葛世榮

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)智慧礦山與機(jī)器人研究院，北京市海淀區(qū)，100083)

采煤機(jī)在多變地質(zhì)環(huán)境中截割煤層，必須預(yù)先準(zhǔn)確獲取其作業(yè)位置、周圍環(huán)境、煤層狀態(tài)等信息，才能達(dá)到“知己知彼”的智能精準(zhǔn)運(yùn)行狀態(tài)。對于智能采煤機(jī)，環(huán)境感知是十分重要的信息獲取能力，當(dāng)采煤機(jī)具備環(huán)境信息檢測、分析和建模功能時(shí)，才能模擬采煤機(jī)司機(jī)對運(yùn)行環(huán)境及態(tài)勢進(jìn)行控制。對于處于機(jī)械化階段的采煤機(jī)，環(huán)境感知是保障采煤機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，避免發(fā)生碰撞、超速、超限等運(yùn)行故障或生產(chǎn)事故。對于達(dá)到自動(dòng)化階段的采煤機(jī)，環(huán)境感知是其自動(dòng)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，通過采煤作業(yè)狀態(tài)信息獲取和反饋使采煤機(jī)按照預(yù)定程序自動(dòng)運(yùn)行。進(jìn)入智能化階段的采煤機(jī),實(shí)質(zhì)上需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛才能達(dá)到自主機(jī)器人的智能水平，因此環(huán)境感知是采煤機(jī)智能運(yùn)行的根本基礎(chǔ)。

智能采煤機(jī)獲取環(huán)境信息主要通過機(jī)載傳感器對周邊環(huán)境信息進(jìn)行采集和處理，主要包括采煤機(jī)行進(jìn)空間、運(yùn)行位姿、截割狀態(tài)、機(jī)器狀態(tài)感知。按照獲取方式，環(huán)境傳感器分為2類：一是被動(dòng)環(huán)境傳感器，此類傳感器本身不發(fā)射信號而是通過接收外部信號來獲取環(huán)境信息，例如視覺傳感器、聽覺傳感器；二是主動(dòng)環(huán)境傳感器，此類傳感器向外部環(huán)境發(fā)射信號進(jìn)行環(huán)境感知，例如激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和超聲波雷達(dá)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。采煤機(jī)環(huán)境感知應(yīng)遵循的原則是近目標(biāo)優(yōu)先、大尺度優(yōu)先、動(dòng)目標(biāo)優(yōu)先、差異性優(yōu)先，采用相關(guān)感知技術(shù)對環(huán)境信息進(jìn)行選擇性認(rèn)知。選擇性是人類感知環(huán)境的高智慧能力，包括了目標(biāo)獲取、學(xué)習(xí)、識別的功能，由此支持智能采煤機(jī)優(yōu)化駕駛行為，確保自動(dòng)駕駛精準(zhǔn)性、安全性、有效性。有關(guān)介紹參見文獻(xiàn)[1][2]，本篇主要介紹采煤機(jī)行進(jìn)空間和作業(yè)位姿感知技術(shù)。

1 空間環(huán)境感知

采煤作業(yè)環(huán)境感知是對采煤機(jī)的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜度進(jìn)行檢測和評判，主要感知要素包括煤層變化、前方障礙、安全風(fēng)險(xiǎn)、作業(yè)位置等。在人工操作采煤機(jī)的時(shí)候，要靠人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺感知去發(fā)現(xiàn)采煤環(huán)境變化及其影響程度，從而對采煤機(jī)進(jìn)行控制。因此，要減少或者替代人工操作，就必須提高采煤機(jī)對環(huán)境感知能力。

1.1 煤層構(gòu)造感知

地下煤層構(gòu)造極不規(guī)則，為了應(yīng)對這種煤層異構(gòu)形態(tài)，采煤機(jī)必須具有煤層厚度監(jiān)測和仿形截割調(diào)控的能力，即煤巖界面識別和自動(dòng)調(diào)高技術(shù)。目前，國內(nèi)外提出了20余種煤巖界面探測方法，歸納為3類方法：一是采前的煤層透視方法，預(yù)先探測頂部煤層厚度分布，為采煤機(jī)提供截割路徑導(dǎo)航地圖；二是采中的截割監(jiān)測方法，在采煤過程中實(shí)時(shí)感知截齒切削的介質(zhì)特征，在線控制采煤機(jī)的截割姿態(tài)；三是采后的機(jī)器視覺方法，在采煤機(jī)截割煤層之后跟隨探測煤壁或頂板的暴露表面物性分布，適當(dāng)修正下一循環(huán)的截割導(dǎo)航地圖[1]。

1.2 空間障礙感知

采煤機(jī)在工作面運(yùn)行中，必須實(shí)時(shí)監(jiān)測前方的液壓支架掩護(hù)梁、垮落煤巖體、闖入人員等障礙物并予以規(guī)避，因此智能采煤機(jī)須具有前方空間自主探測及避障能力。從目前已有技術(shù)看，采煤機(jī)和井下移動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)空間避障和防撞保護(hù)可用紅外線、超聲波、微波和激光探測技術(shù)。智能化采煤機(jī)需要構(gòu)建一個(gè)多種傳感技術(shù)的融合感知系統(tǒng)，發(fā)揮各自傳感器所長，獲得準(zhǔn)確、靈敏、全面的空間環(huán)境信息。借鑒無人駕駛汽車的空間障礙感知技術(shù)，首先是激光雷達(dá)探測的空間信息，其感知量占60%～75%，其次是視覺感知的圖像信息，再次是毫米波雷達(dá)探測的距離信息、慣性導(dǎo)航獲取的位姿信息，最后是超聲波、紅外線傳感器等光電傳感器獲取的信息[3]。

1.2.1紅外線測距避障

紅外線是波長介于微波與可見光之間的電磁波，其波長范圍為0.76～1 000.00 μm。紅外測距儀以調(diào)制的紅外光對目標(biāo)物進(jìn)行精密測距，在礦山測量中普遍應(yīng)用。1943年，瑞典學(xué)者貝爾格斯川試制出1臺利用高頻電壓調(diào)制白熾燈的測距儀樣機(jī)，稱為光速測距儀；1949年瑞典捷創(chuàng)力公司(AGA)制造出世界第1臺高頻電壓調(diào)制白熾燈的光電測距儀，如圖1所示，夜晚測距為30 km，白天測距為6 km，精度為3×10-6測距[4]；1963年，瑞士威特(Wild)公司開始研究砷化鎵發(fā)光管的光電測距儀，到1968年制造出全球第1臺DI-10型紅外測距儀，如圖2所示，測距為2 km，測距精度為±(5 mm+5×10-6測距)；1973年推出DI-3型紅外測距儀，該儀器已售出3000多臺，1981年推出測距為14 km 的DI-20型、1982年推出測距為5 km的DI-5型紅外測距儀[5]。

圖1 瑞典捷創(chuàng)力公司制造的第1臺光電測距儀

圖2 威特公司制造的全球第1臺紅外測距儀

在我國，1976年，北京光學(xué)儀器廠與北京大學(xué)聯(lián)合研制出我國首臺HGC-1型紅外測距儀，采用砷化鎵發(fā)光二極管作為光源，發(fā)出的紅外光具有較好的大氣透過能力，該儀器測距為2 km，測距精度±15 mm；1977年，北京大學(xué)物理系和常州第二電子儀器廠等單位研制出長征DCH-1型紅外測距儀，如圖3所示，測距為1 km，測距精度±10 mm[6]；1987年，北京光學(xué)儀器廠制造出DCJ32-1型紅外測距儀，測距3 km，測距精度±(5 mm+1×10-6測距)。

在紅外避障應(yīng)用方面，2001年，金湘亮等[7]提出了基于脈沖計(jì)數(shù)的汽車防撞紅外線測距系統(tǒng)，當(dāng)行車間距小于30 m時(shí)，觸發(fā)預(yù)警電路，發(fā)出報(bào)警聲；當(dāng)車間距小于20 m時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)自動(dòng)剎車減速以防止發(fā)生碰撞。2008年，李柯等[8]研發(fā)了內(nèi)河航船識別航道障礙物的紅外熱成像技術(shù)，在陰天小雨低溫環(huán)境下，可準(zhǔn)確識別及預(yù)警1 500 m以內(nèi)的船舶。2009年，吳曉華等[9]研制了基于紅外傳感器的移動(dòng)機(jī)器人感測系統(tǒng)，包括分立反射式紅外傳感測距系統(tǒng)、一體反射式紅外傳感器引導(dǎo)系統(tǒng)、熱釋電紅外跟蹤系統(tǒng)，具有靈敏的避障能力和人體跟蹤能力。2009年，朱華等[10]研究了煤礦環(huán)境探測救災(zāi)機(jī)器人紅外避障技術(shù)，在機(jī)器人周圍布置 6 個(gè)紅外開關(guān)和 6 個(gè)紅外測距傳感器，在徐州夾河礦進(jìn)行了井下巷道行走性能試驗(yàn)，結(jié)果表明組合紅外避障的避障效果得以顯著提高。2012年，牛洪科等[11]研究了采煤機(jī)紅外測距避障效果，測距100 m的誤差為1.8～3.0 m，測距20 m的誤差降至0.4～0.6 m，因此紅外線探測技術(shù)對近距離障礙的避障精準(zhǔn)度更高。

