崔婉桐

（山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司， 山西 太原 030002）

0 引言

掘進機是煤礦井下巷道掘進的核心裝備，主要依靠懸臂帶動截割機構(gòu)進行巖壁截割，形成規(guī)定形狀的巷道，但由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜、能見度差等情況，由人工在井下截割控制的過程中完全依靠操作手的視覺和經(jīng)驗控制，因此截割效率和精度均難以滿足巷道掘進需求，已經(jīng)成為限制井下綜采作業(yè)效率進一步提升的瓶頸。

1 VR 視覺智能截割控制系統(tǒng)

結(jié)合井下懸臂式掘進機的實際截割特性和自動化截割的控制需求，本文提出的基于VR 技術(shù)的掘進機智能截割控制系統(tǒng)整體控制構(gòu)架主要包括了機載計算機、工業(yè)以太網(wǎng)、掘進機本體以及DSP 控制器等，各個部分采用了模塊化設(shè)計及高速接口連接，工作時各個模塊獨立運行，當(dāng)出現(xiàn)故障的情況下能夠快速更換，提高了截割控制系統(tǒng)的使用可靠性。其整體架構(gòu)如圖1 所示[1]，該控制系統(tǒng)中掘進機的VR 控制系統(tǒng)以機載計算機和DSP 控制器為核心，利用井下視頻監(jiān)測的方式確定截割機構(gòu)相對于機身標(biāo)記點的相對位姿信息，然后再利用機身位姿監(jiān)測系統(tǒng)確定掘進機在巷道內(nèi)的相對位姿信息，數(shù)據(jù)信息在DSP 控制器內(nèi)經(jīng)過D-H 數(shù)據(jù)解算后確定掘進機最終的截割位姿情況并反饋到數(shù)據(jù)控制中心內(nèi)。

圖1 智能截割控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在數(shù)據(jù)控制中心內(nèi)系統(tǒng)通過讀取掘進機截割規(guī)劃路徑信息將規(guī)劃信息和實際信息進行對比，獲取數(shù)據(jù)信息的偏差量，根據(jù)偏差情況獲取掘進機各個機構(gòu)的調(diào)節(jié)量，然后通過模糊閉環(huán)控制理論來對掘進機電液比例閥的動作和開度進行控制，實現(xiàn)對掘進機截割姿態(tài)的靈活調(diào)整，同時在控制過程中系統(tǒng)不斷地對調(diào)節(jié)后的位姿狀態(tài)進行監(jiān)測、對比、修正，確保姿態(tài)調(diào)節(jié)的精確性。

2 視覺測量理論

該智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是視覺測量模塊測量的精確性，為了滿足在煤礦井下復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的使用需求，本文提出了一種新的視覺測量模塊[2]，以工業(yè)高清防爆攝像機為基礎(chǔ)，以工業(yè)以太網(wǎng)為數(shù)據(jù)傳輸核心，實現(xiàn)了對井下掘進機運行情況的精確監(jiān)測，該視覺測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 視覺監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，該系統(tǒng)在工作的過程中首先通過掘進機機身上的攝像機對截割過程中的紅外標(biāo)靶圖像進行采集，然后將視頻信息通過GIGE 數(shù)據(jù)[3]接口傳遞到控制中心內(nèi)，對視頻監(jiān)測結(jié)果進行解算。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性，在進行視覺圖像采集時其測量周期設(shè)置為50 ms。由于視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)具有瞬時數(shù)據(jù)量大、易受干擾的特性，因此在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中采用了雙向高速光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，不同的數(shù)據(jù)按各種專用的數(shù)據(jù)傳輸通道進行數(shù)據(jù)傳輸，既提高了數(shù)據(jù)傳輸速度又避免了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的相互干擾。

由于該系統(tǒng)對掘進機空間位姿的監(jiān)測是通過對視覺監(jiān)測圖像的分析而獲取的，因此視覺監(jiān)測圖像的分析準(zhǔn)確性，直接決定了該智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性。為了提升對圖像分析的準(zhǔn)確性，在進行視覺測量結(jié)果分析時，采用了圖像預(yù)處理的方式，采用高斯函數(shù)和圖像二值化的方式對圖像進行降噪和數(shù)據(jù)修正處理，最后再利用光斑中心定位的方式對圖像進行精細化處理，有效提升數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

該圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和掘進機的運行姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通，能夠根據(jù)姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果來對圖像視覺處理結(jié)果進行自動修正，從而避免了長期工作時累積誤差的影響，提高了掘進機在工作時的運行穩(wěn)定性和智能化程度，該圖像處理邏輯如圖3 所示[4]。

圖3 圖像數(shù)據(jù)處理邏輯示意圖

3 智能截割閉環(huán)控制系統(tǒng)

為了確保對掘進機截割過程調(diào)節(jié)的精確性，本文使用了一種新的智能截割閉環(huán)控制系統(tǒng)，以模糊閉環(huán)控制為核心，實現(xiàn)對掘進機截割系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)和控制，該閉環(huán)控制系統(tǒng)邏輯如圖4 所示[5]。

在該控制系統(tǒng)中通過視覺測量系統(tǒng)獲取掘進機的截割狀態(tài)信息，然后經(jīng)過位姿解算后獲取巷道截割斷面信息，將相關(guān)信息反饋給PID 控制器[6]，在系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)過比例放大器后輸出對掘進機截割狀態(tài)調(diào)節(jié)的控制信號，電液比例閥獲取控制信號后控制液壓缸和截割機構(gòu)進行調(diào)控[7]，在調(diào)控過程中系統(tǒng)重復(fù)性的對截割狀態(tài)進行監(jiān)測和對比，不斷地進行修正，滿足控制截割精確性的需求。

4 應(yīng)用效果分析

為了對該智能截割控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況進行分析，以EBZ220 型掘進機為例，其運行功率為355 kW，最大可掘進高度為4.8 m，最大可掘進寬度為5.96 m，本文對優(yōu)化后的掘進機截割情況進行跟蹤監(jiān)測[8]，其保證截割精度的俯仰角誤差監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 掘進機截割頭俯仰角誤差監(jiān)測結(jié)果

由圖5 可知，優(yōu)化后掘進機截割頭在運行過程中的俯仰角最大誤差為0.4°，顯著提升了掘進機巷道掘進時的精確性，同時由于截割精確性的提升減少了掘進過程中的二次修整作業(yè)，因此將巷道的掘進效率由最初的5.4 m/d 提升到了目前的6.23 m/d，效率提升了約15.7%，對于提升煤礦井下巷道掘進的效率和成型質(zhì)量具有十分重要的意義。

5 結(jié)論

1）基于VR 技術(shù)的掘進機智能截割控制系統(tǒng)整體控制構(gòu)架主要包括了機載計算機、工業(yè)以太網(wǎng)、掘進機本體以及DSP 控制器等；

2）新的視覺測量模塊，以工業(yè)高清防爆攝像機為基礎(chǔ)，以工業(yè)以太網(wǎng)為數(shù)據(jù)傳輸核心，實現(xiàn)了對井下掘進機運行情況的精確監(jiān)測；

3）智能截割閉環(huán)控制系統(tǒng)，以模糊閉環(huán)控制為核心，實現(xiàn)對掘進機截割系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)和控制；

4）優(yōu)化后的控制系統(tǒng)能夠?qū)⒕蜻M機的姿態(tài)變化偏差控制在0.4°以內(nèi)，將巷道掘進效率提升15.7%，為實現(xiàn)井下的無人化巷道掘進奠定了基礎(chǔ)。