懸臂式掘進(jìn)機(jī)視覺伺服截割控制系統(tǒng)研究

張旭輝，趙建勛，張 超，楊文娟

（1.西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

0 前 言

未來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)煤炭仍將是我國(guó)主體能源［1］，但我國(guó)因巷道掘進(jìn)困難而導(dǎo)致采掘比例嚴(yán)重失調(diào)［2］。 巷道掘進(jìn)工作中環(huán)境復(fù)雜、司機(jī)視野差，通過掘進(jìn)機(jī)司機(jī)手動(dòng)操作進(jìn)行煤巷掘進(jìn)作業(yè)無法準(zhǔn)確控制掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行位姿，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)過程中出現(xiàn)巷道成形質(zhì)量差、掘進(jìn)效率低的問題。 因此，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的信息化、自動(dòng)化和智能化對(duì)減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高開采效率具有重要意義［3］。 目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)截割控制的研究現(xiàn)狀如下：日本三井三池公司針對(duì)截割控制研發(fā)了截割功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)［4］；毛君等［5］建立了斷面仿形截割控制的數(shù)學(xué)模型；吳淼等［6］利用激光測(cè)距儀和傾角傳感器設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)位姿檢測(cè)系統(tǒng)；王蘇彧等［7］根據(jù)液壓缸伸縮量與截割頭的位置關(guān)系，利用傾角傳感器及旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量液壓缸的伸縮量計(jì)算得到截割頭位置，并提出了掘進(jìn)機(jī)記憶截割控制方法；毛清華等［8］利用行程傳感器、超聲和慣導(dǎo)等多傳感器檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身空間位姿，可有效準(zhǔn)確地檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)的空間位姿。 目前針對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)所建立的控制系統(tǒng)中，大多利用位移傳感器的間接式位移傳感器及角度編碼器來反饋掘進(jìn)機(jī)截割頭位姿信息，但利用位移傳感器間接式測(cè)量方式對(duì)安裝精度有較高的要求，且在振動(dòng)環(huán)境下，現(xiàn)有方法的測(cè)量穩(wěn)定性和傳感器壽命較低。 筆者采用非接觸式視覺測(cè)量方法［9］，利用視覺伺服控制技術(shù)，根據(jù)視覺測(cè)量得到的信息作為視覺伺服的信息控制掘進(jìn)機(jī)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割。

1 視覺伺服控制

1.1 視覺伺服控制原理

視覺伺服系統(tǒng)是利用視覺測(cè)量信息作為反饋的控制系統(tǒng)［10］，該系統(tǒng)由視覺測(cè)量系統(tǒng)、機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成，利用視覺測(cè)量系統(tǒng)獲取環(huán)境信息并反饋到控制器中，并根據(jù)控制策略對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。 視覺測(cè)量相比其他傳感器具有測(cè)量范圍廣、信息量大等特點(diǎn)，可以快速、有效地獲得環(huán)境信息。視覺伺服分為基于位置的視覺伺服、基于圖像的視覺伺服［11］。 基于位置伺服控制系統(tǒng)根據(jù)建立的目標(biāo)與攝像機(jī)之間的數(shù)學(xué)模型將圖像信息轉(zhuǎn)換成世界坐標(biāo)系中的位置信息，并傳給機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)［12］。 基于圖像的視覺伺服在二維圖像上通過計(jì)算圖像的雅克比矩陣得到位置誤差，該方法對(duì)標(biāo)定誤差和空間模型誤差不敏感，但伺服過程中容易出現(xiàn)圖像雅克比矩陣奇異點(diǎn)。

1.2 掘進(jìn)機(jī)視覺伺服

將視覺伺服控制技術(shù)用于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)截割控制中，利用視覺測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)對(duì)截割頭位置的檢測(cè)和精確定位，并建立掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)截割控制。 采用位置反饋型機(jī)器人視覺控制技術(shù)以及動(dòng)態(tài)look-and-move 的結(jié)構(gòu)［13］方式建立懸臂式掘進(jìn)機(jī)視覺伺服截割控制系統(tǒng)，利用視覺進(jìn)行位置反饋的掘進(jìn)機(jī)視覺伺服控制結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)視覺伺服控制結(jié)構(gòu)Fig.1 Visual servo control structure of roadheader

