史新宇

（北辛窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

0 引言

巷道掘進(jìn)為煤礦開(kāi)采的關(guān)鍵環(huán)境，其是煤礦生產(chǎn)的基礎(chǔ)。巷道的掘進(jìn)主要依靠掘進(jìn)機(jī)完成。在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中，由行走機(jī)構(gòu)帶動(dòng)履帶對(duì)機(jī)身進(jìn)行移動(dòng)，由截割部的液壓缸對(duì)截割頭的位置進(jìn)行控制，再對(duì)掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)和液壓缸的聯(lián)合動(dòng)作，完成了對(duì)工作面巷道的掘進(jìn)任務(wù)[1-3]。

為了保證巷道的成型質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割任務(wù)的控制，需要對(duì)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)位置和截割頭的位置實(shí)時(shí)掌握，從而為其自動(dòng)、高質(zhì)量截割奠定基礎(chǔ)。本文將重點(diǎn)開(kāi)展掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿及截割頭位置的定位研究。

1 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位置感知及定位坐標(biāo)系

實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化、無(wú)人化操作是保證巷道成型質(zhì)量的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，掌握掘進(jìn)機(jī)機(jī)身和截割頭的實(shí)時(shí)位置，為其高質(zhì)量截割提供支撐。

本文所研究懸臂式掘進(jìn)機(jī)的型號(hào)為EBZ200，該型掘進(jìn)機(jī)與傳統(tǒng)設(shè)備相一致，主要包括截割機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、水路系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及行走系統(tǒng)；該型掘進(jìn)機(jī)集連續(xù)截割、裝載、運(yùn)輸?shù)裙δ転橐惑w，可用于對(duì)煤巷、煤巖巷以及軟巖巷道的掘進(jìn)任務(wù)。根據(jù)EBZ200 型掘進(jìn)機(jī)的性能參數(shù)，其所適用于掘進(jìn)工作面的寬度為3～5 m、高度為2.4～4.8 m；可掘進(jìn)工作面的最大坡度為18°。

為準(zhǔn)確描述掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的實(shí)時(shí)位置、掘進(jìn)機(jī)截割頭與機(jī)身的相互位置關(guān)系，需要對(duì)所開(kāi)采的巷道、掘進(jìn)機(jī)以及截割頭建立坐標(biāo)系，如圖1 所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位置感知和定位坐標(biāo)系統(tǒng)

由圖1 看出，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身及截割頭的定位需求，需要重點(diǎn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況建立巷道的坐標(biāo)系、機(jī)身的坐標(biāo)系和懸臂的坐標(biāo)系。

2 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿感知方法研究

本小節(jié)將根據(jù)不同的應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿感知方法進(jìn)行對(duì)比，為后續(xù)設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿感知系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

2.1 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位置測(cè)量技術(shù)對(duì)比

結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿感知方法的研究成果，可將掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿感知方法歸納為基于全站儀測(cè)量、基于慣性傳感器自動(dòng)測(cè)量、基于超寬帶技術(shù)自動(dòng)測(cè)量、基于IGPS 技術(shù)自動(dòng)測(cè)量、基于機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)測(cè)量；綜合對(duì)比上述不同技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，可將各方法應(yīng)用的優(yōu)劣勢(shì)歸納總結(jié)為表1。

表1 不同機(jī)身位姿感知方法應(yīng)用的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

綜合對(duì)比表1 中不同方法對(duì)掘進(jìn)機(jī)位姿感知測(cè)量的優(yōu)劣勢(shì)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)在測(cè)量距離、測(cè)量方式、測(cè)量連續(xù)性、位移和姿態(tài)角測(cè)量精度方面均優(yōu)于其他測(cè)量方法。因此。本項(xiàng)目采用基于機(jī)器視覺(jué)的方法對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿進(jìn)行感知。

2.2 掘進(jìn)機(jī)截割頭的定位方法研究

針對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭與機(jī)身位相互位置關(guān)系的定位要求，可采用基于油缸伸縮量測(cè)量技術(shù)、基于截割臂擺動(dòng)角度測(cè)量技術(shù)以及基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)。其中，基于油缸伸縮量和基于截割臂擺動(dòng)角度的測(cè)量技術(shù)屬于間接測(cè)量，其對(duì)設(shè)備的安裝精度較高，容易引發(fā)掘進(jìn)機(jī)油缸故障，從而影響整機(jī)的掘進(jìn)效率。而基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)屬于直接測(cè)量方法，具有較高的測(cè)量精度且對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不會(huì)系統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)整機(jī)運(yùn)行造成干擾。因此，本項(xiàng)目采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)對(duì)截割頭和機(jī)身的相互位置進(jìn)行測(cè)量。

3 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)及效果驗(yàn)證

3.1 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿感知系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿感知系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由圖2 可以看出，基于機(jī)器視覺(jué)的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿感知系統(tǒng)主要包括兩個(gè)十字激光器、兩臺(tái)防爆攝像機(jī)、兩臺(tái)激光成像標(biāo)靶以及一臺(tái)工況機(jī)。其中，兩個(gè)十字激光器安裝于巷道頂板，并與巷道的中心軸呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)；在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身安裝激光成像標(biāo)靶，一臺(tái)安裝于掘進(jìn)機(jī)機(jī)尾左側(cè)，另一臺(tái)安裝于掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭右側(cè)；兩臺(tái)防爆攝像機(jī)分別安裝于激光成像標(biāo)靶后方；工況機(jī)用于對(duì)圖像的特征進(jìn)行提取，并對(duì)圖像進(jìn)行解算得出掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)位置。

本方案中的十字激光器選用的設(shè)備的型號(hào)為YHJ 型，該型激光指向儀射程可達(dá)600 m，可發(fā)出綠色和紅色兩種光源。本方案所采用的激光標(biāo)靶的尺寸為長(zhǎng)度60 cm、寬度40 cm；鑒于工作面粉塵、煤塵濃度較大，激光標(biāo)靶將采用透光的防護(hù)罩罩住。本方案所采用的防爆攝像機(jī)的具體型號(hào)為KBA12 型。

3.2 掘進(jìn)機(jī)位姿感知系統(tǒng)測(cè)量精度驗(yàn)證

將上述設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿感知系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行分析。對(duì)掘進(jìn)機(jī)分別在進(jìn)入巷道0 m、10 m、30 m、60 m 以及100 m 時(shí)，對(duì)應(yīng)采用位姿感知系統(tǒng)測(cè)量的掘進(jìn)機(jī)的傾角和位移誤差進(jìn)行分析，得出如表2 所示結(jié)論。

表2 掘進(jìn)機(jī)位姿感知系統(tǒng)誤差分析

由表2 可知，采用位姿感知系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的位置姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，掘進(jìn)機(jī)的傾角誤差均小于0.1°，位移誤差小于20 mm，上述兩項(xiàng)誤差均在允許范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于巷道掘進(jìn)而言，按照預(yù)定軌跡對(duì)巷道進(jìn)行掘進(jìn)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面巷道的自動(dòng)化截割，對(duì)于保證最終巷道的成型質(zhì)量和掘進(jìn)效率尤為重要。結(jié)合上述需求，本文基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)設(shè)計(jì)了掘進(jìn)機(jī)的機(jī)身位姿感知和截割頭定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)位姿和截割頭與機(jī)身相互位置關(guān)系的精準(zhǔn)測(cè)量。

實(shí)踐表明：采用位姿感知系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的位置姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，掘進(jìn)機(jī)的傾角誤差均小于0.1°，位移誤差小于20 mm，上述兩項(xiàng)誤差均在允許范圍之內(nèi)。