【中圖分類號(hào)】TP273；TD63+2 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A【文章編號(hào)】1673-1069（2025）05-0127-03

1引言

鑿巖掘進(jìn)設(shè)備作為現(xiàn)代礦山開采及大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的關(guān)鍵機(jī)械裝備，主要用于在巖體中鉆孔，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的爆破作業(yè)。隨著工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，行業(yè)對(duì)設(shè)備在鉆孔精度、作業(yè)效率及操作安全性等方面提出了更高要求。傳統(tǒng)鑿巖作業(yè)方式高度依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)與技能水平，導(dǎo)致施工過程存在精度難以保障、效率受限及人員安全風(fēng)險(xiǎn)較高等問題。為提升鑿巖掘進(jìn)設(shè)備的智能化水平，降低人為操作誤差和勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)施工安全性與整體作業(yè)效率，近年來研究者逐步引人基于計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化系統(tǒng)。該類系統(tǒng)通常通過在設(shè)備上集成多組高精度傳感器，實(shí)時(shí)獲取鉆臂的位姿信息，并利用工控計(jì)算機(jī)（IPC）進(jìn)行控制與路徑規(guī)劃。然而，從傳感器獲得的鉆臂關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)往往不能直接用于控制計(jì)算機(jī)的執(zhí)行控制環(huán)節(jié)，需經(jīng)過進(jìn)一步的解析與轉(zhuǎn)換，才能滿足精確控制的需求。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種鉆臂位姿顯示方法，能夠?qū)崿F(xiàn)從傳感器獲得的鉆臂關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)向位姿信息的有效轉(zhuǎn)換，并在工控機(jī)終端上完成圖形化顯示。該方法基于鉆臂的各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)值，構(gòu)建鉆臂在隧道斷面坐標(biāo)系的位姿矩陣；基于位姿矩陣，計(jì)算鉆臂的旋轉(zhuǎn)角和單位投影長(zhǎng)度；基于預(yù)設(shè)的坐標(biāo)偏移轉(zhuǎn)換關(guān)系、旋轉(zhuǎn)角和單位投影長(zhǎng)度，計(jì)算鉆臂在工控機(jī)的屏幕坐標(biāo)系的屏幕坐標(biāo)，并繪制鉆臂在屏幕坐標(biāo)系的投影線，以在工控機(jī)顯示鉆臂在隧道斷面坐標(biāo)系的位姿。

該方法利用高度敏感的傳感器技術(shù)，通過對(duì)鉆臂上傳感器的位移及角度的轉(zhuǎn)化，將鑿巖掘進(jìn)設(shè)備鉆臂的位姿與控制計(jì)算機(jī)（工控機(jī)）屏幕坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了鉆臂姿態(tài)的實(shí)時(shí)可視化顯示，還為后續(xù)路徑規(guī)劃與操作控制提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，有效彌合了傳感器原始數(shù)據(jù)與控制執(zhí)行系統(tǒng)之間的信息鴻溝。

2屏幕比例尺的設(shè)定與隧道尺寸映射

設(shè)置屏幕比例尺不僅是視覺呈現(xiàn)的基礎(chǔ)操作，更是實(shí)現(xiàn)鉆臂控制系統(tǒng)“從物理空間到屏幕空間”高保真映射的關(guān)鍵步驟，對(duì)整個(gè)鑿巖智能控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、通用性與可視化效果具有重要意義。

2.1屏幕坐標(biāo)系的定義與構(gòu)建原則

本步驟作用在于實(shí)現(xiàn)三維空間中鑿巖掘進(jìn)設(shè)備鉆臂位姿信息與工控機(jī)屏幕二維坐標(biāo)系之間的精確映射，為后續(xù)的姿態(tài)顯示和控制交互奠定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。在鑿巖掘進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，鉆臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需實(shí)時(shí)在工控機(jī)終端可視化顯示，便于操作者觀察其與隧道邊界的相對(duì)位置和鉆人角度，確保施工安全與作業(yè)精度。因此，在屏幕坐標(biāo)系中如何合理、準(zhǔn)確地還原實(shí)際隧道斷面尺寸，成為圖形顯示與交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。

