數(shù)的四元數(shù)法驅(qū)動采煤機的實時俯仰。而左右2個滑靴與鏟煤板進行自適應(yīng)接觸，也需要在原來的基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)一定的角度。

5 系統(tǒng)測試與實驗

5.1 系統(tǒng)測試

基于以上技術(shù)進行虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)。利用Unity3D軟件自帶的UI進行設(shè)計，建立采煤機與刮板輸送機的實時監(jiān)測和交互操控面板。發(fā)布程序并進行測試。

打開應(yīng)用程序，進入虛擬仿真控制面板。單擊“確定”按鈕，刮板輸送機在豎直平面內(nèi)實現(xiàn)彎曲，各節(jié)中部槽彎曲的角度也顯示在中部槽傾角顯示框中。單擊“啟動”按鈕，采煤機調(diào)整搖臂并沿著刮板輸送機向右牽引，當?shù)竭_刮板輸送機端部時，采煤機停止運行等待下一次指令。牽引過程中，可以清晰的看到滑靴與鏟煤板自適應(yīng)的貼合在一起，并未出現(xiàn)模型干涉或間隔距離較大的情況，如圖8所示。同時，可以結(jié)合實際工況手動調(diào)整采煤機速度、前后滾筒的截割高度。整個牽引過程中，可以實時查看采煤機的各項姿態(tài)參數(shù)。圖9展示了采煤機在下坡段與上坡段的運行狀態(tài)，狀態(tài)參數(shù)欄中顯示的采煤機在虛擬環(huán)境中的位置、機身的傾角、搖臂轉(zhuǎn)角以及支撐滑靴與鏟煤板的接觸狀態(tài)與虛擬場景中模型的位姿完全對應(yīng)，實現(xiàn)了模型運行參數(shù)的可視化。

圖8 滑靴與鏟煤板接觸狀態(tài)

圖9 采煤機在各個階段的運行狀態(tài)

5.2 實驗驗證

為驗證該系統(tǒng)與真實工況的仿真程度，將虛擬采運裝備與真實采運裝備進行姿態(tài)對比。①虛擬刮板輸送機的形態(tài)與實際布置形態(tài)的對比，在豎直面內(nèi)建立坐標系，獲得虛擬刮板輸送機與真實刮板輸送機的排布軌跡，當坐標為某一值時，二者在方向的誤差可以反應(yīng)虛擬刮板輸送機形態(tài)的仿真程度；②虛擬采煤機與真實采煤機運行時機身在刮板輸送機各點的姿態(tài)對比，當采煤機沿著刮板輸送機運行到某一位置時，二者在此處的機身傾角誤差即可反應(yīng)虛擬采煤機機身姿態(tài)的仿真程度。因此，實驗重點關(guān)注刮板輸送機各點方向的數(shù)值與采煤機運行過程中的機身傾角。

利用實驗室現(xiàn)有的等比例縮小的綜采“三機”模型搭建實驗平臺(圖10)。實驗設(shè)備包括：MTi-300捷聯(lián)慣性系統(tǒng)、3D打印采煤機模型、可彎曲刮板輸送機模型以及定位主機，如圖10(b)所示。刮板輸送機模型的相鄰中部槽在豎直面可以彎曲1°~3°，可以模擬出各種不同的彎曲形狀。

圖10 采煤機與刮板輸送機實驗臺

刮板輸送機形態(tài)測量。在每節(jié)中部槽上標記4個點，依次將MTi-300捷聯(lián)慣性裝置放在每一段中部槽的邊界點和標記點，進行中部槽俯仰角的測量和記錄，如圖10(c)所示。通過計算得到刮板輸送機豎直平面的布置形態(tài)。采煤機傾角測量。在采煤機左滑靴上方安裝MTi-300捷聯(lián)慣性裝置，如圖10(d)所示。開啟采煤機運行使其沿著擺好的刮板輸送機模型運行，實時記錄采煤機機身俯仰角。

運行虛擬仿真系統(tǒng)。將測量的數(shù)據(jù)輸入虛擬仿真系統(tǒng)中，得到虛擬環(huán)境下與實際擺放類似的刮板輸送機形狀，記錄每節(jié)中部槽標記點坐標。同時啟動采煤機，實時記錄虛擬運行過程中采煤機機身俯仰角。最后，將記錄的標記點坐標與機身俯仰角數(shù)據(jù)導(dǎo)出為XML文件。

