劉思敏

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

煤礦井下巷道掘進(jìn)是煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段掘進(jìn)機(jī)作業(yè)主要依賴于人工經(jīng)驗(yàn)，問題較多。主要表現(xiàn)為：掘進(jìn)巷道用工數(shù)量多、掘進(jìn)速度低、設(shè)備自動化程度偏低；掘進(jìn)生產(chǎn)環(huán)境惡劣，安全事故頻發(fā)，威脅到工人的人身安全。因此，提出了掘進(jìn)機(jī)可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[1-2]，并在虎龍溝煤業(yè)進(jìn)行了模擬試驗(yàn)和工業(yè)性試驗(yàn)。

1 掘進(jìn)機(jī)可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

針對煤礦井下掘進(jìn)巷道施工中存在的問題，開發(fā)掘進(jìn)機(jī)的可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，基于掘進(jìn)機(jī)自動化截割技術(shù)，對提升巷道掘進(jìn)自動化水平及安全生產(chǎn)具有重大意義。掘進(jìn)機(jī)可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠有效整合并且增強(qiáng)工作面處的關(guān)鍵信息，并將這些信息集中地顯示在計(jì)算機(jī)顯示器上。工人通過計(jì)算機(jī)顯示器，對前方工作面的場景獲得全面的了解，可始終處在較為安全的后方，通過精確測量、實(shí)時(shí)監(jiān)控、遙控操作和自動截割等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的少人/無人自動掘進(jìn)。掘進(jìn)機(jī)可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要由可視化監(jiān)測系統(tǒng)和自動截割兩大系統(tǒng)組成。

2 可視化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

可視化監(jiān)測系統(tǒng)包含圖像處理、掘進(jìn)機(jī)機(jī)身定位、掘進(jìn)機(jī)截割臂姿態(tài)監(jiān)測、工作面立體場景及人機(jī)交互等子系統(tǒng)。

2.1 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)用于完成以下4 項(xiàng)子任務(wù)：圖像的采集與傳輸、圖像對比度提升及圖像降噪。圖像的采集與傳輸通過軟件服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，軟件系統(tǒng)為每個(gè)攝像機(jī)分配了一個(gè)服務(wù)線程，服務(wù)線程在執(zhí)行過程中，每間隔一定時(shí)間即向遠(yuǎn)端的攝像機(jī)發(fā)出圖像傳輸請求，然后解碼得到圖像，并寫入系統(tǒng)圖形界面指定的控件。

2.2 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身定位系統(tǒng)

雙目視覺三維重構(gòu)原理的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身定位系統(tǒng)，通過處理十字形激光標(biāo)志物中心在左、右攝像機(jī)成像平面內(nèi)的像素坐標(biāo)，估計(jì)激光標(biāo)志物的實(shí)際三維坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算掘進(jìn)機(jī)在工作面空間內(nèi)的坐標(biāo)。

為立體攝像機(jī)開發(fā)基于 OpenCV 的單目、立體標(biāo)定系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)一起為基于雙目視覺的三維重構(gòu)算法提供需要的參數(shù)。開發(fā)基于 OpenCV 庫的十字形標(biāo)志物檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)從原始圖像中提取有效重合視野內(nèi)的圖像，使用 Hough 變換組成十字形標(biāo)志物的2 條直線，進(jìn)而確定十字形標(biāo)志物中心的像素坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)場景。開發(fā)基于最優(yōu)估計(jì)與SVD（奇異值分解）的標(biāo)志物中心三維坐標(biāo)快速估計(jì)子系統(tǒng)，基于標(biāo)準(zhǔn)場景的幾何關(guān)系建立約束方程，使用標(biāo)志物中心的左、右像素坐標(biāo)，基于最優(yōu)估計(jì)與SVD，實(shí)時(shí)解算標(biāo)志物中心的三維坐標(biāo)。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)攝像頭被擋住，或由于十字光標(biāo)難以識別時(shí)，系統(tǒng)自動切換為激光測距定位模式在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身前方和右側(cè)方分別布置2 個(gè)脈沖式激光測距傳感器，測量機(jī)身到掘進(jìn)迎頭及巷道壁的距離，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)反饋到實(shí)時(shí)動態(tài)三維立體場景中，可實(shí)現(xiàn)機(jī)身相對于巷道的位置和方向的檢測。