圖3 國產(chǎn)長征DCH-1型紅外測距儀

1.2.2超聲波測距避障

超聲波為振動(dòng)頻率大于 20 kHz 的機(jī)械波，其避障原理是發(fā)射器發(fā)射的超聲波遇前方障礙物后反射回波，接收器獲取回波來測定障礙物的距離。超聲波具有指向性強(qiáng)、對塵土和濕氣穿透性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，常用于倒車?yán)走_(dá)、測距儀、物位測量儀、移動(dòng)機(jī)器人等場景，對井下采煤機(jī)自主避障而言，超聲波測距避障技術(shù)是一種較為可靠的技術(shù)。

1793年，意大利科學(xué)家拉扎羅·斯帕拉捷(SPALLANZANI L)發(fā)現(xiàn)了蝙蝠用超聲波定向和跟蹤目標(biāo)能力；1830年，法國科學(xué)家菲利克斯·薩伐爾(SAVART F)通過控制沙伐音輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生了人類第1個(gè)人工生成的24 kHz超聲波；1916年，法國物理學(xué)家保羅·朗之萬(LANGEVIN P)發(fā)明了探測水下潛艇位置的石英壓電晶體超聲波，這是人類第1次利用超聲波探測障礙物；1967年，英國皇家飛機(jī)研究院建成超聲波探測雷達(dá)模擬試驗(yàn)平臺，研究深水雷達(dá)導(dǎo)彈引信探測空中飛機(jī)目標(biāo)的性能，試驗(yàn)使用1/20縮比的飛機(jī)模型，超聲波頻率為0.3～3.5 MHz，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用惠普公司21MX計(jì)算機(jī)處理[12]；20世紀(jì)70年代末，托尼·海斯(HAYES T)博士在諾丁漢大學(xué)盲人移動(dòng)研究所研發(fā)超聲波盲人引導(dǎo)設(shè)備，嘗試了超聲波技術(shù)用于倒車輔助，這是汽車?yán)走_(dá)的雛形；1982年，英國空間時(shí)代電子公司制造出第1臺超聲波測距儀，分辨率為10 mm和1 mm時(shí)的最大測距分別為10 m和2 m；2012年，豐田公司開發(fā)出稱為“間距聲吶”的超聲波避障雷達(dá)，利用汽車四角的超聲波測距傳感器探測周圍間距，當(dāng)間距小于0.5 m時(shí)，儀表盤上的閃燈和蜂鳴會(huì)警告駕駛者；2018年，日本電裝(Denso)公司研發(fā)出防止司機(jī)誤踩油門加速裝置，用超音波傳感器探測障礙，當(dāng)車輛從泊車或停車狀態(tài)轉(zhuǎn)為前進(jìn)狀態(tài)時(shí)，一旦檢測到附近有障礙物，會(huì)以蜂鳴報(bào)警提示司機(jī)，如果司機(jī)繼續(xù)誤踩油門試圖加速，該裝置就啟動(dòng)以制止汽車加速，防止沖撞或減輕沖撞強(qiáng)度，倒車速度超過5 km/h時(shí)也會(huì)啟動(dòng)并限速行駛。

在我國，1986年上海超聲波儀器廠研制出CD-1型超聲波側(cè)距儀，測距為0.5～9.9 m，精度為±10 mm，可用于距離跟蹤儀、位移控制器、行車防撞器、汽車倒車提示器；1989年，張曲光等研制出移動(dòng)機(jī)器人定位的超聲波掃描測距系統(tǒng)；2003年，胡盛斌[13]設(shè)計(jì)了移動(dòng)機(jī)器人超聲保障系統(tǒng)，室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人有效避障范圍為0.2～5.0 m，精度為±40 mm；2011年，段丙濤等[14]設(shè)計(jì)了基于聲納環(huán)傳感器的機(jī)器人避障系統(tǒng)，在距離地面450 mm環(huán)形機(jī)架上以間隔15°均布安裝24個(gè)超聲傳感器，形成環(huán)形超聲波探測器，最小測距為0.15 m，測距誤差約1%；2012年，朱濤等設(shè)計(jì)了超聲波測距傳感器作為礦井提升機(jī)減速控制輔助技術(shù)，提高了提升機(jī)減速段穩(wěn)定性；2018年，馮冬生等設(shè)計(jì)了基于超聲波與激光雷達(dá)組合測距的井下無軌膠輪車實(shí)時(shí)避障系統(tǒng)。

1.2.3毫米波雷達(dá)探測避障

毫米波雷達(dá)是工作在波段1～10 mm、頻域30～300 GHz的電磁波雷達(dá)，具有可穿透灰塵、雨水而精準(zhǔn)測距的優(yōu)點(diǎn)，成為汽車防撞保護(hù)的主導(dǎo)技術(shù)，目前的車載毫米波雷達(dá)主要是24 GHz、77 GHz兩種頻段。1939年，美國通用汽車公司在紐約世博會(huì)上展示了全球第1輛無人駕駛汽車；1953年，美國人喬治·拉希德(RASHID G)提出汽車防撞自動(dòng)剎車?yán)走_(dá)思路，并于1957年、1975年獲得美國專利，他設(shè)計(jì)的自動(dòng)剎車?yán)走_(dá)在前保險(xiǎn)杠和后保險(xiǎn)杠安裝微型雷達(dá)來探測前后障礙物，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下的計(jì)算機(jī)確定障礙物間距并判斷是否會(huì)發(fā)生碰撞；1956年，南非人威德利(WADLEY T)研制成功世界上第1臺微波測距儀；1973年，德國特律芬根(AEG-Telefunken)公司和博世(Bosch)公司聯(lián)合研發(fā)毫米波汽車?yán)走_(dá)防撞技術(shù)，1976年研發(fā)出實(shí)用化雷達(dá)，2個(gè)天線密封在聚苯乙烯天線罩內(nèi)，安裝在車前方的散熱器護(hù)柵上，如圖4所示。自20世紀(jì)80 年代后期，毫米波雷達(dá)逐漸實(shí)現(xiàn)車載化應(yīng)用。1995年，三菱汽車首次運(yùn)用毫米波雷達(dá)控制車前距離，具備了自適應(yīng)巡航技術(shù)的雛形；1999年，S系列奔馳轎車上安裝了車距監(jiān)控防撞系統(tǒng)(DTR)；2015年，特斯拉Model S汽車搭載了Autopilot系統(tǒng)，推動(dòng)了智能駕駛汽車的毫米波雷達(dá)應(yīng)用；2017年10月，加特蘭微電子科技公司推出全球首顆CMOS工藝的77 GHz毫米波雷達(dá)收發(fā)芯片，量產(chǎn)CAL77A4T8R芯片，可提供4個(gè)輸出通道、8個(gè)接收通道，尺寸為6.8 mm×9.8 mm。目前，德國大陸公司的77 GHz毫米波雷達(dá)測距為0.2～250.0 m，精度為0.1～0.4 m；北京行易道科技有限公司的77 GHz毫米波雷達(dá)測距為0.5～250.0 m，精度為0.1～0.2 m。

20世紀(jì)70年代，雷達(dá)探測技術(shù)開始用于礦山無人駕駛卡車，但進(jìn)展緩慢，直到80年代末期國外成功研發(fā)露天礦車的防撞雷達(dá)系統(tǒng)，輔助司機(jī)關(guān)注前方的障礙車輛。一種雷達(dá)是低頻無線電波，另一種雷達(dá)是高頻無線電波。1994，卡特彼勒公司的777型自動(dòng)化卡車在前、后、側(cè)面配備了掃描雷達(dá)系統(tǒng)，可檢測100 m以內(nèi)道路上的人員和障礙物，確?？ㄜ嚢踩珳p速或停車；2005年，日本小松公司在智利的銅礦進(jìn)行了無人駕駛運(yùn)輸試驗(yàn)，車上安裝毫米波雷達(dá)等多種傳感器，2008年實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化運(yùn)行。

圖4 德國研發(fā)的早期車載超聲波雷達(dá)(車前方白色部位)

