姜闊勝，李良和，韓劉幫，周遠(yuǎn)遠(yuǎn)，郭 帥

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤礦井下有大量的巷道，如人員生命線、物料輸送線、安全通風(fēng)線等。隨著巷道的發(fā)展、資源的開采、地質(zhì)活動(dòng)等，巷道變形時(shí)有發(fā)生。巷道變形會(huì)堵塞巷道內(nèi)的交通，甚至造成嚴(yán)重的安全事故[1-2]。因此，巷道變形檢測(cè)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。巷道變形監(jiān)測(cè)方法可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。大多數(shù)接觸式測(cè)量方法依賴于位移傳感器、壓力傳感器等終端監(jiān)控設(shè)備，傳感器需要放置在合適的區(qū)間多通道中，這會(huì)造成測(cè)量系統(tǒng)操作復(fù)雜，成本較高。接觸測(cè)量本身也會(huì)對(duì)巷道造成一定程度的破壞。非接觸式測(cè)量是機(jī)械、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科研究的共同成果，具有測(cè)量速度快、數(shù)據(jù)量大、便于后續(xù)研究等優(yōu)點(diǎn)。如數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量[3]，它不僅測(cè)量速度快，精度高，對(duì)生產(chǎn)影響也較小。本文提出的激光雷達(dá)測(cè)量方法，巷道側(cè)壁不需要做任何處理，激光雷達(dá)由四旋翼無人機(jī)搭載，移動(dòng)式地掃描整個(gè)巷道的側(cè)壁數(shù)據(jù)，并通過無線通訊傳輸至上位機(jī)進(jìn)行處理[4]。整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、測(cè)量速度快，克服了現(xiàn)有方法的不足。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文所提系統(tǒng)總體架構(gòu)分為主機(jī)部分和從機(jī)部分，如圖1所示。

從機(jī)主要用于巷道輪廓數(shù)據(jù)的采集和傳輸。上位機(jī)主要用于巷道的數(shù)據(jù)處理、三維重建和變形評(píng)價(jià)。整個(gè)系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

硬件系統(tǒng)由電源模塊、RPLIDAR激光雷達(dá)、四旋翼飛行器(UAV)、STM32單片機(jī)、cc2530 ZigBee發(fā)送模塊和上位機(jī)的cc2530 ZigBee接收模塊以及上位機(jī)處理計(jì)算機(jī)組成。硬件各模塊之間的具體聯(lián)系如圖2所示。

2.1 RPLIDAR 激光雷達(dá)

本系統(tǒng)采用了由SLAMTEC公司開發(fā)的新一代低成本的二維激光雷達(dá)RPLIDAR A2，它具有高達(dá)4 000次/s的高速激光測(cè)距采樣能力[5]。RPLIDAR主要包括激光測(cè)距核心以及使其高速旋轉(zhuǎn)的電源和機(jī)械部分,如圖3所示。

2.2 STM32單片機(jī)

系統(tǒng)采用STM32C8T6單片機(jī)[6]。該型號(hào)單片機(jī)晶體倍頻器最高可達(dá)72 MHz，運(yùn)行速度快，成本低，抗干擾能力強(qiáng)，適用于本系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要使用了STM32C8T6的計(jì)時(shí)器PWM輸出、串行通信和ADC模擬電壓輸入功能。

2.3 電源模塊

下位機(jī)硬件安裝在四旋翼無人機(jī)上，采用3S鋰電池作為系統(tǒng)電源[7]。由于3S鋰電池的電壓范圍為直流11.1～12.6 V，而系統(tǒng)的供電電壓為5 V直流電源，因此有必要設(shè)計(jì)一個(gè)DC-DC電源降壓電路。本文采用基于XL4015E降壓芯片的大功率DC-DC可調(diào)降壓模塊。