系統(tǒng)主要任務(wù)是根據(jù)對(duì)截割頭規(guī)劃的截割軌跡，利用固定在機(jī)體上的工業(yè)相機(jī)連續(xù)拍攝固定在截割臂上標(biāo)靶圖像并進(jìn)行快速圖像處理，計(jì)算得到截割頭位姿，在對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建?；A(chǔ)之上，計(jì)算截割頭在巷道中位姿，并將得到的三維截割頭位置信息反饋到控制器中，再根據(jù)截割頭位姿調(diào)整策略利用關(guān)節(jié)控制器和伺服放大器對(duì)掘進(jìn)機(jī)液壓缸進(jìn)行控制。 與傳統(tǒng)的利用位移傳感器獲取截割頭位置信息相比，視覺測(cè)量方法通過非接觸測(cè)量可以快速、準(zhǔn)確地獲得有效信息，不僅不需要改變掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)加裝傳感器，并且具有較好的測(cè)量穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)視覺伺服截割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)視覺伺服系統(tǒng)由懸臂式掘進(jìn)機(jī)、DSP 控制器、CCD 工業(yè)相機(jī)、紅外標(biāo)靶機(jī)載計(jì)算機(jī)和各傳感器組成。 利用視覺進(jìn)行位置反饋的懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)總體方案如圖2 所示，系統(tǒng)包括視覺測(cè)量模塊、截割頭位姿解算模塊、掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示模塊等。

圖2 掘進(jìn)機(jī)視覺伺服截割控制系統(tǒng)總體方案Fig.2 General scheme of visual servo cutting control system forroadheade

如圖2 所示，掘進(jìn)機(jī)視覺伺服控制系統(tǒng)采用機(jī)載計(jì)算機(jī)+DSP 控制器的架構(gòu)，系統(tǒng)依靠人工在計(jì)算機(jī)中輸入規(guī)劃路徑信息，采用視覺測(cè)量方法測(cè)量截割頭相對(duì)于機(jī)身的位置信息，利用超聲波傳感器和捷聯(lián)慣導(dǎo)測(cè)量并計(jì)算得到掘進(jìn)機(jī)在巷道空間中的機(jī)身位姿。 根據(jù)截割頭相對(duì)于機(jī)身位姿信息及掘進(jìn)機(jī)在巷道中的位姿信息，利用D-H方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正向解算得到在巷道空間下截割頭的位姿。 將解算得到的巷道空間下的截割頭位姿反饋到DSP 控制器中，并與規(guī)劃的路徑信息比較得到截割頭的誤差信息，根據(jù)誤差信息采用反變換法對(duì)掘進(jìn)機(jī)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解得到截割頭需擺動(dòng)的關(guān)節(jié)角度。 采用PID 控制方法，利用DSP 控制器輸出控制命令通過電液比例閥驅(qū)動(dòng)升降油缸及回轉(zhuǎn)油缸來實(shí)現(xiàn)對(duì)截割臂擺動(dòng)的控制。 并將解算得到的位姿數(shù)據(jù)保存到MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，在巷道斷面中用圖形的方式顯示截割頭截割軌跡，監(jiān)視系統(tǒng)工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

軟件系統(tǒng)采用多線程方式實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行控制，其中在視覺測(cè)量模塊中完成圖像處理及位姿解算；在位姿解算模塊中計(jì)算截割頭的位置信息；在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示模塊中完成各數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及截割路徑的顯示功能。 在運(yùn)動(dòng)控制模塊中根據(jù)得到的誤差信息利用DSP 的D／A 模塊發(fā)出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的截割控制，各模塊共同工作實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的視覺伺服截割控制。

