掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程虛擬自動(dòng)截割控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

楊文龍

（陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開(kāi)元礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045400）

引言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下巷道掘進(jìn)的關(guān)鍵設(shè)備，具有對(duì)井下復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、截割可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)中主要是依靠人工在駕駛室的操作控制，但井下巷道內(nèi)的截割作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜、粉塵濃度大、截割作業(yè)視線差，導(dǎo)致司機(jī)注意力需高度集中，勞動(dòng)強(qiáng)度大、易疲勞，給井下的巷道掘進(jìn)作業(yè)帶來(lái)了較大的安全隱患。

隨著井下綜采技術(shù)水平的不斷提升，實(shí)現(xiàn)井下“無(wú)人化”掘進(jìn)已經(jīng)成為煤礦綜采作業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，因此本文提出了一種新的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程虛擬自動(dòng)截割控制系統(tǒng)，首先建立掘進(jìn)機(jī)和井下巷道的三維空間模型，再通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)控制技術(shù)，建立虛擬掘進(jìn)機(jī)和井下掘進(jìn)機(jī)實(shí)物之間的聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程虛擬控制。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，虛擬機(jī)截割軌跡和掘進(jìn)機(jī)截割軌跡的重合度高達(dá)99.4%，為實(shí)現(xiàn)井下的無(wú)人化掘進(jìn)控制奠定了基礎(chǔ)。

1 虛擬操作控制系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也稱VR 技術(shù)，是一種具有高真實(shí)性、高交互性的控制技術(shù)，包括掘進(jìn)機(jī)控制子系統(tǒng)及漫游控制子系統(tǒng)兩個(gè)部分。在工作時(shí)控制人員在控制中心給虛擬系統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)發(fā)出控制指令，控制虛擬掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)虛擬掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行姿態(tài)會(huì)形成一個(gè)調(diào)整指令發(fā)送到控制中心的數(shù)據(jù)單元，由數(shù)據(jù)單元直接對(duì)井下掘進(jìn)機(jī)發(fā)出調(diào)整控制指令，控制掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行姿態(tài)。設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)上的各類傳感器將掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到控制中心，將實(shí)際的姿態(tài)和理論姿態(tài)進(jìn)行對(duì)比，獲取姿態(tài)偏差量，然后再對(duì)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行修正，確保實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)符合控制姿態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)。該虛擬操作控制理論原理如圖1 所示。

圖1 虛擬操作理論控制原理示意圖

2 虛擬截割控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)的虛擬操作控制系統(tǒng)包括了掘進(jìn)機(jī)控制子系統(tǒng)及漫游控制子系統(tǒng)兩個(gè)部分，其共同作用下保證了掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行控制的可靠性。

漫游控制子系統(tǒng)主要是通過(guò)三維建模的方式建立掘進(jìn)機(jī)、巷道的虛擬模型，利用PROE 三維建模軟件完成建模后再利用3ds Max 渲染[1]，系統(tǒng)的連接可以采用HTC VIVE 眼睛，通過(guò)交互式的虛擬眼睛來(lái)完成對(duì)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的虛擬控制。

掘進(jìn)機(jī)子控制系統(tǒng)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)控制采用了“虛實(shí)同步、人工協(xié)同”的控制理論[2]，整個(gè)控制子系統(tǒng)主要包括了數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機(jī)交互模塊3 個(gè)部分，其整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程控制結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)通信模塊，主要用于保證虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，由于所需要的數(shù)據(jù)傳輸效率要求高，因此經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)通信對(duì)比后，在控制中心PLC 和虛擬平臺(tái)之間采用了RS485 總線通信控制[3]，采用了雙回路數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)，一個(gè)回路用于下發(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)控，另一個(gè)回路用于采集數(shù)據(jù)的傳輸和分析，提高數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/p>

人機(jī)交互模塊[4]，主要用于實(shí)現(xiàn)操作人員和虛擬掘進(jìn)機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，由操作人員通過(guò)虛擬操控面板來(lái)對(duì)掘進(jìn)機(jī)下發(fā)操作控制指令，虛擬機(jī)接收到指令后完成自動(dòng)調(diào)整，在人機(jī)交互模塊內(nèi)，控制人員能夠切換不同的視覺(jué)，保證對(duì)虛擬機(jī)控制的精確性。