2.2隧道斷面尺寸的采集與動(dòng)態(tài)適配

首先定義了一個(gè)具有固定屏幕寬高比（如3：2）的坐標(biāo)框架，并以 10cm 為最小刻度單位設(shè)置初始比例尺。該比例尺默認(rèn)以隧道斷面的實(shí)際寬度作為參考，在屏幕上繪制與實(shí)際空間尺度成比例的網(wǎng)格線，提供基礎(chǔ)的幾何參考背景。

2.3比例尺因子divisor的設(shè)定邏輯

隨著隧道斷面寬度的變化，為保持圖形顯示的尺度一致性和辨識(shí)性，系統(tǒng)引入比例因子divisor，其值為隧道實(shí)際斷面寬度與屏幕上設(shè)定隧道斷面寬度的比。divisor支持隨著隧道斷面寬度增大，自動(dòng)變化刻度框比例尺倍數(shù)。當(dāng)隧道變寬，比例尺以更大單位自動(dòng)切換（如從 10cm 到 20cm，50cm） ，從而避免因縮放不當(dāng)而導(dǎo)致圖形失真或超出顯示范圍。例如，設(shè)定每個(gè)屏幕像素為 _1cm ，當(dāng)刻度單位為 10cm 時(shí)，divisor為1；當(dāng)刻度單位為 20cm 時(shí)，divisor為2；當(dāng)刻度單位為 50cm 時(shí)，divisor為5，以此類推。

2.4圖形縮放機(jī)制與可視一致性設(shè)計(jì)

divisor不僅用于設(shè)置背景網(wǎng)格的尺度，還作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中的縮放因子，對(duì)所有繪制圖形的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。凡是基于傳感器計(jì)算得到的鉆臂坐標(biāo)、長(zhǎng)度、角度等參數(shù)，均需除以divisor以轉(zhuǎn)換為屏幕上的相對(duì)位置。這一機(jī)制確保了不同尺度隧道下，鉆臂投影的幾何比例與其真實(shí)物理尺寸嚴(yán)格一致，保障了位姿顯示的準(zhǔn)確性與工程可解釋性。

3基于D-H模型的鉆臂末端位姿計(jì)算

此步驟是鑿巖掘進(jìn)設(shè)備位姿顯示方法中的核心步驟，旨在實(shí)現(xiàn)鉆臂從關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)到實(shí)際空間中準(zhǔn)確位置與方向（即位姿）的數(shù)學(xué)映射，為實(shí)現(xiàn)高精度鉆臂控制與三維可視化顯示提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐。該步驟不僅連接了傳感器層與可視化層之間的數(shù)據(jù)鏈路，還為后續(xù)的路徑規(guī)劃、碰撞預(yù)警和自動(dòng)控制等功能提供基礎(chǔ)條件，其技術(shù)意義和工程價(jià)值尤為重要。

3.1鉆臂結(jié)構(gòu)與關(guān)節(jié)建模方法

首先以鑿巖掘進(jìn)設(shè)備鉆臂的末端執(zhí)行器（即末端點(diǎn) m ）作為研究對(duì)象，該點(diǎn)是整個(gè)鉆臂路徑的目標(biāo)終點(diǎn)，其在空間中的位置及姿態(tài)決定了鉆孔的起始位置、方向和深度。由于鉆臂本體具有多個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)（如肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)等），其運(yùn)動(dòng)呈強(qiáng)非線性特征，單靠末端位置坐標(biāo)無法反推各關(guān)節(jié)狀態(tài)，因此通常采用正向運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法對(duì)鉆臂的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。在本研究中，利用D-H（Denavit-Hartenberg）建模方法對(duì)鉆臂的8個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行建模，以構(gòu)建出從底座到末端的逐級(jí)位姿變換關(guān)系。

3.2坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換：從車體坐標(biāo)系到隧道斷面坐標(biāo)系

在D-H建模的基礎(chǔ)上，通過實(shí)時(shí)采集各關(guān)節(jié)角度（即傳感器獲取的關(guān)節(jié)值），獲取鉆臂8個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)值，利用D-H法計(jì)算鉆臂末端 m 在車體坐標(biāo)系 s 的位姿矩陣

