邵小軍

（山西寧武大運(yùn)華盛老窯溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036002）

引言

掘進(jìn)機(jī)是一種設(shè)計(jì)用來破壞巖體，將巖體裝載在車輛（卡車、輸送機(jī)、裝載機(jī)等）上的采礦機(jī)械，適用于掘進(jìn)山區(qū)水平、傾斜巷道、豎井、隧道施工。遠(yuǎn)程控制是掘進(jìn)機(jī)工作中最重要的技術(shù)之一，該技術(shù)可大大降低隧道施工過程中的事故風(fēng)險(xiǎn)。掘進(jìn)機(jī)在地下進(jìn)行位置確定和感知主要依靠視頻進(jìn)行作業(yè)[1-2]，無法精確感知在地下的位置信息，也就無法實(shí)現(xiàn)精確開采。過去掘進(jìn)機(jī)在井下開采定位問題主要依靠人工和視頻方式進(jìn)行作業(yè)。本文針對(duì)上述問題，基于紅外激光傳感器采用慣性導(dǎo)航儀、加速度計(jì)、陀螺儀構(gòu)建網(wǎng)路解決井下掘進(jìn)機(jī)的定位并規(guī)避上述技術(shù)方法出現(xiàn)的問題。

1 定位系統(tǒng)

1.1 定位系統(tǒng)構(gòu)成

本文定位系統(tǒng)由紅外激光傳感器、慣性導(dǎo)航儀器、加速度和陀螺儀、控制部件等組成。紅外傳感器采集環(huán)境信息、位置信息和姿態(tài)信息。慣性導(dǎo)航用來測(cè)量掘進(jìn)機(jī)加速度，通過內(nèi)部運(yùn)算，轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航坐標(biāo)中的速度、偏轉(zhuǎn)角和位置。加速度和陀螺儀組成測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)水平，垂直角度的測(cè)量，還能夠進(jìn)行距離和高度差的測(cè)量[3-4]。

控制部件可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，通過發(fā)出指令與定位裝置相連，采集定位信息并反饋給后臺(tái)界面得到定位信息。操作人員實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位。整體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 定位系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 掘進(jìn)機(jī)位姿確定方法

定位原理如圖2所示，將激光定位靶球安裝在掘進(jìn)機(jī)上，測(cè)量系統(tǒng)確定靶球的位置，從而確定測(cè)量系統(tǒng)本身的坐標(biāo)和姿態(tài)角，進(jìn)而得到測(cè)量系統(tǒng)所在的坐標(biāo)系，那么就能實(shí)現(xiàn)靶球位置，掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)角由慣性導(dǎo)航儀測(cè)定，其與靶球共同確定掘進(jìn)機(jī)坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)定位功能。

圖2 位姿狀態(tài)確定

1.3 坐標(biāo)系的確定

根據(jù)前述位姿狀態(tài)確定原理可知、掘進(jìn)機(jī)絕對(duì)坐標(biāo)系由地面坐標(biāo)系統(tǒng)、掘進(jìn)機(jī)坐標(biāo)系，巷道坐標(biāo)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系4個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)組成，見下頁圖3。采用右手法則確定所有系統(tǒng)方向。根據(jù)右手法則，確定地面坐標(biāo)系X方向?yàn)闁|面，Y軸為北面。同時(shí)垂直此兩軸向?yàn)閆軸正向。同理，根據(jù)右手定則，X軸方向在右，垂直巷道地面向上的方向就是Z軸方向，此時(shí)，就確定了巷道坐標(biāo)系統(tǒng)。掘進(jìn)機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)的Y軸定義為北面，X軸則為垂直Y軸向右，垂直XY方向則為Z方向。

圖3 定位方位坐標(biāo)

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

要解決掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制而不需要作業(yè)人員可視控制的問題，就必須解決幾個(gè)問題：

首先，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，主要是通過安裝在掘進(jìn)機(jī)上的傳感器來實(shí)現(xiàn)，這類傳感器功能主要是采集掘進(jìn)機(jī)的工作體的位置和傾斜角度傳感器。此外，還有以電控控制閥驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，除了更好地控制動(dòng)力設(shè)備的狀態(tài)外，在掘進(jìn)機(jī)的液壓和電氣電路中還將引入傳感器來收集掘進(jìn)機(jī)負(fù)載的信息。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)負(fù)載異常時(shí)，掘進(jìn)機(jī)將停止工作，操作員將收到錯(cuò)誤信息。

要實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程操控，需要一個(gè)可以進(jìn)行交互的遠(yuǎn)程控制器來實(shí)現(xiàn)操作人員和掘進(jìn)機(jī)的信息傳遞和交流，為了建立這個(gè)系統(tǒng)，需要進(jìn)行一系列的仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)來確定信號(hào)處理和傳輸。