3 掘進(jìn)視覺伺服系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 視覺測(cè)量模塊

懸臂式掘進(jìn)機(jī)視覺測(cè)量系統(tǒng)如圖3 所示，視覺測(cè)量模塊由機(jī)載計(jì)算機(jī)、CCD 工業(yè)相機(jī)、工業(yè)以太網(wǎng)以及紅外LED 標(biāo)靶組成。 視覺測(cè)量模塊采用單目視覺測(cè)量技術(shù)，進(jìn)行截割頭的位姿計(jì)算，得到截割頭相對(duì)于機(jī)身的位姿。

圖3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)視覺測(cè)量系統(tǒng)Fig.3 Vision measuring system of cantilever roadheade

利用攝像機(jī)采用軟觸發(fā)的形式實(shí)時(shí)采集紅外標(biāo)靶的圖像，將采集到的圖像通過千兆網(wǎng)GigE 接口傳輸?shù)綑C(jī)載計(jì)算機(jī)中。 通過視覺測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭的位姿解算。 為保證實(shí)時(shí)性，設(shè)定視覺測(cè)量的周期不超過100 ms。 由于測(cè)量系統(tǒng)時(shí)根據(jù)圖像的信息計(jì)算得到掘進(jìn)機(jī)截割頭的空間位置，因此視覺測(cè)量系統(tǒng)中的圖像分析處理過程直接影響系統(tǒng)的控制精度。 為保證控制系統(tǒng)的控制精度，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的圖像進(jìn)行預(yù)處理，減小由于圖像噪聲等問題引起的系統(tǒng)誤差。 對(duì)采集得到的圖像進(jìn)行去噪及圖像增強(qiáng)預(yù)處理，如圖4 所示。

圖4 圖像處理流程Fig.4 Flow of image processing

根據(jù)圖4 中圖像處理流程，對(duì)輸入的圖像利用高斯濾波器去除圖像中的噪聲干擾，利用圖像二值化對(duì)圖像進(jìn)一步處理，獲取圖像中的光斑區(qū)域，再在各區(qū)域中利用灰度質(zhì)心方法提取圖像中的光斑中心坐標(biāo)［14-16］。 最后根據(jù)文獻(xiàn)［9］中掘進(jìn)機(jī)截割頭姿態(tài)測(cè)量方法，利用攝像機(jī)外參標(biāo)定計(jì)算并得到截割頭相對(duì)于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的位姿。

3.2 位姿解算模塊

圖5 為根據(jù)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型所建懸臂式掘進(jìn)機(jī)的坐標(biāo)系。 其中坐標(biāo)系O0X0Y0Z0、O1X1Y1Z1、O2X2Y2Z2、O3X3Y3Z3、O4X4Y4Z4、OcXcYcZc、OwXwYwZw分別為懸臂式掘進(jìn)機(jī)基坐標(biāo)系、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、抬升關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、伸縮關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、截割頭坐標(biāo)系攝像機(jī)坐標(biāo)系及標(biāo)靶坐標(biāo)系，OdXdYdZd為巷道斷面坐標(biāo)系，以截割斷面左下角作為原點(diǎn)，豎直方向?yàn)閆d軸方向，Xd軸方向垂直于截割面，Yd軸方向平行于截割斷面水平向左；系統(tǒng)工作時(shí)，首先將掘進(jìn)機(jī)初始姿態(tài)的基坐標(biāo)系與巷道斷面坐標(biāo)系各方向保持一致，并設(shè)初始姿態(tài)下掘進(jìn)機(jī)的各方向旋轉(zhuǎn)角度均為0。 將捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)固定在掘進(jìn)機(jī)機(jī)體上，實(shí)時(shí)測(cè)量掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿，即橫滾角、俯仰角及偏航角的角度變化量。 利用安裝在機(jī)身上的超聲波傳感器測(cè)量掘進(jìn)機(jī)機(jī)身距離兩側(cè)煤壁以及截割斷面的距離，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)角，可以計(jì)算得到掘進(jìn)機(jī)基坐標(biāo)系原點(diǎn)巷道斷面坐標(biāo)系下的Xd、Yd和Zd軸方向下的坐標(biāo)。 然后根據(jù)姿態(tài)計(jì)算方法可以得到基坐標(biāo)系O0X0Y0Z0相對(duì)于巷道斷面坐標(biāo)系的變換矩陣d0T：