2.4 隧道側(cè)壁數(shù)據(jù)采集

巷道側(cè)壁數(shù)據(jù)采集靠下位機(jī)軟件程序來實(shí)現(xiàn)。首先向搭載在無人機(jī)上的RPLIDAR發(fā)送掃描請(qǐng)求指令，RPLIDAR接到后會(huì)返回應(yīng)答數(shù)據(jù)，STM32單片機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)讀取這些應(yīng)答數(shù)據(jù)，預(yù)處理之后，通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。RPLIDAR在無人機(jī)的帶動(dòng)下，會(huì)掃描整個(gè)巷道側(cè)壁，故上位機(jī)可獲取整個(gè)巷道側(cè)壁數(shù)據(jù)。

STM32程序的具體流程如圖4所示。

本文的數(shù)據(jù)處理和圖像構(gòu)建基于Processing3.3軟件，主要使用size(width,height,renderer)函數(shù)使得Processing工作在P3D模式，隨后聲明核心類，使用Scene(parent)函數(shù)進(jìn)行3D環(huán)境構(gòu)建，這樣即可獲得一個(gè)可以拖拽放大縮小的3D場(chǎng)景[8]。使用ControlP5庫，創(chuàng)建Start按鍵及Stop按鍵，分別用于發(fā)送給下位機(jī)開始及停止命令。其創(chuàng)建結(jié)果如圖5所示。

PC主軟件程序流程如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)和誤差分析

3.1 巷道仿真實(shí)驗(yàn)

對(duì)廊道中的輪廓進(jìn)行三維圖像重建仿真。分別對(duì)夜間廊道開燈和關(guān)燈兩種環(huán)境進(jìn)行模擬，模擬環(huán)境如圖7所示。

首先下載下位機(jī)程序，連接硬件設(shè)備,在走廊兩種模擬環(huán)境下掃描到的圖像相同，如圖8所示，表明系統(tǒng)掃描效果不受巷道內(nèi)光線的影響。

3.2 誤差分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得走廊輪廓數(shù)據(jù)，分別取0°與180°、90°與270°對(duì)應(yīng)的4個(gè)點(diǎn)(即激光雷達(dá)的上下與左右4個(gè)點(diǎn))的距離值，即圖9中的A、C和B、D點(diǎn)，其大小分別用HA、HC、LB、LD表示。

這樣即可計(jì)算出走廊的上下高度值H0，與左右寬度值L0，分別為：

H0=HA+HC

(1)

L0=LB+LD

(2)

而走廊實(shí)際的上下高度值H=2400 mm,左右寬度值L=2000 mm，故本系統(tǒng)測(cè)得走廊高度和寬度的相對(duì)誤差分別為：

δL=(|L-L0|/L)×100%

(3)

δH=(|H-H0|/H)×100%

(4)

具體的誤差數(shù)值分析見表1。

從表1可以看出，系統(tǒng)誤差大約為0.3%。巷道的側(cè)墻都是圍巖,一旦變形,變化量一般都會(huì)達(dá)到50 mm以上,而巷道的高度一般不低于1800 mm,形變?cè)斐傻母叨茸兓蚀笥?%，遠(yuǎn)高于系統(tǒng)誤差。因此，系統(tǒng)的測(cè)量誤差滿足實(shí)際巷道變形測(cè)量的需要。

表1 測(cè)量誤差分析

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于激光雷達(dá)技術(shù)的巷道變形測(cè)量方法，并設(shè)計(jì)了一款基于RPLIDAR激光雷達(dá)的巷道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1)通過下位機(jī)控制處理核心STM32單片機(jī)與激光傳感器、ZigBee模塊有機(jī)地組合，從而實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)數(shù)據(jù)采集。

2)通過與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，將采集數(shù)據(jù)傳送至Processing程序端，程序端將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示，實(shí)現(xiàn)了二維截面的掃描與三維圖像的簡(jiǎn)單重構(gòu)，達(dá)到了對(duì)巷道變形快速、低誤差監(jiān)測(cè)的目的。