其次，從技術(shù)角度來看，在掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的各種障礙中，掘進(jìn)機(jī)提供線性運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)是最困難的。該系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)體在三個(gè)平面上的位置進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。這是為了保證隧道工程的準(zhǔn)確性能。在此基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)將計(jì)算出的工作機(jī)構(gòu)的位置傳送給操作人員，以保證過程的可視化。目前，這種系統(tǒng)存在于連續(xù)掘進(jìn)機(jī)中，但可靠性較低。這些系統(tǒng)大部分是基于激光傳感器與反射系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)如圖4所示,由一個(gè)激光指針1、2和三個(gè)反射器傳感器3組成。

在所開發(fā)的系統(tǒng)中，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)紅外距離傳感器與主動(dòng)照明系統(tǒng)。接收機(jī)沿掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)軸線隨機(jī)定位。發(fā)射機(jī)信號(hào)位于掘進(jìn)機(jī)本體上。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)打開時(shí)，系統(tǒng)初始化其在空間中的位置。從而根據(jù)傳感器的讀數(shù)將掘進(jìn)機(jī)的位置和工作體計(jì)算出來。如果任一掘進(jìn)機(jī)元件被加熱到與紅外輻射器溫度相等的溫度，則輻射器改變其工作溫度。這樣的系統(tǒng)應(yīng)確保最大的可靠性和準(zhǔn)確性。

在確定了掘進(jìn)機(jī)本體的位置后，操作者可以通過遙控器發(fā)出指令。在這種情況下，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過交換機(jī)與井下掘進(jìn)機(jī)的下位機(jī)進(jìn)行交互。下位機(jī)得到指令后給執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)在地面顯示設(shè)備上反饋信息精確顯示位置信息，并對(duì)掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的操作性進(jìn)行應(yīng)急狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以提高掘進(jìn)機(jī)工程的安全性。

2.2 定位算法

掘進(jìn)機(jī)在巷道中的定位問題用以往的文獻(xiàn)中單純使用慣性導(dǎo)航得出實(shí)時(shí)狀態(tài)的姿態(tài)角是無法完成的，表示旋轉(zhuǎn)過程的歐拉角也無法利用慣性導(dǎo)航得出。按照一定順序旋轉(zhuǎn)根據(jù)相同角度是無法得到相應(yīng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。這種問題是由于旋轉(zhuǎn)順序和坐標(biāo)定義不同都會(huì)使得旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算結(jié)果不同。目前還沒有發(fā)現(xiàn)根據(jù)姿態(tài)角旋轉(zhuǎn)，利用慣性導(dǎo)航實(shí)時(shí)計(jì)算姿態(tài)角算法[5]。

因此，利用慣性導(dǎo)航進(jìn)行定位算法是十分必要的。首先，根據(jù)慣性導(dǎo)航儀測(cè)出的姿態(tài)角定義為α，β，γ，坐標(biāo)向量由此姿態(tài)角計(jì)算得出，解算得出掘進(jìn)機(jī)的坐標(biāo)系定義為O、X、Y、Z，最后用測(cè)量設(shè)備測(cè)量出定位靶球的坐標(biāo)，輸出參數(shù)距離L，方位角αf和傾角αq，在這里假設(shè)測(cè)量設(shè)備的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)定位為（x0，y0，z0）。根據(jù)上述內(nèi)容用公式（1）計(jì)算出測(cè)量設(shè)備的坐標(biāo)（x0b，y0b，z0b）：

使用加速度計(jì)、陀螺儀和紅外傳感器系統(tǒng)測(cè)定測(cè)量設(shè)備姿態(tài)角，解算出測(cè)量設(shè)備所在的坐標(biāo)系O、X、Y、Z向量，由測(cè)量設(shè)備基準(zhǔn)點(diǎn)和坐標(biāo)解得靶球在地面坐標(biāo)系統(tǒng)中的絕對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)。求出靶球在掘進(jìn)機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，在根據(jù)測(cè)量設(shè)備在掘進(jìn)機(jī)坐標(biāo)系中坐標(biāo)增量，求出絕對(duì)坐標(biāo)。

1）將方位角定義為azimuth、橫滾角定義為Roll angle、俯仰角定義為angle of pitch，這些姿態(tài)角由慣導(dǎo)實(shí)時(shí)輸出；

2）將掘進(jìn)機(jī)Y軸向量投影在XOY平面上，假設(shè)單位長(zhǎng)度為l;

3）由azimuth和angle of pitch求出Y軸向量；

4）對(duì)Y軸向量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；

5）X軸和Y軸垂直，坐標(biāo)正交內(nèi)積為0；

6）已知Roll angle，長(zhǎng)度l，可求出X軸單位向量；

7）用X、Y軸向量差積正交化求得Z軸向量；

8）由已知相對(duì)坐標(biāo)，根據(jù)所求坐標(biāo)系，求得該坐標(biāo)點(diǎn)在坐標(biāo)系下的投影坐標(biāo)增量；

9）計(jì)算定位坐標(biāo)。

3 結(jié)語

基于無線紅外傳感器，研制新的掘進(jìn)機(jī)井下定位系統(tǒng)，應(yīng)用本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)定位掘進(jìn)機(jī)工作位置，感知工作環(huán)境。為后續(xù)實(shí)現(xiàn)和周圍環(huán)境交互工作提供基礎(chǔ)。