在我國，2014年，神華準(zhǔn)能集團(tuán)和北京中礦華沃科技公司聯(lián)合研發(fā)成功露天礦卡車的24 GHz毫米波防撞雷達(dá)系統(tǒng)，包括車載毫米波雷達(dá)、雷達(dá)控制器和自動(dòng)剎車系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)卡車前方障礙物的實(shí)時(shí)探測及防撞剎車，在哈爾烏素露天煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)[15]；2018年，踏歌智行公司為包頭白云鐵礦和鄂爾多斯烏拉煤礦設(shè)計(jì)了無人駕駛方案，布置了車載激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)；2019年，慧拓智能機(jī)器公司研發(fā)出露天礦車無人駕駛系統(tǒng)，卡車裝有4臺毫米波雷達(dá)、4臺激光雷達(dá)和5臺攝像頭，在內(nèi)蒙古寶利煤炭公司試驗(yàn)運(yùn)行；2019年，天地科技公司上海分公司推出MG1100/3050-WD型采煤機(jī)，裝有機(jī)載截割視頻、毫米波雷達(dá)等探測預(yù)警傳感器。

1.2.4激光成像雷達(dá)探測避障

自20世紀(jì)60年代激光被發(fā)明以來，其激光測距功能，最早在軍事領(lǐng)域的武器制導(dǎo)等方面得到廣泛應(yīng)用，隨后向軍用及民用遷移。激光成像雷達(dá)是通過激光束對待測目標(biāo)物進(jìn)行照射、掃描獲取的距離圖像和強(qiáng)度圖像的主動(dòng)探測技術(shù)，可以精確快速獲取目標(biāo)三維空間信息，可作為智能采煤機(jī)前方障礙探測的先進(jìn)技術(shù)。

1960年，美國物理學(xué)家梅曼(MAIMAN T H)研制出世界第1臺實(shí)用化的紅寶石激光器；1961年美國休斯飛機(jī)公司研制出世界首臺激光測距儀，1962年成功進(jìn)行了第1臺軍用激光測距儀應(yīng)用試驗(yàn)；1966年，美國光譜物理公司研制成功Geodoilet 3G型長測距激光測距儀，白天測距30 km，夜間測距80 km，精度為±(1 mm+1×10-6測距)[16]；1967年，瑞典捷創(chuàng)力公司推出世界第1臺產(chǎn)品級的AGA-8型激光測距儀，如圖5所示，采用5 mW氦氖激光器，白天測距為30 km，夜間測距為60 km，測距精度為±(5 mm+10-6測距)；1977年，美國推出了AN/GVS-5型第1臺手持式激光測距儀。

圖5 瑞典捷創(chuàng)力公司制造的第1臺產(chǎn)品級激光測距儀

激光雷達(dá)具有極高的角度分辨率和距離分辨率，可同時(shí)測得目標(biāo)的強(qiáng)度像和距離像，形成高分辨率的三維圖像，它被稱為三維激光雷達(dá)(Laser Detection and Ranging，LiDAR)，可用于精確空間測繪及動(dòng)態(tài)建模。1978年，美國國家航天局馬歇爾航天中心采用CO2激光相干成像技術(shù)，研制出世界第1臺三維激光成像雷達(dá)；1989年，美國人奈特(KNIGHT F K)研制出1臺16×16像素的激光雷達(dá)系統(tǒng)；1992年，美國赫立世(Hercules)防御電子公司研制出高分辨率的小型固體激光成像雷達(dá)樣機(jī)，最大測距為2 km，測距分辨率為0.25 m；2003年，美國雷錫恩(Raytheon)公司研發(fā)出高速激光單脈沖三維成像焦平面陣列探測器，激光成像雷達(dá)可探測到距離1.5 km的直徑為10 mm的電線。

在近距LiDAR技術(shù)方面，1995年，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(ARL)研制出一種低成本、近距離的半導(dǎo)體激光成像雷達(dá)，采用半導(dǎo)體激光器和硅雪崩光電二極管(APD)探測器，通過二維掃描獲得80×80像素的距離圖像，最大探測距離為128 m，距離分辨率為0.25 m[17]；1997年，德國戴姆勒-奔馳宇航公司研制出Hellas障礙探測激光雷達(dá)，它是1.54 μm成像激光雷達(dá)，視場為32°，探測距離300～500 m，分辨率為10 mm，被用于EC-135和EC-155直升機(jī)[18]；1999年，日本VTT電子公司為歐洲航天局研制成像激光雷達(dá)，用于行星表面導(dǎo)航與避障，該激光雷達(dá)采用激光二極管，波長905 nm，探測距離為100 m，距離分辨率50 mm，重量8.6 kg，功耗15.6 W；2000年，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了非掃描線陣成像半導(dǎo)體激光雷達(dá)，采用半導(dǎo)體激光器和32線陣混頻MSM探測器，成像速率為50 Hz，最大探測距離達(dá)200 m，距離分辨率為0.25 m；2017年，美國奎內(nèi)基公司(Quanergy Systems Inc.)推出了全球首款S3固態(tài)激光雷達(dá)，它采用光學(xué)相控陣技術(shù)，可用于汽車級固態(tài)LiDAR，探測距離150 m，精度為厘米級。

在我國，1975年，國家地震局武漢地震儀器廠研制成功我國第1臺相位式精密激光測距儀，填補(bǔ)了我國精密測距技術(shù)領(lǐng)域的空白；1980年，我國地震研究研制出JCY-3型激光測距儀，白天測距40 km，夜間測距50 km，精度為±(5mm+10-6測距)；2008年，浙江大學(xué)提出了基于增益調(diào)制的激光三維成像方法，利用脈沖激光主動(dòng)照明和百萬像素的ICCD相機(jī)，對1 km處的建筑物三維成像的測距精度約為1 m；2018年，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所提出了基于偏振調(diào)制的激光三維成像方法，利用高靈敏度、高分辨率的EMCCD相機(jī)作為探測器，僅需發(fā)射1次脈沖即可獲得1幅三維圖像，適用于高速運(yùn)動(dòng)平臺或高動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維成像[19]。目前國內(nèi)典型的三維激光雷達(dá)產(chǎn)品有上海禾賽科技Pandar系列、速騰聚創(chuàng)RS-LiDAR系列、北科天繪R-Fans系列和鐳神智能的車載級CX系列。

在礦山領(lǐng)域，1995年，日本小松公司基于激光制導(dǎo)技術(shù)研發(fā)出世界第1輛無人駕駛卡車，先在日本的采石場進(jìn)行試驗(yàn)，最高行駛速度達(dá)36 km/h，1996年制造了5輛無人駕駛卡車在澳大利亞昆士蘭的礦山投入運(yùn)行，采用架線供電方式，沿路每隔150 m設(shè)1根標(biāo)桿，以耦合脈沖激光制導(dǎo)和GPS定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)卡車準(zhǔn)確定位和引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了厘米級精度的自動(dòng)駕駛運(yùn)行。目前，三維激光成像技術(shù)已在煤礦開始應(yīng)用，2018年，寧東煤炭基地馬蓮臺煤礦采用無人機(jī)載LiDAR監(jiān)測采煤塌陷區(qū)沉降狀況，掃描視場為40°×360°，30 m內(nèi)絕對精度為20 mm，有效測距為120 m，獲取的3處地面沉降區(qū)平均誤差為0.044 m[20]；2019年，馬宏偉等[21]研究了基于激光雷達(dá)的煤礦巡檢機(jī)器人SLAM方法，建立了激光雷達(dá)觀測模型和里程計(jì)預(yù)測模型，可解決巡檢機(jī)器人實(shí)時(shí)位姿估計(jì)和環(huán)境地圖構(gòu)建問題，結(jié)合相關(guān)算法提高了機(jī)器人定位的自適應(yīng)性和地圖構(gòu)建的精確性；2020年，楊健健等[22]建立了井下掘進(jìn)機(jī)激光成像雷達(dá)觀測模型，采用國產(chǎn)激光雷達(dá)，獲取掘進(jìn)巷道的即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)場景，建模誤差可控制在0.02 m以下；2020年，張銀萍選用美國威力登(Velodyne)公司的VLP-16型號的三維激光雷達(dá)，研究煤礦地面軌道運(yùn)輸?shù)V車自動(dòng)避障技術(shù)。

超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)在探測距離、探測精度、成像能力、成本優(yōu)勢、尺寸優(yōu)勢、抗干擾能力方面的對比如圖6所示。

圖6 3種微波測距技術(shù)雷達(dá)對比圖

1.3 機(jī)器視覺感知技術(shù)

