李瑤瑤

（太原煤氣化龍泉能源發(fā)展有限公司，山西 太原 030303）

引言

掘進(jìn)機(jī)作為井下巷道掘進(jìn)的主要裝備，所處巷道工作環(huán)境非常惡劣，常伴有高溫、潮濕、噪音大和灰塵大等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅工人們的健康。因此，推動(dòng)巷道掘進(jìn)自動(dòng)化與智能化是未來(lái)煤礦生產(chǎn)行業(yè)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型的必然選擇[1]。

掘進(jìn)機(jī)的自主糾偏運(yùn)動(dòng)控制是掘進(jìn)機(jī)智能化導(dǎo)控與巷道智能截割的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，綜掘巷道內(nèi)的復(fù)雜路況如巷道傾斜、底板滑移等對(duì)掘進(jìn)機(jī)的糾偏運(yùn)動(dòng)控制造成了極大困擾，因此實(shí)現(xiàn)高精度的掘進(jìn)機(jī)糾偏控制對(duì)煤礦智能化生產(chǎn)意義重大。

1 定向掘進(jìn)原理

1.1 位置與姿態(tài)的監(jiān)測(cè)

掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)受限于有限空間，定位技術(shù)屬于室內(nèi)定位導(dǎo)航。根據(jù)信號(hào)的不同，可分為機(jī)器視覺(jué)、無(wú)線電、激光、超聲波等定位技術(shù)[2]。

因受礦井下生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜程度影響，傳統(tǒng)的的定位技術(shù)早已滿足不了現(xiàn)在掘進(jìn)機(jī)精準(zhǔn)定位的要求，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)位姿的要求。許多國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者不斷地在嘗試新的定位技術(shù)，不間斷地探索研究。

選取巷道坐標(biāo)參考點(diǎn)，固定掘進(jìn)機(jī)后側(cè)四個(gè)模塊，進(jìn)行三維坐標(biāo)標(biāo)定，同時(shí)利用激光測(cè)距儀標(biāo)定機(jī)身模塊坐標(biāo)值，建立姿態(tài)計(jì)算方程，再結(jié)合機(jī)身節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出姿態(tài)與位置。

1.2 掘進(jìn)機(jī)糾偏技術(shù)

通過(guò)建立掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型如圖1，可以精確計(jì)算出掘進(jìn)機(jī)的準(zhǔn)確姿態(tài)和位置。

圖1 運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型

因煤礦綜掘工作面的復(fù)雜工況，導(dǎo)致巷道底板的潮濕、泥濘或凹凸不平等工況，針對(duì)傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)行駛性能與糾偏控制未考慮滑移及巷道傾角的問(wèn)題，為準(zhǔn)確計(jì)算煤礦巷道實(shí)際工況下掘進(jìn)機(jī)糾偏運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)，文中首先建立了綜合考慮巷道傾角與履帶滑移的掘進(jìn)機(jī)糾偏運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型[3]。

通過(guò)控制前后鏟板與支撐部件的高低來(lái)調(diào)整掘進(jìn)的角度；對(duì)中航向過(guò)程是通過(guò)控制左右履帶的轉(zhuǎn)動(dòng)使的掘進(jìn)機(jī)自身位置與計(jì)劃的位置相重合，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)身位姿的調(diào)整。

2 掘進(jìn)機(jī)糾偏技術(shù)仿真分析

首先，分別對(duì)本文所建模型的正弦響應(yīng)曲線進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證所建動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，巷道底板仿真參數(shù)為：濕度為5%；煤質(zhì)土與砂壤土質(zhì)量比例1∶9，其他仿真參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表1。

表1 掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)

其中，以Y 軸為掘進(jìn)機(jī)的航向，每隔10 m 標(biāo)定一個(gè)巡航點(diǎn)，在5～400 m 航向范圍內(nèi)進(jìn)行近千次的仿真計(jì)算，得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的仿真值與誤差范圍。

對(duì)仿真計(jì)算后得到的結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，取得了X、Y 軸隨距離變化的誤差規(guī)律如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 X、Y 軸仿真誤差均值隨距離分布曲線

通過(guò)仿真結(jié)果擬合曲線可以看出，X、Y 軸方向上的誤差隨著距離的增加呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)，在能滿足礦井巷道工程正常驗(yàn)收規(guī)范的條件下，它的有效測(cè)量范圍在400 m 以上，相比較現(xiàn)有的掘進(jìn)機(jī)定位技術(shù)而言，本文設(shè)計(jì)的定位技術(shù)方案在距離上提高了約300%左右。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證定向自動(dòng)掘進(jìn)系統(tǒng)的可靠性，搭建了簡(jiǎn)易的定向掘進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3 所示。為方便對(duì)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的履帶式移動(dòng)機(jī)器人替代掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[4]。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)以樓道模擬巷道環(huán)境，確定巷道坐標(biāo)系，首先采用全站儀測(cè)量履帶機(jī)器人和激光測(cè)量坐標(biāo)系在巷道坐標(biāo)系中的位姿，并對(duì)相機(jī)進(jìn)行外參標(biāo)定。根據(jù)當(dāng)前機(jī)身位姿誤差確定輸出控制命令，控制左右履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)不斷調(diào)整使機(jī)身移動(dòng)至期望位置。

如圖4 機(jī)身軌跡跟蹤結(jié)果中，機(jī)身從起始位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)存在起始位置偏差，隨著運(yùn)動(dòng)進(jìn)行，機(jī)身逐漸沿參考軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過(guò)不斷調(diào)整機(jī)身運(yùn)動(dòng)方向，機(jī)身最終運(yùn)動(dòng)至期望點(diǎn)。從圖5 機(jī)身軌跡跟蹤誤差中可得，機(jī)身位置和偏航角誤差最終都收斂，且機(jī)身在X 方向的位置誤差為±150 mm 以內(nèi)，在Y方向的位置誤差為±200 mm 以內(nèi)，機(jī)身偏向角角度誤差在0.15°以內(nèi)，均滿足允許范圍。

圖4 機(jī)身軌跡跟蹤結(jié)果

圖5 機(jī)身軌跡跟蹤誤差

4 結(jié)論

1）本文提出的計(jì)算模型更加精準(zhǔn)，具有不易脫靶、標(biāo)靶移動(dòng)少等優(yōu)點(diǎn)。

2）以兩個(gè)激光指向儀為參考基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的相對(duì)位姿測(cè)量，姿態(tài)角角度誤差在0.3°以內(nèi)，位置誤差在25 mm 以內(nèi)，獲得了穩(wěn)定的測(cè)量效果。

3）根據(jù)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)糾偏策略，構(gòu)建了掘進(jìn)機(jī)定向掘進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制模型，軌跡跟蹤控制實(shí)驗(yàn)表明，控制器按照視覺(jué)測(cè)量反饋的信息控制機(jī)身沿設(shè)定的參考軌跡運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至終點(diǎn)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)機(jī)身偏航角角度誤差在0.15°以內(nèi)，機(jī)身位置誤差在200 mm 以內(nèi)，可在誤差允許范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制。