根據(jù)位姿轉(zhuǎn)換公式 ，計(jì)算得到，該矩陣即為車體坐標(biāo)系 s 相對(duì)于隧道斷面坐標(biāo)系 H 的位姿矩陣，其中矩陣第四行的前3個(gè)值即為車體坐標(biāo)系在隧道斷面坐標(biāo)系的x，y，z 坐標(biāo)值。

3.3屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換邏輯與坐標(biāo)原點(diǎn)統(tǒng)一

將位姿坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為工控機(jī)屏幕坐標(biāo)系中的像素位置。這一轉(zhuǎn)換過程涉及兩方面的操作：一是坐標(biāo)原點(diǎn)的重定義，二是坐標(biāo)系方向的統(tǒng)一。由于計(jì)算機(jī)屏幕的默認(rèn)坐標(biāo)原點(diǎn)位于左上角，而鉆臂在現(xiàn)實(shí)中通常以設(shè)備底座中心或車體中心為參考點(diǎn)，故需將屏幕原點(diǎn)重新定位于鉆臂中心點(diǎn)（通常設(shè)定為離地1.5米的位置），并在該點(diǎn)展開鉆臂圖形的顯示。與此同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)屏幕 y 軸方向向下增長(zhǎng)，而數(shù)學(xué)坐標(biāo)系中 y 軸通常向上，需要對(duì) y 軸數(shù)值進(jìn)行符號(hào)反轉(zhuǎn)，以保證投影變換的方向一致性。所以將計(jì)算出來的 x，y，z 坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為工控機(jī)的屏幕坐標(biāo)，與屏幕上車體位置相關(guān)聯(lián)，邏輯如下：

① 定位原點(diǎn)坐標(biāo)到臺(tái)車中心位置：由于計(jì)算機(jī)屏幕的原點(diǎn)（0，0）在屏幕的左上角，而鑿巖設(shè)備（或臺(tái)車）的中心位置在離地面1.5米處（可設(shè)定），需要將屏幕的原點(diǎn)（0，0）轉(zhuǎn)化到此處（離地面1.5米處）。

② 數(shù)學(xué)坐標(biāo)系與屏幕坐標(biāo)系統(tǒng)一：計(jì)算機(jī)屏幕坐標(biāo)的 y 值與數(shù)學(xué)坐標(biāo)系的 y 值相反，需要把數(shù)學(xué)坐標(biāo)系的 y 值再乘以-1進(jìn)行統(tǒng)一。

3.4工控機(jī)顯示實(shí)現(xiàn)邏輯與 ^C++ 示例

工控機(jī)屏幕坐標(biāo)變換還需考慮比例尺因子的作用。上文定義的比例尺因子（divisor）在此處被繼續(xù)應(yīng)用，以將現(xiàn)實(shí)中的單位映射為屏幕上的像素單位。所有的坐標(biāo)值 （Φ_x，y，z） 在轉(zhuǎn)化為屏幕坐標(biāo)時(shí)均需除以divisor，從而實(shí)現(xiàn)不同隧道尺寸下的適配性，確保圖形顯示的尺度統(tǒng)一性與清晰性。以下所使用的是 C++ 開發(fā)語(yǔ)言，其中opt_p為點(diǎn)對(duì)象， setX 函數(shù)是設(shè)置X 坐標(biāo)，setY函數(shù)是設(shè)置Y坐標(biāo);boundingRect為屏幕的大小，函數(shù)width0為屏幕寬度，函數(shù) 為屏幕高度。

① 定位原點(diǎn)臺(tái)車中心 X 坐標(biāo)位置：opt_p.setX（boundingRect.width/2）;② 定位原點(diǎn)臺(tái)車中心 Y 坐標(biāo)位置，其中 Y 坐標(biāo)取反，設(shè)置位置為離地1.5米：opt_p.setY（boundingRect.width-150O/divisor）;