美國自動(dòng)視覺協(xié)會(huì)(AVA)把機(jī)器視覺系統(tǒng)定義為一種通過光學(xué)非接觸傳感器測量和識別物體圖像并用于控制目標(biāo)或過程的計(jì)算機(jī)圖像識別系統(tǒng)。機(jī)器視覺有單目、立體和全景3種視覺獲取方式，單目視覺用1個(gè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)前方碰撞、行人探測、軌跡偏離等感知功能；立體視覺是采用雙目相機(jī)仿生人類視覺，對視場范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行立體成像，實(shí)現(xiàn)三維圖像重構(gòu)，主要用于采煤機(jī)位置標(biāo)定、障礙物檢測；全景視覺技術(shù)由4～6個(gè)相機(jī)進(jìn)行360°同步成像，獲得采煤機(jī)前方全景圖像，構(gòu)建采煤機(jī)運(yùn)行空間的數(shù)字孿生場景。在智能采煤機(jī)自動(dòng)駕駛視覺感知中，基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理將成為采煤機(jī)環(huán)境視覺感知的重要支撐。

1979年，美國麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室的大衛(wèi)·馬爾(MARR D C)教授創(chuàng)立了視覺的計(jì)算理論，把機(jī)器視覺作為一個(gè)信息處理過程，使計(jì)算機(jī)視覺研究取得了突破性進(jìn)展；1982年，美國通用電氣公司已批量生產(chǎn)OpotmationTN-2200型機(jī)器視覺裝置，攝像機(jī)像素為128×128，視場為30 mm×30 mm。到1982年底，美國安裝了40個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)，用于生產(chǎn)線的產(chǎn)品檢驗(yàn)、測量和物體識別。

2010年之后，機(jī)器視覺技術(shù)才在采掘機(jī)械上開始應(yīng)用。2013年，田原[23]研究了基于機(jī)器視覺技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身空間位姿自動(dòng)檢測技術(shù)，采用機(jī)器視覺技術(shù)檢測攝像機(jī)與激光指向儀之間的相對空間位姿，通過空間矩陣變換計(jì)算出掘進(jìn)機(jī)機(jī)身相對指向激光的空間位姿參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)的平移量檢測偏差為3.5 mm，航向角檢測偏差為0.5°，俯仰角和橫滾角檢測偏差為0.1°；2017年，石晟等[24]設(shè)計(jì)了礦用鋼絲繩的機(jī)器視覺無損監(jiān)測系統(tǒng)，機(jī)器視覺圖像采集設(shè)備安裝在現(xiàn)場鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)位置，采集鋼絲繩圖像并傳輸?shù)街锌刂鳈C(jī)進(jìn)行圖像識別、人工智能判別及報(bào)警信號發(fā)出，可對鋼絲繩的斷絲、磨損、銹蝕等損傷缺陷進(jìn)行在線監(jiān)測；2019年，張旭輝等[25]設(shè)計(jì)了1種基于視覺測量的液壓支架位姿檢測方法，在采煤機(jī)上安裝防爆相機(jī)，對在液壓支架上的紅外LED標(biāo)識板進(jìn)行圖像采集，基于4個(gè)共面特征點(diǎn)的視覺算法得出液壓支架底座位姿，該方法檢測液壓支架的位姿精度小于0.7°，直線度精度小于20 mm；2020年，頊熙亮[26]報(bào)道了礦用帶式輸送機(jī)故障的機(jī)器視覺智能檢測系統(tǒng)，在大同同忻煤礦使用，該系統(tǒng)采用5個(gè)線性光源的單臺線陣CCD相機(jī)捕捉輸送帶表面圖像，如圖7所示。智能監(jiān)控報(bào)警模塊接收輸送帶監(jiān)測圖像，通過識別模塊對撕裂、跑偏等故障危險(xiǎn)等級進(jìn)行評估，并根據(jù)危險(xiǎn)程度采取報(bào)警、停機(jī)等措施。

圖7 輸送帶線陣CCD相機(jī)圖像捕捉系統(tǒng)

2 瓦斯?jié)舛雀兄夹g(shù)

由于采煤過程中的瓦斯涌出量與采煤量有近似線性正比關(guān)系，因此采煤機(jī)應(yīng)對瓦斯?jié)舛染哂小靶嵊X”監(jiān)測能力，它對保障采煤工作面安全極為重要[27]。

2.1 常規(guī)瓦斯檢測儀

1966年，蘇聯(lián)研制了Щ-5型光學(xué)瓦斯檢測儀。1970年代，美國梅思安(MSA)公司推出Ⅳ型甲烷監(jiān)測器，蘇聯(lián)推出TMPK-2型瓦斯檢測儀[28]。

在我國，1972年，上海江南無線電廠和上海煤礦機(jī)械研究所研制成功ABD-1型瓦斯報(bào)警斷電儀，1976年1月通過了技術(shù)鑒定。該裝置具有瓦斯超限預(yù)警功能，被稱之為“直接化防爆技術(shù)”[29]。1973年10月，重慶煤礦安全儀器廠、重慶煤炭科學(xué)研究所、四川礦業(yè)學(xué)院等單位組成瓦斯遙測儀會(huì)戰(zhàn)組，1974年12月試制成功AYJ-1型瓦斯遙測警報(bào)儀。該儀器具有遙測功能，可同時(shí)檢測5個(gè)不同點(diǎn)的瓦斯?jié)舛萚30]。1977年，撫順煤礦安全儀器廠、陽泉礦務(wù)局和撫順礦務(wù)局聯(lián)合研制出AQD-1型采煤機(jī)瓦斯斷電控制儀，利用載體熱催化原理，先后在雞西滴道礦和陽泉一礦進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)[31]。1977年，西安煤礦儀表廠研制出的MJC-100型采煤機(jī)(工作面)瓦斯斷電控制儀，是一種多參量檢測裝置，在陽泉礦務(wù)局三礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，獲1978年全國科學(xué)技術(shù)大會(huì)成果獎(jiǎng)[32]。1992年，廣東煤炭工業(yè)研究所等單位研制出JBD-1型便攜式瓦斯報(bào)警斷電儀，在永榮礦務(wù)局的掘進(jìn)工作面推廣使用[33]。經(jīng)過40多年的發(fā)展，現(xiàn)在的采煤機(jī)已裝有計(jì)算機(jī)控制的瓦斯斷電儀系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)周圍的甲烷超限遙控?cái)嚯娂俺Ｒ?guī)斷電[34]。此外，在采煤機(jī)上安裝了無線機(jī)載瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，與KJ2000N煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)工作過程中的瓦斯突出實(shí)時(shí)預(yù)警。

2.2 光纖瓦斯監(jiān)測儀

1870年，英國物理學(xué)家丁達(dá)爾發(fā)現(xiàn)光的全反射原理； 20世紀(jì)50年代，美國首先提出差分吸收化學(xué)氣體遠(yuǎn)程報(bào)警雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)想；1966年，高錕(KAO K C)博士發(fā)表了《光頻率的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》論文，從理論上證明了光纖傳輸媒體的可能性，于2009年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1977年，美國海軍研究所查爾斯·戴維斯主持了光纖傳感器系統(tǒng)(FOSS)研發(fā)項(xiàng)目，被認(rèn)為是光纖傳感器的起點(diǎn)；20世紀(jì)70年代末，光纖傳感技術(shù)用于瓦斯氣體檢測，這種檢測技術(shù)具有精度高、環(huán)境干擾小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。光纖瓦斯傳感器主要有單波長吸收比較型、雙波長差分吸收型、窄帶譜線吸收型、染料光譜吸收型、光纖干涉型等[35]。

1979年，日本東北大學(xué)的稻葉文男(INABA H)和陳建裴(CHAN K)等提出了利用長距離光纖進(jìn)行大氣污染檢測技術(shù)思路，1981年他們用LED光源進(jìn)行了甲烷氣體濃度檢測試驗(yàn)，1983年又用1.66 μm波長的InGaAsP發(fā)光二極管和干涉濾光片組成光纖傳感系統(tǒng)，對瓦斯吸收譜線進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)了25% LEL(氣體爆炸下限)的高靈敏度探測[36]。1986年，美國石油天然氣工程師學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)了基于1.67 μm紅外光源的雙波長差分吸收型瓦斯監(jiān)測報(bào)警器，分辨率達(dá)到3% LEL。1987年，泰英夫(TAI H)采用2個(gè)單模分布反饋式半導(dǎo)體激光器組成1個(gè)復(fù)合光源，以1個(gè)光纖系統(tǒng)同時(shí)檢測甲烷和乙炔濃度，如圖8所示。該系統(tǒng)對甲烷和乙炔的最低探測靈敏度分別為5.0 mg/L和3.0 mg/L[37]。1990年，山本(YAMAMOTO K)等利用1.66 μm單模分布反饋式半導(dǎo)體激光器，采用了波長(頻率)調(diào)制諧波檢測方法，室溫下檢測甲烷氣體濃度的最低探測靈敏度為20 mg/L。