2.3 掘進(jìn)機(jī)截割臂姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)截割臂姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過使用工業(yè)計(jì)算機(jī)處理電子陀螺儀的測量數(shù)據(jù)，從而估計(jì)掘進(jìn)臂相對于機(jī)身的姿態(tài)。系統(tǒng)同時(shí)提供掘進(jìn)臂末端坐標(biāo)，以及掘進(jìn)臂與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系三坐標(biāo)軸夾角2 種姿態(tài)信息，選擇以掘進(jìn)作業(yè)起始姿態(tài)定義的坐標(biāo)系為參考系，進(jìn)行截割臂姿態(tài)定位估計(jì)。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割臂姿態(tài)變化異常時(shí)，選用3 組編碼器對截割臂進(jìn)行姿態(tài)監(jiān)測，兩組轉(zhuǎn)碼器分別安裝于截割回轉(zhuǎn)和升降的交接點(diǎn)中心位置，第三組拉線編碼器安裝于截割頭伸縮油缸處，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)控制中心，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)反饋到實(shí)時(shí)動態(tài)三維立體場景中，供工作人員參考。

2.4 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面基于MFC（微軟基礎(chǔ)類庫）框架開發(fā)，整合了3 臺攝像機(jī)原始圖像顯示、增強(qiáng)后圖像顯示，提供對立體攝像機(jī)標(biāo)定、陀螺儀標(biāo)定與掘進(jìn)臂姿態(tài)估計(jì)、工作面參數(shù)設(shè)置、工作面截圖控制等功能，還為立體工作面場景建立了單獨(dú)的視窗，用于顯示虛擬工作面的立體場景，界面主要分為原始圖像顯示、處理后圖像顯示、功能控制及狀態(tài)參數(shù)顯示4 個(gè)功能區(qū)。

2.5 工作面立體場景

虛擬工作面立體場景的圖形引擎基于OpenGL開發(fā)，引擎在實(shí)現(xiàn)時(shí)采用了場景描述和圖形顯示相分離的方案，自定義一整套場景描述腳本語言，支持基本圖元繪制及移動、旋轉(zhuǎn)等變換，可實(shí)現(xiàn)任意場景的建模；圖形顯示帶有配套的腳本語言解釋器，支持來自文本和字符串的場景描述腳本解析；同時(shí)引擎配置了用戶交互服務(wù)線程，能夠響應(yīng)來自鍵盤和鼠標(biāo)的交互操作，自定義留體尺寸，任意視角觀察，以便操作工人全方位獲取場景信息為配合掘進(jìn)機(jī)機(jī)身定位和截割臂姿態(tài)估計(jì)定位，圖形引擎支持基于事件觸發(fā)的顯示更新，當(dāng)機(jī)身定位及截割臂姿態(tài)數(shù)據(jù)更新時(shí)，引擎會響應(yīng)信號，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)的空間位置及姿態(tài)。

3 自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為達(dá)到工作面少人化，自動截割技術(shù)是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)完成自主作業(yè)的基礎(chǔ)，主要包括無線遙控系統(tǒng)和自動掘進(jìn)系統(tǒng)。

3.1 無線遙控系統(tǒng)

根據(jù)視頻圖像、掘進(jìn)機(jī)的位置和姿態(tài)、虛擬工作面的信息進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)作業(yè)遙控，包括行走控制、鏟運(yùn)控制、截割控制的啟停、調(diào)速等，通控系統(tǒng)由遙控臺發(fā)出命令，MCU 中無線收發(fā)器接收命令，并經(jīng)由MCU 控制器轉(zhuǎn)為對電磁比例閥的控制實(shí)現(xiàn)這些動作。

3.2 自動掘進(jìn)系統(tǒng)

自動掘進(jìn)系統(tǒng)基于PLC 結(jié)合工控機(jī)組成計(jì)算控制單元，通過分析監(jiān)測系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)和控制油缸伸縮量可實(shí)現(xiàn)任意斷面形狀自動截割成型。虛擬工作界面默認(rèn)工作在手動遙控掘進(jìn)模式，當(dāng)切換到自動掘進(jìn)模式時(shí)，則自動掘進(jìn)工作界面會自動彈出，在工作界面中，將使用虛擬動畫的形式實(shí)時(shí)顯示截割起點(diǎn)、路徑規(guī)劃后的截割路徑、截割頭的當(dāng)前位置、已截割軌跡和待截割軌跡等。另外，該界面可以輸入自動掘進(jìn)規(guī)劃所需要的參數(shù)，顯示截割過程中的實(shí)時(shí)參數(shù)。自動掘進(jìn)系統(tǒng)設(shè)定2 種模式，即規(guī)劃模式和記憶模式，工作流程如圖1。

