張鳳霞

（山西中招招標代理有限公司，山西 太原 030053）

引言

我國目前部分煤礦的掘進工作還是以人工作業(yè)為主，掘進效率難以得到提高。在掘進機作業(yè)時會產(chǎn)生較大濃度的粉塵，導致工作環(huán)境光線昏暗，司機的視野因為受到限制難以對截割頭的具體位置作出精準判斷，極易造成欠挖、超挖等施工問題，無法保證成型巷道的作業(yè)質(zhì)量。而一種懸臂式掘進機可視化輔助截割系統(tǒng)，可引導操作人員進行可視化作業(yè)。該系統(tǒng)的設計采用了視覺非接觸測量應用技術(shù)，使截割頭的定位難題得以解決，同時采用了捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)幫助傳感器精準定位、對機身的位姿進行準確感知。

1 輔助可視化截割應用系統(tǒng)總體設計方案

懸臂式掘進機可視化輔助截割系統(tǒng)總體設計方案，具體可分為工作面的建模，規(guī)劃軌跡模塊、采集數(shù)據(jù)信息及處理應用模塊、解算數(shù)據(jù)模塊、傳感器及顯示圖像模塊和存儲模塊的設置。

1）掘進機的建模與規(guī)劃軌跡模塊用于搭建掘進施工的數(shù)學運算模型，把巷道的斷面種類、走向、尺寸、截割技術(shù)等列入模型參數(shù)，再通過輸入顯示器操作界面的掘進機相關(guān)參數(shù)，即可完成掘進機截割需要規(guī)劃的軌跡，自動生成截割作業(yè)路徑，創(chuàng)建起截割頭的補償截割數(shù)學運算模型，結(jié)合截割頭的尺寸、機身的位姿、截割點的有效變化、巷道的邊界限制、截割運行軌跡補償?shù)?，完成截割頭移動的真實軌跡的規(guī)劃，避免巷道產(chǎn)生超挖或欠挖[1]。

2）傳感器的構(gòu)成主要分為超聲波及激光測量距離傳感器、捷聯(lián)式慣導和測量視覺的相關(guān)系統(tǒng)，其中測量視覺系統(tǒng)的主要構(gòu)成是紅外16 點LED型標靶與除塵防爆相機，相機被安裝在掘進機上，LED 紅外標靶被安裝在回轉(zhuǎn)臺附近。通過前期研究顯示，LED紅外多點標靶能夠避免因為灰塵多而造成視覺測量偏差，一般規(guī)定要將測量視覺的準確度誤差控制在±0.8°上下（垂直式擺角）和±0.5°上下（水平式擺角）[2]。

3）采集信息的處理應用模塊主要用于完成超聲波、捷聯(lián)式慣導等應用傳感器的數(shù)據(jù)信息的實時采集，并將采集回來的數(shù)據(jù)信息通過預處理，獲取傳感器的輸出量，再將輸出量傳輸至解算數(shù)據(jù)模塊。

4）解算數(shù)據(jù)應用模塊的主要構(gòu)成分為機身解算定位、截割頭解算定位及其解算軌跡。

5）顯示圖像應用模塊主要完成設置參數(shù)、顯示軌跡、提示控制量、查詢數(shù)據(jù)內(nèi)容等。

6）存儲應用模塊功能的實現(xiàn)依靠控制器的集成數(shù)據(jù)單元，與數(shù)據(jù)庫MySQL 相結(jié)合實現(xiàn)對巷道、機身、截割頭等相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲。煤礦懸臂式巷道掘進機輔助可視化截割控制系統(tǒng)依靠捷聯(lián)式慣導對巷道內(nèi)的掘進機進行定位，再通過捷聯(lián)式慣導、超聲波與激光組合傳感器對掘進機的位姿進行確定[3]。本模塊根據(jù)紅外圖像標靶進行定時圖像信息采集，再通過對圖像信息的預處理獲取截割頭姿態(tài)角，然后將其轉(zhuǎn)化至斷面的坐標系中，最終將其顯示在可視化操作界面，為操作者提供準確、直觀的導引和幫助。

2 系統(tǒng)相關(guān)軟件的開發(fā)

采用跨平臺VS2015+Qt5.8 軟件，以保證數(shù)據(jù)得到實時更新，使用多線編程執(zhí)行的方式使軟件具備多種應用功能。

主線程序負責更新主監(jiān)測操作界面，其中包括掘進機位姿的實時顯示，導引路徑、截割頭處在斷面時的實時位置更新顯示，掘進機欠挖或超挖時的報警。該系統(tǒng)輔助1 線程可以通過攝像機完成標靶圖像的采集，進行截割臂的姿態(tài)測量；輔助2 線程采用通信RS485 模塊完成超聲傳感器的數(shù)據(jù)采集；輔助3 線程采用通信RS485 模塊完成慣導捷聯(lián)數(shù)據(jù)的采集；輔助4 線程采用通信RS485 模塊完成激光傳感器測距數(shù)據(jù)的采集。各線程之間的信息交互由數(shù)據(jù)庫MySQL 負責完成，以便實現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)信息的傳輸和管理[4]。

按照懸臂式的掘進機輔助可視化截割應用系統(tǒng)方案，需要該系統(tǒng)界面實現(xiàn)對工況的實時數(shù)據(jù)信息的采集及計算，并對其結(jié)果進行存儲與顯示，以及完成各項參數(shù)設置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可查詢的功能等，如圖1所示。