圖8 光纖傳感器檢測甲烷和乙炔濃度原理

在我國，1989年，吳曉立等[38]設(shè)計(jì)了1種本安型光纖瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測瓦斯?jié)舛?，精度?50 mg/L；1989年，郭栓運(yùn)[39]設(shè)計(jì)了差分光譜光纖氣體檢測裝置，采用InGaAsP發(fā)光二極管作為光源，瓦斯探測靈敏度達(dá)到4% LEL；1990年，廖嘉等[40]采用雙波長差分吸收法原理，檢測甲烷氣體的最低探測濃度為400 mg/L；2005年，林楓等[41]設(shè)計(jì)了1種遠(yuǎn)距離光纖瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，采用1.3 μm超輻射發(fā)光二極管為光源，基于差分吸收測量原理可實(shí)現(xiàn)10 km遠(yuǎn)程瓦斯監(jiān)測，測量靈敏度為0.1%；2007年，山東省科學(xué)院激光研究所團(tuán)隊(duì)首次把激光甲烷傳感器用于煤礦井下現(xiàn)場瓦斯監(jiān)測，研發(fā)出無溫控激光甲烷檢測技術(shù)，2009年該研究所研制出光纖瓦斯檢測儀，在阜新某煤礦的瓦斯發(fā)電站建立了現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)。

2.3 激光瓦斯遙測技術(shù)

2.3.1近紅外激光雷達(dá)探測技術(shù)

1939年，法國氣象學(xué)家就用脈沖光源對氣象雷達(dá)進(jìn)行了早期研究。激光雷達(dá)探測甲烷(瓦斯)的波長一般調(diào)諧在1.66 μm左右。1965年，莫爾(MOORE C B)[42]發(fā)現(xiàn)甲烷吸收譜線與He-Ne激光波長吻合，由此首次提出了采用激光吸收譜來探測甲烷氣體的思路；1969年，日本科學(xué)家對激光檢測瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了試驗(yàn)，提出了以砷鎵化銦激光二極管制造微型化瓦斯檢測儀的設(shè)想，可藏在礦工帽中，成為可穿戴式瓦斯檢測儀[43]；1973年，蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明了激光瓦斯檢定器；1983年，英國石油公司的埃利奧特電子儀器公司研制出世界第1個(gè)激光掃描式瓦斯檢測儀，用于石化工廠和石油采場的危險(xiǎn)氣體檢測，該裝置基于雙波長差分吸收譜檢測原理，可檢出1 km處的瓦斯氣體[44]；1992年，上原清地(UEHARA K)[45]報(bào)道了1.65 μm波段激光的甲烷探測試驗(yàn)，獲得的高靈敏度為0.3 mg/(L·m)，可檢出大氣中微量甲烷；2000年，高谷井關(guān)(ISEKI T)等[46]設(shè)計(jì)了首個(gè)便攜式激光甲烷遙測儀，采用1.65 μm的InGaAsP分布反饋式激光器，6 m距離遙測甲烷的檢測濃度下限為0.45 mg/(L·m)，可探測到10 cm3/min微量的城市燃?xì)庑孤?/p>

在我國，1976年，撫順煤炭研究所開始研制激光瓦斯管路監(jiān)測裝置，采用3.39 μm波長的單色光，被測氣體通過氣腔時(shí)，光接收系統(tǒng)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，放大整流后由微安表顯示瓦斯?jié)舛萚47]；2003年，尹王保等[48]設(shè)計(jì)了利用單一可調(diào)諧外腔二極管激光(ECDL)遙測甲烷技術(shù)，其原理如圖9所示；2005年，樊宏等[49]研發(fā)出便攜式天然氣泄漏遙感探測技術(shù)，采用1.20～1.89 μm的毫瓦級二極管激光器，透鏡口徑為100 mm，中心有一個(gè)直徑3 mm的小孔，在7 m距離的甲烷可測靈敏度為200 mg/(L·m)，整套系統(tǒng)僅重5 kg，具有良好的便攜性；2016年11月，陽泉煤業(yè)三礦在K8117回采工作面和K8302回風(fēng)掘進(jìn)工作面使用了GJG10J激光瓦斯測試儀，常規(guī)的混合型測試儀檢測誤差為±0.1%，激光瓦斯傳感器檢測誤差為±0.06%[50]。

圖9 激光遙感探測瓦斯原理

2.3.2差分吸收激光雷達(dá)探測技術(shù)

20世紀(jì)50年代，美國人首先提出基于差分吸收激光雷達(dá)對化學(xué)氣體遠(yuǎn)程探測技術(shù)設(shè)想，1963年，美國斯坦福大學(xué)拜爾(BYER R)團(tuán)隊(duì)研制了世界第1臺可調(diào)諧激光雷達(dá)，之后用于監(jiān)測森林上空的飛機(jī)噴灑藥劑和煙囪排放煙霧，開啟了激光雷達(dá)遙測大氣技術(shù)；1966年，密西根大學(xué)斯科特蘭(SCHOTLAND R M)發(fā)表了差分吸收激光雷達(dá)(Differential Absorption Laser Radar，DIAL)檢測水汽中微量成分和濃度的論文，展示了這種方法具有的高靈敏度和高分辨率優(yōu)點(diǎn)。此后的30年，運(yùn)用激光雷達(dá)探測大氣中CO2的研究十分活躍。2003年，斯洛伐克威凌(Wingling)公司研制出第1代小型化有害氣體遙測激光雷達(dá)，如圖10所示，它用2臺可調(diào)諧TEA CO2激光器作為光源，采用DIAL工作方式，測距為3 km，可探測多種有毒有害氣體及污染物，外形尺寸為458 mm×260 mm×395 mm，質(zhì)量為38 kg，是當(dāng)時(shí)最小的差分吸收激光雷達(dá)[51]；2009年，日本學(xué)者坂井沢大佑(SAKAIZAWA D)等研制出1.6 μm的CO2差分吸收激光雷達(dá)，對 2 km高空的CO2密度探測誤差小于1%；2017年，日本科學(xué)家柴田安國(SHIBATA Y)等[52]研制出OPG/OPA(光參量發(fā)生器/光參量放大器)的1.6 μm波長激光雷達(dá)，測量對流層CO2濃度廓線，檢測誤差約0.1%。

圖10 第1代小型化有害氣體遙測激光雷達(dá)

2.3.3可調(diào)諧二極管激光吸收光譜探測技術(shù)

1971年，美國科學(xué)家辛克萊(HINKLEY E D)[53]在Science期刊上首次發(fā)表了利用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)對大氣污染物進(jìn)行高精度探測的試驗(yàn)結(jié)果，為煙囪排放氣體、化工廠危害氣體的遠(yuǎn)程監(jiān)測提供了新方法；1978年，里德(REID)等[54]介紹了采用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了空氣中SO2濃度的檢測下限達(dá)到0.1～0.3 mg/L；1998年，美國監(jiān)測技術(shù)公司研制成功世界上第1臺 TDLAS 氣體探測器，選用1.55 μm的 InGaAsP 激光器，用于檢測氨氣濃度。之后，美國漢斯公司(Heath)研發(fā)出手持式RMLD-IS激光甲烷遙距檢測儀，最大探測距離為100 m，測距30 m的甲烷檢測靈敏度為10 mg/(L·m)。

在我國，2005年，闞瑞峰等[55]研制出1套可調(diào)諧二極管激光吸收光譜檢測甲烷濃度的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)測甲烷下限達(dá)到0.087 mg/m3；2007年，陳玖英等[56]設(shè)計(jì)了煤礦瓦斯?jié)舛葯z測的TDLAS系統(tǒng)，在100 s內(nèi)測定瓦斯?jié)舛鹊钠顬?.5 mg/L；2019年，張強(qiáng)[57]設(shè)計(jì)了1種TDLAS煤礦瓦斯檢測傳感器，并將其與催化甲烷傳感器、紅外甲烷傳感器的檢測結(jié)果進(jìn)行了比較，3.5%濃度甲烷的激光傳感器偏差僅為0.01，而催化傳感器和紅外傳感器的偏差分別為0.12和0.07；2019年，劉杰等[58]研制出1種基于TDLAS的吸入式便攜甲烷探測儀，質(zhì)量為1.4 kg，外形尺寸為220 mm×100 mm×100 mm，檢測誤差為±3.05%，可探測極限為0.88 mg/L。目前，手持式激光甲烷(瓦斯)遙測儀已有成熟產(chǎn)品，青島明成環(huán)?？萍脊旧a(chǎn)的Esders-ELLI激光甲烷遙距檢測儀在30 m測距的靈敏度為5 mg/(L·m)。

3 采煤機(jī)定位技術(shù)