實驗結(jié)果分析。將現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)與虛擬現(xiàn)實環(huán)境中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進行處理，生成刮板輸送機形態(tài)曲線與采煤機運行時機身在刮板輸送機各點的傾角曲線。圖11展示了刮板輸送機在實際與虛擬現(xiàn)實環(huán)境下形態(tài)軌跡，總體而言，二者的形態(tài)軌跡基本保持一致，但也存在微量偏差。選取曲線中誤差較大的標記點A-H，當二者的值一致時，列出虛擬仿真刮板輸送機與實際模型在標記點處方向的數(shù)值和二者之間的誤差見表2。表2表明方向的最大誤差為12.48 mm，滿足誤差要求，仿真效果較好，中后部分誤差較大是因為模型建立與虛擬場景布置存在誤差，導(dǎo)致了誤差累積，通過精確建模與虛擬場景布置可以改善或解決此問題。圖12展示了虛擬仿真采煤機與實際模型沿刮板輸送機運行過程中機身在不同位置的傾角變化，由圖可知，二者傾角變化的總體趨勢一致，但在刮板輸送機坡度變化明顯處傾角誤差較大。選取誤差較大的標記點，列出虛擬采煤機與實際模型的傾角數(shù)值與二者之間的誤差見表3。表3表明虛擬采煤機的機身傾角與實際模型傾角最大誤差為1.86°，滿足誤差要求，可以較真實的反應(yīng)機身姿態(tài)。出現(xiàn)誤差的原因是虛擬刮板輸送機的形態(tài)軌跡誤差以及實驗中的測量誤差。

圖11 刮板輸送機布置形態(tài)對比

表2 刮板輸送機排布軌跡標記點誤差(mm)

圖12 采煤機機身傾角對比

表3 采煤機傾角標記點誤差(°)

綜上，基于Unity3D開發(fā)的采運裝備虛擬運行仿真系統(tǒng)，虛擬刮板輸送機的形態(tài)與實際布置形態(tài)的測量誤差小于15 mm，虛擬采煤機與實際模型的機身傾角誤差小于2°，滿足實際工作要求的精度，可以真實再現(xiàn)豎直平面內(nèi)采煤機與刮板輸送機的真實運行姿態(tài)。

6 結(jié)論與展望

本文從虛擬現(xiàn)實仿真角度，深度剖析了采煤機與刮板輸送機的關(guān)系，對其在豎直平面內(nèi)的虛擬運行關(guān)鍵技術(shù)進行研究，得到以下結(jié)論：

(1) 實現(xiàn)了復(fù)雜工況下綜采工作面采煤機與刮板輸送機動態(tài)配套關(guān)系、位置與姿態(tài)等運行狀況可視化，并可以準確表達采運裝備的運行姿態(tài)。

(2) 為進一步實現(xiàn)采煤機滾筒記憶截割控制、綜采工作面三機運行的精確規(guī)劃與可視化監(jiān)測提供數(shù)字化基礎(chǔ)。為綜采工作面三機自動化、智能化和無人化提供有效的理論依據(jù)。

下一步將結(jié)合刮板輸送機在水平面的彎曲理論，實現(xiàn)三維環(huán)境下采運裝備的虛擬運行，真正再現(xiàn)實際生產(chǎn)中采運裝備的運行。

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Research on Key Technologies of Virtual Operation of Mining Equipment Under Complex Conditions

LI Xiang1,2, WANG Xue-wen1,2, XIE Jia-cheng1,2, QIAO Chun-guang1,2YANG Zhao-jian1,2

(1. College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024, China; 2. Shanxi Key Laboratory of Fully Mechanized Coal Mining Equipment, Taiyuan Shanxi 030024, China)

The virtual simulation technology of mining and transporting equipment in the fully mechanized mining face is based on an ideal horizontal floor, which could not realistically simulate the operating status of the mining equipment in the complex working conditions of the floor unevenness. In an attempt to solve this problem in the virtual reality engine Unity3D, the present study focuses on the key technologies of virtual operation of shearer and scraper conveyor under complex conditions.By establishing the virtual reality scene of the mining equipment and combining with the virtual positioning method of the shearer on the scraper conveyor, we put particular emphasis on the key technologies of the virtual bending of the scraper conveyor, the coordinate analysis of the pin shaft of the shearer’s supporting slipper and the virtual operation of the shearer.The prototype system was developed and experimentally verified. The experimental results show that the error of the shape and actual arrangement of the virtual scraper conveyor is less than 15 mm, and the inclination error of the shearer body is less than 2°, which meets the accuracy of the actual work requirements.The system could truly reproduce the dynamic matching relationship and operating state of shearer and scraper conveyor under complex conditions, and lay a foundation for the establishment of remote monitoring system of fully mechanized mining face.

virtual reality; mining equipment; virtual simulation; Unity3D technology

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019020403

A

2095-302X(2019)02-0403-07

2018-07-30；

2018-09-14

山西省留學人員科技活動擇優(yōu)重點項目(2016年度)；山西省回國留學人員科研資助項目(2016-043)；“十二五”山西省科技重大專項(20111101040)；山西省研究生教育創(chuàng)新項目(2018SY019)

李 祥(1992-)，男，山西大同人，碩士研究生。主要研究方向為現(xiàn)代設(shè)計及方法研究。E-mail：304828852@qq.com

王學文(1979-)，男，山西長治人，教授，博士，博士生導(dǎo)師。主要研究方向為機械現(xiàn)代設(shè)計方法、機械CAD/CAE、計算固體力學和摩擦學等。E-mail：wxuew@163.com