數(shù)據(jù)處理模塊主要是對(duì)所采集的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總、分析，保證虛擬機(jī)和掘進(jìn)機(jī)實(shí)物的數(shù)據(jù)同步性。

3 掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部位姿態(tài)修正

掘進(jìn)機(jī)在工作的過(guò)程中需要根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)情況對(duì)掘進(jìn)機(jī)的截割臂位置及截割姿態(tài)進(jìn)行修正，根據(jù)系統(tǒng)虛擬界面內(nèi)所顯示的掘進(jìn)機(jī)截割臂空間位置數(shù)據(jù)、截割姿態(tài)空間位置數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲取掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中的偏差值，然后控制中心再發(fā)出位姿調(diào)節(jié)信號(hào)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行修正，提高掘進(jìn)機(jī)實(shí)際截割姿態(tài)和虛擬截割姿態(tài)的一致性[5]。

在調(diào)整過(guò)程中掘進(jìn)機(jī)的位姿數(shù)據(jù)主要是通過(guò)工業(yè)相機(jī)對(duì)掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)上紅外靶標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取，在獲取紅外靶標(biāo)圖像后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和對(duì)比得出掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的姿態(tài)角，然后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，便于系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)獲取，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中的姿態(tài)修正界面如圖3 所示[6]。

圖3 掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)修正示意圖

4 掘進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用情況分析

為了對(duì)該定向掘進(jìn)控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，本文以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，首先建立掘進(jìn)機(jī)、井下巷道的三維結(jié)構(gòu)模型，建立起虛擬現(xiàn)實(shí)控制體系，然后對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)改造，加裝各類監(jiān)測(cè)傳感器及控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下掘進(jìn)機(jī)的虛擬截割控制。利用該控制系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)作業(yè)進(jìn)行控制。

在進(jìn)行巷道斷面截割作業(yè)的過(guò)程中，對(duì)井下掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)時(shí)搖臂的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，總共采集了1 449 個(gè)角度值，然后利用MATLAB 數(shù)值分析軟件[7]對(duì)實(shí)際角度軌跡、理論角度軌跡進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4 所示，在截割控制過(guò)程中真實(shí)掘進(jìn)機(jī)和虛擬掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)對(duì)比如圖5 所示。

圖4 截割控制數(shù)據(jù)偏差情況對(duì)比

圖5 真實(shí)掘進(jìn)機(jī)和虛擬掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)對(duì)比

由圖5 可知，在掘進(jìn)作業(yè)的過(guò)程中，井下掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行姿態(tài)和虛擬界面上掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行姿態(tài)保持了高度的一致性，通過(guò)對(duì)1 449 個(gè)角度值的對(duì)比分析，其重合性高達(dá)99.4%，表明了該掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程虛擬自動(dòng)截割控制系統(tǒng)的應(yīng)用可靠和調(diào)節(jié)的精確性，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)井下“無(wú)人化”巷道掘進(jìn)作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

為了解決掘進(jìn)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中采用人工控制效率低、安全性差的不足，提出了一種新的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程虛擬自動(dòng)截割控制系統(tǒng)，建立虛擬掘進(jìn)機(jī)和井下掘進(jìn)機(jī)實(shí)物之間的聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程虛擬控制，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）掘進(jìn)機(jī)的虛擬操作控制系統(tǒng)包括了掘進(jìn)機(jī)控制子系統(tǒng)及漫游控制子系統(tǒng)兩個(gè)部分，其共同作用下保證了掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行控制的可靠性。

2）掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)調(diào)整時(shí)的位姿數(shù)據(jù)主要是通過(guò)工業(yè)相機(jī)對(duì)掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)上紅外靶標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取，監(jiān)測(cè)精度高。

3）虛擬機(jī)截割軌跡和掘進(jìn)機(jī)截割軌跡的重合度高達(dá)99.4%，為實(shí)現(xiàn)井下的無(wú)人化掘進(jìn)控制奠定了基礎(chǔ)。

（編輯：賈娟）