圖1 自動掘進(jìn)流程圖

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)設(shè)定為規(guī)劃模式時(shí)，截割起點(diǎn)可以人為指定，同時(shí)需要輸入的參數(shù)包括進(jìn)尺量、工作面截割寬度、高度等。根據(jù)這些參數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行截割路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃的結(jié)果包括整個(gè)截割路徑執(zhí)行過程中的掘進(jìn)臂姿態(tài)軌跡、行走部的行走軌跡以及與運(yùn)、鏟等有關(guān)的掘進(jìn)機(jī)控制量設(shè)定。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)設(shè)定為記憶模式時(shí)，要求人工操作調(diào)整掘進(jìn)機(jī)至某一指定起點(diǎn)，然后完整地完成一次人工操作截割，截割頭回到起點(diǎn)。在此過程中，掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)檢測系統(tǒng)、截割驅(qū)動系統(tǒng)會將所有的截割信息輸出存儲到計(jì)算機(jī)中，等待開始記憶截割時(shí)，掘進(jìn)機(jī)會按照之前所存儲的截割信息進(jìn)行全程截別，將之前的人工操作復(fù)現(xiàn)，并對所有截割參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如有異常進(jìn)行報(bào)警。

4 試驗(yàn)研究

4.1 模擬試驗(yàn)

為最大可能測試掘進(jìn)機(jī)可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)各部分功能，在虎龍溝煤業(yè)地面車間現(xiàn)場搭建井下模擬巷道，模擬巷道高度×寬度×長度=4 m×6 m×20 m，分別對掘進(jìn)機(jī)可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的視頻傳輸、機(jī)身定位、截割臂變態(tài)定位、人機(jī)交互操作、遙控操作及自動掘進(jìn)等各部分功能進(jìn)行模擬試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)，各項(xiàng)功能均能完全實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 掘進(jìn)機(jī)可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

模擬測試結(jié)果表明，檢測距離與模擬試驗(yàn)距離的相對誤差在±2%以下，掘進(jìn)機(jī)可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)測量精度能夠滿足煤礦井下生產(chǎn)需求。

4.2 工業(yè)性試驗(yàn)

虎龍溝煤業(yè)5 層?xùn)|盤區(qū)51511 高抽巷采用EBZ220H 式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工作業(yè)，為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動化截割技術(shù)，該煤礦采用掘進(jìn)機(jī)可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對EBZ220H 式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行了安裝、改造和調(diào)試，并投入到實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中。從實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果可知：掘進(jìn)機(jī)可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)用后，能夠?qū)崿F(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制要求，通過精確測量、實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作和自動截割等技術(shù)手段能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動化截割技術(shù)，有效地實(shí)現(xiàn)了51511 高抽巷掘進(jìn)面的少人化施工作業(yè)；大幅度降低了工作人員的勞動強(qiáng)度，減少工作人員約30%；巷道斷面控制準(zhǔn)確度達(dá)99%以上；掘進(jìn)機(jī)行走軌跡實(shí)現(xiàn)了可視化監(jiān)視和調(diào)整，節(jié)約時(shí)間約35%；巷道掘進(jìn)效率提高28%，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的安全經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

（1）圖像處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖像采集、傳輸、對比度提升及圖像降噪功能，機(jī)身定位及截割臂姿態(tài)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)位置及姿態(tài)的監(jiān)測，友好人機(jī)界面為可視化監(jiān)測系統(tǒng)操作提供保障。

（2）模擬試驗(yàn)和工作性試驗(yàn)結(jié)果表明，在51511 高抽巷掘進(jìn)機(jī)可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過精確測量、實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作和自動截割等技術(shù)手段能夠?qū)崿F(xiàn)EBZ220H 掘進(jìn)機(jī)的自動化截割技術(shù)，從而為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面少人化奠定基礎(chǔ)。