作業(yè)姿態(tài)感知是對采煤機(jī)行駛位姿狀態(tài)進(jìn)行自主檢測和調(diào)控，從而保證采煤機(jī)不走偏、不過載、不碰撞，其關(guān)鍵技術(shù)是采煤機(jī)運(yùn)行中的精準(zhǔn)定位、定向和定姿。

采煤機(jī)在井下狹窄空間運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自主定位是一個(gè)大難題，實(shí)際上是井下局部空間內(nèi)的精確定位問題，由于沒有地面的衛(wèi)星定位基準(zhǔn)支持，采煤機(jī)的井下定位就只能依靠自建局域定位系統(tǒng)來解決位姿感知難題。采煤機(jī)定位技術(shù)分為里程計(jì)定位技術(shù)、紅外線定位技術(shù)、反射波定位技術(shù)、激光測距定位技術(shù)和捷聯(lián)慣導(dǎo)定位技術(shù)[59]5類。

3.1 里程計(jì)定位技術(shù)

這種定位技術(shù)實(shí)際上是1種行程累計(jì)定位，通過對采煤機(jī)行走距離進(jìn)行檢測，以此計(jì)算采煤機(jī)與起始點(diǎn)的相對位置。里程計(jì)定位一般都是根據(jù)采煤機(jī)牽引鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)進(jìn)行計(jì)量，將其換算為采煤機(jī)的行走里程。20世紀(jì)70年代末，美國喬治·馬歇爾航天中心為解決長壁工作面的采煤機(jī)位置監(jiān)測問題，研制出基于脈沖的行程定位裝置，行走0.15 m發(fā)出1個(gè)脈沖，使采煤機(jī)在工作面行走180 m的測距誤差小于1.5 mm[60]。20世紀(jì)90年代末，出現(xiàn)了2種鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)量方式，一種是利用霍爾傳感器計(jì)數(shù)，另一種是利用鏈輪上的軸編碼器計(jì)數(shù)，軸編碼器的計(jì)數(shù)精度高于霍爾傳感器的計(jì)數(shù)精度[61]。但是，里程計(jì)定位技術(shù)只能測出采煤機(jī)一維軌跡，無法測定采煤機(jī)的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，目前作為與慣導(dǎo)定位、超寬帶定位等技術(shù)融合的輔助定位技術(shù)。

3.2 紅外線定位技術(shù)

在采煤機(jī)上安裝紅外線標(biāo)識作為移動(dòng)點(diǎn)，發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過液壓支架上安裝的光學(xué)傳感器接收紅外射線進(jìn)行定位。但是，由于紅外線只能視距傳播，穿透性極差，當(dāng)標(biāo)識被遮擋時(shí)就無法正常工作，也極易受燈光、煙霧等環(huán)境因素影響[62]。為了避免液壓支架錯(cuò)過采煤機(jī)脈沖信號，導(dǎo)致“跳架”的定位誤差，可采用廣角紅外發(fā)射裝置和接收裝置，保證同時(shí)接收多個(gè)脈沖信號。

3.3 反射波定位技術(shù)

1948年10月，哈里·斯托克曼(STOCKMAN H)發(fā)表《利用能量反射的方法進(jìn)行通信》，指出無線電波、光波或聲波(主要是微波、紅外和超聲波)可以在近似鏡面反射條件下用于傳輸，這成為利用反射波定位技術(shù)的里程碑。

3.3.1超聲波定位技術(shù)

1986年，米爾特羅尼克斯(Milltronics)公司研發(fā)出1種超聲波定位裝置，它能精確地測定150 m范圍內(nèi)的移動(dòng)設(shè)備位置，稱為卸料車定位器(Tripper Ranger)。該裝置最初用于里約阿戈姆(Rio Algom)公司的帕內(nèi)爾(Panel)礦和基爾克(Quirke)礦，改變了卸料車位置控制技術(shù)，系統(tǒng)更為簡單，實(shí)現(xiàn)了無人控制[63]。1993年，美國礦山局的斯特利克蘭(STRICKLAND)等人測試了超聲波測距傳感器在煤礦井下的定位性能，將24個(gè)偏振鏡超聲波測距傳感器以15°間隔分布在直徑685 mm的玻璃纖維環(huán)上，并與1個(gè)數(shù)據(jù)采集存儲的微型計(jì)算機(jī)相連，如圖11所示，超聲波環(huán)裝在連續(xù)采煤機(jī)頂部，發(fā)送的超聲波脈沖可以將各種障礙物的角坐標(biāo)信息傳到計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以透過粉塵和煙霧，只是不同表面的反射特性有差異，會(huì)影響定位精度。1997年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院(CSIRO)的里德博士(REID D C)提出了利用探地雷達(dá)(GPR)實(shí)現(xiàn)井下連續(xù)采煤機(jī)定位，該方法以煤壁側(cè)面反射的超聲波強(qiáng)度來檢測當(dāng)前采煤機(jī)機(jī)道和前一刀機(jī)道的間距變化，但在定位時(shí)必須把天線靠近或緊貼煤壁，為了防止天線損壞，測量中采煤機(jī)不能運(yùn)動(dòng)，因此不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，該方法只能作為一種輔助定位手段。2010年張連昆等提出1種基于超聲波的采煤機(jī)位置檢測系統(tǒng)，超聲波首發(fā)裝置安裝在工作面端頭橋式轉(zhuǎn)載機(jī)的小橋上，以采煤機(jī)為超聲波檢測對象反射超聲波。在使用過程中，由于非視距問題的存在，該技術(shù)的使用具有一定的局限性，并且其定位精度也比較低，很難滿足工作面自動(dòng)化的要求。

圖11 環(huán)狀超聲波測距傳感器實(shí)物

3.3.2射頻定位技術(shù)

1970年，馬里奧·卡杜羅(CARDULLO M)申請了“應(yīng)答器裝置和系統(tǒng)”專利，這是第1個(gè)現(xiàn)代射頻識別(RFID)的原型機(jī)[64]；在21世紀(jì)初，RFID技術(shù)開始用于煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的位置識別，包括下井人員考勤及定位、井下機(jī)車定位跟蹤及智能調(diào)度、備件倉儲配送管理；2016年，田成金[65]提出了基于RFID的采煤機(jī)定位方法，RFID讀寫器安裝在采煤機(jī)上，標(biāo)簽安裝在液壓支架上，當(dāng)采煤機(jī)在工作面上移動(dòng)時(shí)，機(jī)身上的讀寫器可以同時(shí)讀到1個(gè)或多個(gè)液壓支架的標(biāo)簽，利用軟件算法解析確定出采煤機(jī)位置。采用射頻場強(qiáng)檢測定位方法，依據(jù)采煤機(jī)通過液壓支架的射頻場強(qiáng)變化估算二者之間的相對位置，相對定位誤差可控制在20 mm以內(nèi)[66]。

3.3.3超寬帶定位技術(shù)

2016年，劉萬里等[67]研究了基于超寬帶(UWB)高速無線通信的采煤機(jī)定位方法，并提出了1種UWB定位精度提升算法，利用信息過濾算法對UWB定位結(jié)果進(jìn)行過濾，試驗(yàn)結(jié)果表明，采煤機(jī)的三維定位精度可達(dá)70 mm；2016年，劉清[68]提出了基于超寬帶測距原理的采煤機(jī)定位系統(tǒng)，在巴彥高勒煤礦綜采工作面的測試結(jié)果表明，定位基站測距誤差小于500 mm。

3.3.45G定位技術(shù)

目前，5G網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)已經(jīng)用于列車、汽車、農(nóng)機(jī)等移動(dòng)體的自動(dòng)駕駛，武漢在智能網(wǎng)聯(lián)汽車與智慧道路自動(dòng)駕駛示范區(qū)建成了5G車路協(xié)同自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，依靠5G移動(dòng)通信、高精度定位技術(shù)、五維時(shí)空融合技術(shù)、邊緣計(jì)算和邊云協(xié)同等技術(shù)，可為車路協(xié)同自動(dòng)駕駛提供厘米級的高精度位置服務(wù)[69]。可以預(yù)計(jì)，隨著5G技術(shù)在煤礦井下成熟應(yīng)用，采煤機(jī)5G高精度定位技術(shù)將付諸現(xiàn)實(shí)。

3.4 激光測距定位技術(shù)

20世紀(jì)90年代，美國礦山局(USBM)推動(dòng)了計(jì)算機(jī)輔助采煤系統(tǒng)研究，目的是把工人撤出工作面，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制采煤過程。20世紀(jì)80年代末，美國礦山局匹茲堡研究中心研發(fā)出基于激光掃描的連續(xù)采煤機(jī)導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了1個(gè)移動(dòng)導(dǎo)控架(Mobile Control Structure，MCS)作為作業(yè)區(qū)的定位基準(zhǔn)，連續(xù)采煤機(jī)行駛在車架下面，以車架位置作為定位和導(dǎo)向基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖12所示。該系統(tǒng)的有效測距為11 m，航向角精度為±0.25°，位置精度為65 mm，在環(huán)境粉塵濃度13 mg/m3下仍能穩(wěn)定工作[70]。