圖1 可視界面的功能

該系統(tǒng)采用捷聯(lián)式慣導、超聲波和激光組合傳感器對巷道掘進機位姿進行精準定位，通過測量視覺系統(tǒng)獲取截割頭位于機身的準確位置，然后利用轉(zhuǎn)換坐標對截割頭巷道對應位置進行查找，最終在顯示器上按相應比例加以顯示。

在該系統(tǒng)1 區(qū)域通過動態(tài)圖形化顯示的辦法對巷道掘進機的位置進行精準顯示，其中包括顯示掘進機跟前方及其兩側(cè)煤壁相差距離、掘進機機身偏航角。在系統(tǒng)2 區(qū)域?qū)崿F(xiàn)模擬巷道的顯示，同時對掘進機截割規(guī)劃路徑加以顯示，通過動態(tài)橢圓圖形對截割頭的運行軌跡進行顯示，完成截割作業(yè)輔助性的導引幫助。在系統(tǒng)3 區(qū)域展示機身姿態(tài)角和機身與兩側(cè)煤壁的差距，同時以動態(tài)圖形化的形式加以顯示。在系統(tǒng)4 區(qū)域如果發(fā)現(xiàn)2 區(qū)域出現(xiàn)截割頭運行軌跡超越模擬巷道的邊界標準，系統(tǒng)會自動啟動指示燈進行報警，直至截割頭修正軌跡并符合邊界標準為止。在系統(tǒng)5 區(qū)域通過經(jīng)緯度的對比對掘進機所處位置進行實時顯示[5]。

3 測試驗證

3.1 截割頭的定位功能測試

相機距離LED 紅外標靶170 cm，采取內(nèi)參定相機的辦法獲取到相機的內(nèi)參數(shù)，其中主像素點為（617.68，512.234），焦距是5.116 mm。本論文通過試驗來驗證截割頭處于動態(tài)與靜態(tài)測量視覺的效果。

1）關(guān)于對截割頭進行的視覺靜止測試。當截割頭處于靜止時，在每隔100 ms 就進行一張圖片采集，圖2 是將圖片完成處理后的結(jié)果展示。

圖2 靜止截割頭視覺的測試變化結(jié)果

通過圖2 可以看到，當截割頭處于靜止時，抬升角在測量視覺時的跳動不會超過0.3°，回轉(zhuǎn)角的跳動不會超過0.25°，符合輔助可視化截割應用系統(tǒng)的設計標準和要求。

2）關(guān)于對截割頭視覺運動的測試。要檢測輔助可視化截割應用系統(tǒng)的可靠性，主要通過對運動狀態(tài)下截割頭視覺方面的性能情況測試加以確定。在截割頭處于靜止狀態(tài)時，每隔100 ms 進行一次圖片采集，首先需將截割頭保持垂直的方向靜止不動，再操作其截割頭從右至左勻速擺動[6]。測試中回轉(zhuǎn)角的擺動角度曲線變化平滑，并呈線性運動。對其擺角進行動態(tài)測試時，同樣采用每間隔100 ms 進行一張圖片采集，此時保持截割頭的回轉(zhuǎn)角不變，再通過截割頭由上至下的方式運動來進行圖像采集，要求截割頭與抬升角所擺動的角度保持一致，變化曲線平滑，呈線性運動關(guān)系，具有較好的穩(wěn)定性。

3.2 掘進機機身姿態(tài)性能試驗

1）九軸的捷聯(lián)式慣導相關(guān)靜置測試。為了達到降低對捷聯(lián)式慣導的影響作用，在其防爆殼內(nèi)用厚度為5 mm的硅膠墊將捷聯(lián)式慣導固定好，然后啟動捷聯(lián)式慣導，靜置1 min 以后，開始進行姿態(tài)角信息數(shù)據(jù)的采集，時間為10 min，其中俯仰角和橫滾角的變化都不超過0.4°，航向角所發(fā)生的變化不超過0.2°。通過以上測試可以看到，九軸的捷聯(lián)式慣導各項性能可靠、穩(wěn)定，符合系統(tǒng)相關(guān)的標準和要求[7]。

2）捷聯(lián)式慣導相關(guān)動態(tài)測試。在高精度自由旋轉(zhuǎn)臺上固定九軸的捷聯(lián)式慣導，需待方位臺正轉(zhuǎn)至2°、捷聯(lián)式慣導停穩(wěn)再進行數(shù)據(jù)采集，需要進行21個組次的連續(xù)性采集。測試結(jié)果顯示，航向角所發(fā)生的變化能夠符合輔助可視化截割機運行工作的精準度要求。

4 結(jié)論

1）在截割頭處于靜止狀態(tài)下，該系統(tǒng)設計抬升角只限于在不超過0.3°的范圍跳動，而回轉(zhuǎn)角在不超過0.25°的范圍跳動；當截割頭運行時，截割頭的擺動趨勢與測量結(jié)果相符，其運動曲線呈線性關(guān)系，具有良好的穩(wěn)定性能。

2）當掘進機的機身保持不動時，其俯仰角與橫滾角都不超過0.4°，而航向角則在不超過0.2°的范圍變化。在動態(tài)測試中，其航向角的曲線變化與旋轉(zhuǎn)臺方位角的曲線變化表現(xiàn)為斜率一致。

3）通過對該系統(tǒng)的測試結(jié)果可見，該系統(tǒng)的截割運行軌跡和報警提示功能穩(wěn)定可靠，符合相關(guān)標準及要求。