圖5 掘進(jìn)機(jī)坐標(biāo)系Fig.5 Roadheader coordinate system

式中：α、β、γ分別為掘進(jìn)機(jī)的橫滾角、俯仰角及偏航角的變化量；SX、SY、SZ分別為機(jī)體坐標(biāo)系原點(diǎn)在巷道斷面坐標(biāo)系下的各個(gè)方向下的坐標(biāo)。

得到掘進(jìn)機(jī)截割頭坐標(biāo)系與巷道斷面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系之后，可以計(jì)算得到任意時(shí)刻截割頭在斷面的位置，并在軌跡顯示模塊中顯示截割頭的軌跡。 同時(shí)，根據(jù)截割頭實(shí)際位置與規(guī)劃掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差信息，利用反變化法對(duì)掘進(jìn)機(jī)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，計(jì)算得到任意時(shí)刻的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)角度。

4 系統(tǒng)控制模型

懸臂式掘進(jìn)機(jī)視覺伺服截割控制系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。 為實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的精確控制并且具有一定穩(wěn)定性，采用PID 控制方法［17］對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行控制。 控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，利用視覺反饋得到的掘進(jìn)機(jī)截割頭位姿測(cè)量，經(jīng)過位姿解算模塊得到截割頭于截割斷面上的位置信息。 據(jù)規(guī)劃的截割頭軌跡及與計(jì)算得到位姿的偏差經(jīng)過PID 控制器的調(diào)控，利用控制器發(fā)出指令經(jīng)過比例放大器及電液比例閥控制液壓缸伸縮，使掘進(jìn)機(jī)截割頭到達(dá)期望位置。

圖6 掘進(jìn)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Roadheader closed-loop control system structure

根據(jù)文獻(xiàn)［18］可知，通過分析比例放大器、電液比例閥、液壓缸等各環(huán)節(jié)特性可以得到掘進(jìn)機(jī)視覺伺服截割控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型，在截割頭的視覺測(cè)量部分中，可以將視覺測(cè)量部分看作是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，在理想情況下，位姿反饋系數(shù)為1。 掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型如圖7 所示。

圖7 掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型Fig.7 Transfer function model of tunneling control system of roadheader

5 系統(tǒng)試驗(yàn)及結(jié)果

5.1 視覺測(cè)量試驗(yàn)

首先對(duì)視覺測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行精度試驗(yàn)，采用視覺測(cè)量系統(tǒng)對(duì)截割頭進(jìn)行跟蹤定位，采集懸臂運(yùn)動(dòng)過程中標(biāo)靶的圖像，并計(jì)算截割頭姿態(tài)角。 搭建礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭姿態(tài)視覺測(cè)量測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)如圖8 所示，選用與EBZ160 型掘進(jìn)機(jī)比例為1 ∶5 的掘進(jìn)機(jī)模型，圖中①為MV-EM130M 工業(yè)相機(jī)并加波長(zhǎng)為850 nm 的窄波濾鏡，圖中②采用300 mm×300 mm 的方形標(biāo)靶，標(biāo)靶上均勻布置16 個(gè)紅外LED 燈。

圖8 礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭姿態(tài)視覺測(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Experimental platform for visual measurement of cutting head attitude of mine cantilever roadheade

懸臂式掘進(jìn)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)主要參數(shù)如下：

由于在掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境下會(huì)存在雜光的干擾，并且LED 燈光的波長(zhǎng)大于900 nm，因此在工業(yè)相機(jī)前加濾鏡去除雜光。 采集標(biāo)靶圖像如圖9 所示，圖9a 為利用工業(yè)相機(jī)直接拍攝紅外標(biāo)靶的圖像，圖9b為相機(jī)加裝濾鏡后對(duì)紅外標(biāo)靶所拍攝的圖像。