3.5 捷聯(lián)慣導(dǎo)定位技術(shù)

將陀螺儀以及加速度計(jì)固定在采煤機(jī)上，檢測采煤機(jī)相對于慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度、加速度矢量，然后依據(jù)初始時(shí)刻的載體位置、速度及姿態(tài)，即可解算出以后各時(shí)刻采煤機(jī)相對于慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)角、加速度。1988年，薩馬爾科(SAMMARCO J J)等[71-72]在美國礦山局支持下，開發(fā)出基于慣性、重力和磁場的采煤機(jī)機(jī)載航向檢測系統(tǒng)，可測得采煤機(jī)航向角、俯仰角和橫滾角。此后，他們應(yīng)用激光陀螺儀結(jié)合零速更新技術(shù)，開發(fā)了模塊化航向定位系統(tǒng)，但零速更新技術(shù)要求采煤機(jī)靜止幾分鐘來校準(zhǔn)起始坐標(biāo)。1996年，席夫鮑爾(SCHIFFBAUER W H)等[73]在美國能源部支持下，研發(fā)出連續(xù)采煤機(jī)導(dǎo)航裝置(Honeywell Ore Recovery and Tunneling Aid，HORTA)，如圖13所示。該系統(tǒng)在懷俄明州格林洛克(Glenrock)礦區(qū)裝在JOY-2CM 連續(xù)采煤機(jī)上運(yùn)行，如圖14所示。結(jié)果表明短時(shí)間內(nèi)的采煤機(jī)定位精度能夠滿足采煤作業(yè)導(dǎo)航要求，但隨著時(shí)間增加，定位誤差累積使定位精度不斷下降。

圖12 連續(xù)采煤機(jī)導(dǎo)航和定位系統(tǒng)

20世紀(jì)90年代中期， 澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院里德(REID D C)等[74]探索了慣導(dǎo)技術(shù)在地下采礦定位和自動(dòng)化的應(yīng)用，1996年他將慣導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于房柱開采連續(xù)采煤機(jī)，提出了基于慣導(dǎo)航向信息與外部傳感器航距信息相結(jié)合的高精度定位模式。同年，他創(chuàng)辦了采礦應(yīng)用技術(shù)(Applied Mining Technologies)公司，開發(fā)出MK3房柱開采導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠監(jiān)測顯示連采機(jī)的推進(jìn)深度、航向角、偏航角、煤層厚度及機(jī)器俯仰角和橫滾角等信息，如圖15所示。

圖13 連續(xù)采煤機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)HORTA裝置

圖14 裝有定位裝置的JOY-2CM型連續(xù)采煤機(jī)

圖15 MK3系統(tǒng)虛擬駕駛界面

2000年，海茵沃思(HAINSWORTH D W)和里德(REID D C)獲得了采煤機(jī)慣導(dǎo)定位和導(dǎo)向技術(shù)的澳大利亞專利，這是該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的里程碑；同年，澳大利亞煤炭協(xié)會(huì)研究計(jì)劃(ACARP)啟動(dòng)了地下煤礦自動(dòng)化技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，由長壁自動(dòng)駕駛委員會(huì)(Longwall Automation Steering Committee，LASC)督導(dǎo)實(shí)施，研發(fā)內(nèi)容包括技術(shù)能力、通信、OEM 系統(tǒng)集成和技術(shù)轉(zhuǎn)讓等方面；2001年，慣導(dǎo)技術(shù)在澳大利亞新南威爾士州的南布爾加(South Bulga)礦的長壁工作面成功進(jìn)行了短期試驗(yàn)，首次向采礦界證明了它的先進(jìn)性和可行性[75]；2003年，里德團(tuán)隊(duì)開發(fā)出采煤機(jī)位置實(shí)時(shí)測量顯示系統(tǒng)，并在采煤機(jī)進(jìn)行了測試，CSIRO是參與這個(gè)項(xiàng)目的主要研究機(jī)構(gòu)，2005年研發(fā)出被業(yè)界稱為 LASC的采煤機(jī)慣導(dǎo)定位技術(shù)；2006年，里德團(tuán)隊(duì)[76]承擔(dān)了Landmark計(jì)劃，提出了1種識別每個(gè)截割循環(huán)過程中采煤機(jī)封閉路徑的方法，提高了慣導(dǎo)定位的穩(wěn)定性；2011年，AMT公司推出MK4連續(xù)采煤機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了最新的慣性技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和智能感知技術(shù)，為操作者提供精確的三維采煤信息，例如預(yù)定軌跡、導(dǎo)航路徑、偏離軌跡等信息。2015年，LASC技術(shù)進(jìn)入我國煤礦，現(xiàn)已發(fā)展為定制版、通用機(jī)架板、精簡版3個(gè)版本。

我國對采煤機(jī)慣性導(dǎo)航技術(shù)研究起步較晚，開始的研究工作主要集中在中國礦業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)。2008年，方新秋等[77]探討了陀螺儀和加速度計(jì)測量采煤機(jī)的航向角及水平面2個(gè)方向的加速度，通過對加速度進(jìn)行2次積分即可獲得采煤機(jī)在水平面的位置；2011年，李威等[78]提出運(yùn)用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的三軸加速度計(jì)和陀螺儀測量采煤機(jī)的線性加速度和角速度，構(gòu)建了采煤機(jī)在慣性坐標(biāo)系中的導(dǎo)航方程；2015年，應(yīng)葆華等[79]又針對捷聯(lián)慣導(dǎo)定位系統(tǒng)在采煤機(jī)的定位誤差隨時(shí)間累積的問題，提出了1種利用無線傳感器網(wǎng)的捷聯(lián)慣導(dǎo)補(bǔ)償校準(zhǔn)方法，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)位置對捷聯(lián)慣導(dǎo)的位置進(jìn)行周期性校正，采煤機(jī)X和Y軸的平均定位誤差為0.118 m和0.268 m，能夠得到采煤機(jī)實(shí)時(shí)可靠的位置和姿態(tài)。

2016年，李昂等[80]提出了基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與軸編碼器組合的采煤機(jī)定位方法，利用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測出采煤機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)，軸編碼器測出采煤機(jī)的位移增量，該方法不僅能自主實(shí)時(shí)確定采煤機(jī)三維位置，而且有效減小純慣性導(dǎo)航的累積誤差，定位裝置搭載MG1000/2660-WD電牽引采煤機(jī)進(jìn)行了井下試驗(yàn)，實(shí)測運(yùn)行軌跡如圖16所示；2018年，王世佳等[81]提出了動(dòng)態(tài)零速修正誤差方法，可使采煤機(jī)在行進(jìn)和截深方向的定位精度提升30%；2019年，魯程等[82]設(shè)計(jì)了1種多套慣導(dǎo)系統(tǒng)冗余定位算法，基于3套慣導(dǎo)位置的定位信息，建立采煤機(jī)多慣導(dǎo)冗余定位擴(kuò)展卡爾曼濾波模型，仿真結(jié)果表明采煤機(jī)在單一慣導(dǎo)定位時(shí)，隨著采煤機(jī)運(yùn)行距離增加，東北坐標(biāo)和北天坐標(biāo)內(nèi)的累計(jì)定位誤差為0.83 m，而冗余慣導(dǎo)定位的東北坐標(biāo)定位累計(jì)誤差為0.28 m、北天坐標(biāo)定位累計(jì)誤差為0.12 m。

圖16 國產(chǎn)慣導(dǎo)定位裝置檢測采煤機(jī)運(yùn)行軌跡

4 工作面測直技術(shù)

采煤機(jī)的行走軌跡若不成直線將會(huì)產(chǎn)生3個(gè)問題：一是截割煤壁不直，導(dǎo)致頂板支護(hù)質(zhì)量不高，頂板垮落造成采煤機(jī)和其他設(shè)備損壞；二是工作面角度控制不好，向巷道一側(cè)傾斜，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)和液壓支架向巷道滑移，增加了姿態(tài)調(diào)整的停產(chǎn)時(shí)間；三是工作面直線度不高，增大了刮板輸送機(jī)調(diào)直難度和耗費(fèi)時(shí)間，減緩了采煤機(jī)推進(jìn)速度。戴瑞克·肯斯·巴漢等[83]指出，每臺采煤機(jī)約有10%的產(chǎn)煤量損失是源于滾筒截割寬度沒有得到充分利用，也就是說，來自采煤機(jī)行走軌跡與煤壁直線度的偏差所致。高質(zhì)量的綜采工作面應(yīng)達(dá)到“三直二平”標(biāo)準(zhǔn)， 即煤壁、刮板輸送機(jī)和支架均為平面或直線，刮板輸送機(jī)和支架平穩(wěn)牢靠，要求直線度偏差不超過±50 mm，角度定位精度達(dá)到0.01°。這對測直技術(shù)提出了很高的要求，因此智采工作面都把采煤機(jī)測直和刮板輸送機(jī)調(diào)直技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)檢測基點(diǎn)不同，工作面測直方法可分為3種：以采煤機(jī)軌跡為基線的測直方法；以刮板輸送機(jī)中心線為基線的測直方法；以液壓支架中心線為基線的測直方法。