4鉆臂位姿向工控機(jī)屏幕坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換與可視化顯示

此步驟是鑿巖掘進(jìn)設(shè)備位姿可視化系統(tǒng)的終端環(huán)節(jié)，其核心目標(biāo)是在工控機(jī)屏幕上動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確、連續(xù)地呈現(xiàn)鉆臂在三維空間中運(yùn)行過程中的位姿變化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知與人機(jī)交互。這一功能不僅提升了操作員對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的掌握程度，而且為安全防護(hù)、路徑校驗(yàn)、誤差診斷等后續(xù)智能功能提供了重要的可視化支撐，是將數(shù)字感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀圖形反饋的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4.1實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取與軌跡投影原理

本步驟以傳感器實(shí)時(shí)采集到的鉆臂8個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度為輸入數(shù)據(jù)源，結(jié)合前兩步中已完成的坐標(biāo)系映射與位姿矩陣構(gòu)建，通過連續(xù)調(diào)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和圖形繪制邏輯，將鉆臂末端在隧道斷面坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)變化以投影線的形式實(shí)時(shí)顯示于屏幕上，構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)刷新、連貫準(zhǔn)確的鉆臂姿態(tài)監(jiān)控界面。

4.2末端位姿實(shí)時(shí)計(jì)算與轉(zhuǎn)換流程

首先通過對(duì)關(guān)節(jié)角的持續(xù)采集與更新，實(shí)現(xiàn)了鉆臂末端位姿的動(dòng)態(tài)計(jì)算。實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前動(dòng)作下8個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)值，并得到 _m^sT=₀^sT^?0₁T^?1₂T^…7₈T^?8_mT? ，鉆臂末端在隧道斷面坐標(biāo)系的位姿可通過 Σ_m^HT=_s^HT?_m^sT 計(jì)算得到，其中矩陣第四行的前3個(gè)值為鉆臂末端在隧道斷面坐標(biāo)系的 x，y，z 坐標(biāo)，矩陣的1～3行、1～3列組成的 3×3 矩陣進(jìn)行計(jì)算可得到鉆臂末端在隧道斷面坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角、探出角。

根據(jù)鉆桿的鉆入長(zhǎng)度length，以及旋轉(zhuǎn)角alpha、探出角gamma，計(jì)算得到鉆入深度、投影方向、單位投影長(zhǎng)度 D 。

4.3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與繪制邏輯

將實(shí)時(shí)計(jì)算出來的 x，y，z 坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為工控機(jī)的屏幕坐標(biāo)，并在屏幕上顯示鉆臂的坐標(biāo)和鉆臂投影。計(jì)算結(jié)果通過除以預(yù)設(shè)的比例因子divisor，轉(zhuǎn)化為屏幕上的像素單位，以確保不同隧道斷面尺寸下的圖形顯示具備統(tǒng)一的尺度基準(zhǔn)。

① 設(shè)置鑿巖設(shè)備的中心位置（每次都做），在圖形繪制層面，系統(tǒng)以鉆臂基準(zhǔn)點(diǎn)（設(shè)備中心）為起始點(diǎn)，首先在屏幕坐標(biāo)系中進(jìn)行坐標(biāo)原點(diǎn)定位。通常，屏幕中心水平位置設(shè)為臺(tái)車中心的 X 軸坐標(biāo)，而 Y 軸坐標(biāo)設(shè)為離地1.5米的位置，并進(jìn)行 Y 軸反轉(zhuǎn)以適配屏幕坐標(biāo)系方向。之后，通過將鉆臂末端的空間坐標(biāo) （x，y） 疊加至初始點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鉆臂末端點(diǎn)在屏幕坐標(biāo)上的定位。代碼如下：

opt_p.setX（boundingRect.width/2）;

opt_p.setY（boundingRect.hight-150o/divisor）;

② 設(shè)置 x 和 y 軸坐標(biāo)的相對(duì)偏移量，注意計(jì)算機(jī)屏幕 y 軸方向向下增長(zhǎng)， y 坐標(biāo)需要取反。

opt_p.setX（opt_p.x+x/divisor）;

opt_p.setY（opt_p.yO-y/divisor）;

③ 根據(jù)單位投影長(zhǎng)度 D 、旋轉(zhuǎn)角alpha和鉆桿的鉆人長(zhǎng)度length計(jì)算出鉆臂投影點(diǎn)opt_tail。鉆臂上的點(diǎn)的投影點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)的計(jì)算公式為：

opt_tail .X= （lengthxopt2_cosxD）/divisor opt_tail.Y ′= （lengthxopt2_sinxD）/divisor