圖9 采集標(biāo)靶圖像Fig.9 Acquisition of target images

在不同位置下利用視覺測(cè)量傳感器對(duì)截割頭的俯仰角進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，設(shè)定圖像采集時(shí)間間隔為100 ms，利用視覺測(cè)量模塊實(shí)時(shí)測(cè)量截割臂8 s 內(nèi)的姿態(tài)角的變化，并采用精度為0.05°的傾角傳感器測(cè)量掘進(jìn)機(jī)截割臂姿態(tài)角的真實(shí)值。 為方便計(jì)算設(shè)定掘進(jìn)機(jī)位于巷道中間位置，并且當(dāng)截割頭水平且位于掘進(jìn)機(jī)中間位置時(shí)設(shè)定截割頭回轉(zhuǎn)角及升降角分別為0°和-90°。 得到的試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)誤差如圖10、圖11 所示。

圖10 截割頭俯仰角測(cè)量結(jié)果Fig.10 Measurement result of pitch Angle of cutting head

圖11 截割頭俯仰角測(cè)量結(jié)果誤差Fig.11 Error of pitching angle of cutting head

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，2 次利用傾角傳感器測(cè)量的掘進(jìn)機(jī)截割臂的俯仰角度分別為-61.88°及-90.03°。 使用視覺測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量截割頭2 次位置的截割頭角度時(shí)，截割頭的最大誤差為±0.4°。

5.2 掘進(jìn)機(jī)視覺伺服截割控制試驗(yàn)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)視覺伺服截割控制試驗(yàn)平臺(tái)如圖12 所示。 測(cè)試系統(tǒng)由懸臂式掘進(jìn)機(jī)模型、計(jì)算機(jī)、MV-EMV130M 防爆工業(yè)相機(jī)、300 mm×300 mm 的紅外標(biāo)靶、捷聯(lián)慣導(dǎo)、超聲波傳感器、DSP 控制器以及掘進(jìn)機(jī)組成。 在懸臂式掘進(jìn)機(jī)視覺伺服截割控制試驗(yàn)中，通過固定在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上的防爆工業(yè)相機(jī)采集固定在掘進(jìn)機(jī)截割臂上的紅外標(biāo)靶的圖像，使用加裝在鏡頭前的濾鏡去除雜光，經(jīng)過圖像預(yù)處理、光斑中心定位及截割頭位姿結(jié)算計(jì)算得到截割頭坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)身坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換關(guān)系。 放置兩擋板于機(jī)身兩側(cè)及機(jī)身前端模擬煤壁，利用超聲測(cè)距傳感測(cè)得機(jī)身距煤壁的距離。 融合捷聯(lián)慣導(dǎo)及超聲波傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)計(jì)算得到截割頭坐標(biāo)系與巷道斷面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 并將得到的數(shù)據(jù)通過RS485 反饋到DSP 控制器中，控制器根據(jù)規(guī)劃路徑與截割頭實(shí)際位姿之間的誤差輸出控制命令通過電液比例閥驅(qū)動(dòng)升降油缸及回轉(zhuǎn)油缸控制截割頭運(yùn)動(dòng)。 為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，設(shè)定相機(jī)采集圖像時(shí)間間隔為100 ms。 預(yù)先在巷道斷面坐標(biāo)系中規(guī)劃掘進(jìn)機(jī)截割頭的運(yùn)動(dòng)軌跡。 當(dāng)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身為靜止時(shí)，截割頭在巷道斷面的截割路徑為弧線，其軌跡規(guī)劃示意如圖13 所示。

圖12 懸臂式掘進(jìn)機(jī)視覺伺服截割控制試驗(yàn)平臺(tái)Fig.12 Test platform for visual servo cutting control of cantilever roadheade