4.1 基于采煤機(jī)軌跡的測直方法

1975年，英國研發(fā)了1種被稱為“工作面測量員”的采煤機(jī)直線度檢測裝置，其原理如圖17所示，它由1個(gè)裝在采煤機(jī)上的紅外線發(fā)射和接收儀及微型計(jì)算機(jī)組成，可不斷地對液壓支架或刮板輸送機(jī)上的反射線進(jìn)行三角位置測量，由此確定采煤機(jī)的行走軌跡。地面試驗(yàn)表明，該裝置行走200 m的直線度測量誤差為0.5 m。該裝置1980年裝在英國安德森公司生產(chǎn)的滾筒采煤機(jī)上進(jìn)行了井下試驗(yàn)。2003年，里德(REID D C)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出采煤機(jī)位置實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)，可測得井下采煤機(jī)行走軌跡的直線度。2005年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院推出以慣導(dǎo)技術(shù)為核心的LASC系統(tǒng)，迄今已在近澳大利亞近70%的井工采煤機(jī)工作面應(yīng)用。2017年，神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)紅柳煤礦在I-010305綜采工作面采煤機(jī)上使用了LASC技術(shù)，采煤機(jī)直線度檢測和調(diào)直誤差為±500 mm[84]。

圖17 英國提出的“工作面測量員”紅外定位原理

2015年，葛世榮等[85]提出了基于煤層地理信息系統(tǒng)(MGIS)的采煤機(jī)姿態(tài)檢測技術(shù)，經(jīng)過現(xiàn)場工作面試驗(yàn)證明，這種方法可實(shí)時(shí)測量采煤機(jī)行走軌跡、截割軌跡及其與煤層頂?shù)装尻P(guān)系， 是1種有前途的輔助智能化采煤機(jī)自動(dòng)駕駛的精準(zhǔn)感知技術(shù)；2017年，王世博等[86]研究了基于采煤機(jī)行走軌跡追蹤的刮板輸送機(jī)測直調(diào)直方法，可實(shí)現(xiàn)在綜采工作面不停機(jī)情況下的刮板輸送機(jī)連續(xù)調(diào)直，通過數(shù)值仿真和試驗(yàn)，證明所提出的方法可有效減小刮板輸送機(jī)的直線度偏差，使刮板輸送機(jī)的直線度誤差穩(wěn)定在 6倍的刮板輸送機(jī)測直誤差和液壓支架推移偏差范圍內(nèi)。

4.2 基于刮板輸送機(jī)中心線的測直方法

1997年，里德(REID D C)和海茵沃思(HAINSWORTH D W)[74]提出了利用采煤機(jī)來進(jìn)行刮板輸送機(jī)的直線度測量，通過跟蹤采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡、位置和姿態(tài)信息，直接表征出刮板輸送機(jī)的直線度形態(tài)。2017年，劉鵬坤等[87]提出了基于刮板輸送機(jī)的機(jī)器視覺檢測工作面直線度方法，將梯形窗口、灰度識別和特征搜索等視覺算法用于實(shí)時(shí)測量刮板輸送機(jī)的形態(tài)，建立視覺相機(jī)測量直線度的局部坐標(biāo)系，把測量的結(jié)構(gòu)光點(diǎn)像素值轉(zhuǎn)換為設(shè)定直線度的偏差距離，從而計(jì)算出以刮板輸送機(jī)節(jié)點(diǎn)為測量標(biāo)志點(diǎn)的工作面直線度。試驗(yàn)表明，視覺檢測的工作面直線度最大偏差為49 mm。2019年，方新秋等[88]研究了采用光纖光柵檢測刮板輸送機(jī)直線度技術(shù)，設(shè)計(jì)了光纖光柵三維曲率傳感器，可用于感知正交方向上離散點(diǎn)的曲率信息，該傳感器是由在柔性基材表面正交方向上刻槽， 且分別粘貼有光纖光柵串的礦用橡膠管組成，內(nèi)置光纖光柵傳感器的膠管與刮板輸送機(jī)貼合，在地面模擬刮板輸送機(jī)三維彎曲形態(tài)進(jìn)行檢測，各坐標(biāo)軸方向的監(jiān)測誤差小于±15 mm。

4.3 基于液壓支架中心線的測直方法

2013年，宋宏雷等[89]介紹了1種以定線拉繩作為基準(zhǔn)進(jìn)行定位移架的拉線定位方法，它在兩端支架的定線板之間拉緊1條基準(zhǔn)繩，每個(gè)支架定線板內(nèi)設(shè)有標(biāo)尺定位孔，通過標(biāo)尺確定和調(diào)整支架推進(jìn)行程，該方法在北宿煤礦1674綜采工作面對107臺液壓支架進(jìn)行了定位移架操作。2014年，李俊士[90]設(shè)計(jì)了1種利用多種傳感器對工作面找直方法，如圖18所示。其角度傳感器精度為±0.3°，行程傳感器精度為±5 mm，找直傳感器精度為±5 mm。2015年，牛劍峰[91]設(shè)計(jì)了1種基于液壓支架激光對位檢測的工作面測直系統(tǒng)，在每臺液壓支架上安裝激光對位傳感器。在井下試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的液壓支架直線度控制誤差小于30 mm。2019年，白晉銘等[92提出了1種行走機(jī)器人檢測液壓支架直線度方法，用巡檢機(jī)器人測量液壓支架底座的橫向偏移、縱向偏移、橫向斜角和縱向傾角等多維位置偏移信息，對150 m工作面的直線度檢測誤差小于100 mm，傾角檢測誤差小于8°。

1-刮板輸送機(jī);2-支架控制器;3-液壓支架;4-找直傳感器;5-角度傳感器圖18 液壓支架直線度檢測的多種傳感器布置

5 結(jié)語

環(huán)境感知是采煤機(jī)智能運(yùn)行的“視覺”“聽覺”和“嗅覺”，這方面能力的不足將致使采煤機(jī)摸不清方向、找不準(zhǔn)位置、看不到障礙，只能依賴采煤機(jī)司機(jī)的跟機(jī)觀測與操作。早期的采煤機(jī)對環(huán)境感知要求不高、重視不夠，但進(jìn)入自動(dòng)化開采和智能化開采時(shí)代，需要采煤機(jī)具備“眼明耳聰”的敏銳環(huán)境感知能力。

當(dāng)前的自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)已經(jīng)成熟，車上搭載了4個(gè)全景攝像頭、1個(gè)前置攝像頭(測距5～100 m)、12個(gè)超聲波雷達(dá)(測距3～5 m)、1個(gè)毫米波遠(yuǎn)程雷達(dá)(測距大于200 m)、4個(gè)毫米波中程雷達(dá)(測距100～200 m)、1個(gè)激光雷達(dá)等多種環(huán)境感知傳感器，如圖19所示。這種多信息融合架構(gòu)形成了全方面、立體化的自動(dòng)駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)，是智能采煤機(jī)環(huán)境感知能力提升可借鑒的模式。

圖19 自動(dòng)駕駛汽車環(huán)境傳感器布置

基于機(jī)載環(huán)境感知系統(tǒng)，研發(fā)采煤機(jī)SLAM技術(shù)，使之能在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行，可解決最核心的定位、建圖、導(dǎo)航(包括路徑規(guī)劃和跟蹤)、執(zhí)行反饋4個(gè)感知問題，進(jìn)而把采煤機(jī)行走避障、定位、調(diào)直、調(diào)姿等多項(xiàng)任務(wù)融為一體，構(gòu)建采煤機(jī)運(yùn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)。

致謝：謹(jǐn)以此文向?yàn)槲覈擅簷C(jī)感知技術(shù)發(fā)展做出卓越貢獻(xiàn)的前輩們致敬！作者致謝為本文索引資料提供便利的中國知網(wǎng)、百度咨詢、360百科等信息平臺。本文述及的采煤機(jī)相關(guān)技術(shù)研發(fā)時(shí)間可能有偏差，請讀者幫助校正和補(bǔ)充。