式中，opt_tail.X為投影點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)的 x 軸坐標(biāo)，length為鉆臂上的點(diǎn)的鉆入長(zhǎng)度， 為鉆臂上的點(diǎn)的鉆人深度， D 為單位投影長(zhǎng)度，divisor為比例因子，比例因子為隧道實(shí)際斷面寬度與設(shè)定顯示隧道斷面寬度的比值，opt_tail.Y為投影點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)的 y 軸坐標(biāo)， 為鉆臂上的點(diǎn)的鉆入水平分量。轉(zhuǎn)化為 C++ 語(yǔ)言后代碼如下：

double opt2_sin τ=τ sin（alpha）;

doubleopt2_cos ???=c0 s（alpha）;

opt_tail.setX（length *opt2_cos *D）/divisor）;

opt_tail.setY（-（length *opt2_sin ^*D ）/divisor）;

④ 將當(dāng)前點(diǎn)opt_p與投影點(diǎn)opt_tail相連接，畫出鉆桿投影線。此投影線段代表鉆桿的探出狀態(tài)。

painter-gt;drawLine（opt_p.x，opt_p.yO，opt_tail.x，opt_tail. y0）;

4.4可視化效果呈現(xiàn)與意義

將設(shè)備中心點(diǎn)、投影方向和投影線組合，可得到圖1所示的顯示效果圖。其中閉合的拱形表示隧道斷面，矩形框內(nèi)的線段表示鉆臂的投影線，線段中在矩形框的中心的一端表示鉆臂末端，另一端為鉆臂末端的投影點(diǎn)，投影線的角度表示鉆臂的實(shí)際角度。通過此投影線，可實(shí)時(shí)查看鉆臂鉆入工作面的位姿。

圖1 可視化效果圖

5技術(shù)優(yōu)勢(shì)與存在問題分析

本項(xiàng)基于關(guān)節(jié)值數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的鉆臂位姿實(shí)時(shí)可視化技術(shù)，在智能鑿巖掘進(jìn)設(shè)備中的應(yīng)用展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其適用于礦山開采、隧道施工、水利水電及地下管廊等對(duì)空間精度與作業(yè)安全要求極高的工程場(chǎng)景。其主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鉆臂多關(guān)節(jié)姿態(tài)在隧道斷面坐標(biāo)系下的精準(zhǔn)建模與動(dòng)態(tài)顯示，極大提升了設(shè)備操作的可視化程度，降低了對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)的依賴；其次，通過引人坐標(biāo)比例因子、坐標(biāo)系統(tǒng)一機(jī)制與高頻率屏幕刷新機(jī)制，保障了位姿數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)空間的一致性與響應(yīng)性，為路徑規(guī)劃、碰撞預(yù)警與自動(dòng)控制提供了強(qiáng)有力的支撐；最后，該技術(shù)具有良好的系統(tǒng)集成能力和擴(kuò)展性，可作為智能掘進(jìn)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組件嵌入現(xiàn)有控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)快速部署與多模塊協(xié)同。

然而，該技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在一定的局限性。首先，其對(duì)傳感器精度與穩(wěn)定性高度依賴，若某個(gè)關(guān)節(jié)傳感器出現(xiàn)漂移或誤差，可能導(dǎo)致整個(gè)位姿計(jì)算偏差，影響系統(tǒng)整體性能；其次，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及圖形渲染過程涉及較多浮點(diǎn)計(jì)算，對(duì)工控機(jī)算力有一定要求，可能在復(fù)雜工況下引發(fā)延遲或資源占用問題；最后，該系統(tǒng)主要基于二維投影方式進(jìn)行屏幕顯示，在復(fù)雜三維作業(yè)環(huán)境中對(duì)深度、遮擋關(guān)系等的表達(dá)能力有限，仍需配合三維建模技術(shù)進(jìn)一步提升顯示效果。綜上，該技術(shù)雖具備廣闊的應(yīng)用前景，但在傳感器可靠性、系統(tǒng)魯棒性及顯示維度上仍有進(jìn)一步優(yōu)化空間。