圖13 軌跡規(guī)劃示意Fig.13 Schematic of trajectory planning

按實(shí)際巷道等比例設(shè)定模擬巷道的尺寸為1 000 mm×1 400 mm，在斷面坐標(biāo)系下設(shè)以A（50，-77，191.5）為起點(diǎn)，根據(jù)圖13 中規(guī)劃軌跡進(jìn)行自動(dòng)截割，其中點(diǎn)B點(diǎn)坐標(biāo)為（50，-1 223，191.5）、C點(diǎn)坐標(biāo)為（50，-1 243，411.6）和D點(diǎn)坐標(biāo)為（50，-56，411.6）。 根據(jù)截割頭的解算模塊可計(jì)算得到截割頭位于A、B、C和D點(diǎn)時(shí)，截割頭的回轉(zhuǎn)角及升降角的理論值分別為（-34°，-69°）、（28°，-69°）、（28°，-82°）以及（-34°，-82°），使掘進(jìn)機(jī)的截割部空載運(yùn)行，根據(jù)規(guī)劃的截割軌跡截割斷面，通過精度為0.01°的傾角傳感器和精度為0.05°的角度編碼器測(cè)量得到截割頭垂直擺角和水平擺角的實(shí)際值，掘進(jìn)機(jī)截割頭截割軌跡如圖14 所示，紅線為掘進(jìn)機(jī)截割頭截割時(shí)的實(shí)際運(yùn)行軌跡，藍(lán)線為掘進(jìn)機(jī)的規(guī)劃截割軌跡，如圖14 可以看出截割頭運(yùn)動(dòng)軌跡可以穩(wěn)定地按照規(guī)劃的截割路徑運(yùn)動(dòng)。 試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)誤差如圖15 所示。

圖14 掘進(jìn)機(jī)截割頭截割軌跡Fig.14 Cutting track of cutting head ofroadheader

圖15 中，根據(jù)圖15a 和圖15b 中截割頭姿態(tài)角誤差可知，截割頭運(yùn)動(dòng)過程中回轉(zhuǎn)角以及升降角的角度誤差在0.7°以內(nèi)，則代入截割頭位姿解算模塊可以得到截割頭中心點(diǎn)位置誤差在18 mm 以內(nèi)，換算到全尺寸掘進(jìn)機(jī)滿足巷道施工標(biāo)準(zhǔn)的誤差允許范圍，表明在利用視覺伺服的掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)中，掘進(jìn)機(jī)截割頭可以按照規(guī)劃的截割軌跡進(jìn)行自動(dòng)截割，并且截割軌跡滿足巷道掘進(jìn)的精度要求，對(duì)實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化及智能化具有重要意義。

圖15 掘進(jìn)機(jī)截割頭位姿誤差Fig.15 Position error of heading head of roadheader

6 結(jié) 論

1）煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)截割控制是掘進(jìn)工作面控制的瓶頸問題，將視覺位姿測(cè)量技術(shù)用于掘進(jìn)機(jī)位姿測(cè)量，建立懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割控制模型，構(gòu)建巷道斷面成形軌跡視覺伺服控制系統(tǒng)，為巷道掘進(jìn)自動(dòng)化提供了新的思路。

2） 視覺伺服截割控制系統(tǒng)按照巷道斷面規(guī)劃截割軌跡，多傳感器融合獲得機(jī)身位置，工業(yè)相機(jī)采集紅外LED 標(biāo)靶獲得截割頭位姿，系統(tǒng)結(jié)合機(jī)身和截割頭位姿按照D-H 坐標(biāo)進(jìn)行正逆求解，獲得截割頭相對(duì)巷道的軌跡控制點(diǎn)和顯示坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了截割頭軌跡跟蹤和位姿可視化顯示。

3）搭建掘進(jìn)機(jī)視覺伺服控制試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證截割頭視覺測(cè)量和視覺伺服控制性能，結(jié)果顯示：視覺伺服控制下，截割頭良好跟蹤預(yù)先規(guī)劃的軌跡，截割頭中心點(diǎn)位置誤差在18 mm 之內(nèi)，初步實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)成形截割控制。

試驗(yàn)中獲得機(jī)身位置是相對(duì)巷道的坐標(biāo)，尚存在受片幫、巷道成形質(zhì)量等方面影響的問題，課題組采用多激光束特征合作標(biāo)靶的懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿測(cè)量方法已經(jīng)取得良好效果，有力支撐掘進(jìn)機(jī)視覺伺服控制系統(tǒng)，為全面解決巷道成形截割問題奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。