掘進(jìn)機(jī)可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

王 建

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037016）

井下巷道施工是煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分，目前礦井掘進(jìn)機(jī)的工作大多依靠人工操作，存在著許多問題。其特點(diǎn)是：掘進(jìn)巷道員工多，掘進(jìn)速度低，設(shè)備自動化程度低，煤礦開采作業(yè)條件差，安全事故時(shí)有發(fā)生，危及職工生命健康。針對這一問題，本文介紹了一套礦井可視化遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，并在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦進(jìn)行了模擬與工業(yè)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

為了解決礦井隧道開挖過程中出現(xiàn)的問題，研制了一套可視化的遙控式掘進(jìn)器，在隧道施工中，使用自動切割技術(shù)對提高施工自動化水平、保證施工的安全性具有十分重大的意義。該設(shè)備可視化遙控系統(tǒng)可以將采場內(nèi)的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的集成和放大，從而使其在電腦屏幕上得到更好的體現(xiàn)。通過電腦屏幕，工人們可以看到工作面上的情況，工作人員可以在安全的操作區(qū)域內(nèi)，采用提升測量精度、實(shí)時(shí)監(jiān)控、遙控技術(shù)和自動截割等技術(shù)，可以讓掘進(jìn)機(jī)的自動化程度更高，降低了人力資源的浪費(fèi)。該設(shè)備的可視化遙控系統(tǒng)包括兩大部分：可視性監(jiān)控和自動化截?cái)唷?/p>

2 可視化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

可視化監(jiān)控系統(tǒng)的功能包括圖像處理，掘進(jìn)機(jī)機(jī)身、截割臂位置坐標(biāo)確定，渲染工作面立體場景和實(shí)現(xiàn)人際交互。

2.1 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理主要實(shí)現(xiàn)四個(gè)部分：圖像采集和傳輸、圖像對比性增強(qiáng)和圖像噪聲降低。利用軟件服務(wù)器完成了對視頻的實(shí)時(shí)獲取和發(fā)送，該軟件系統(tǒng)將一個(gè)業(yè)務(wù)線程分配給每臺攝像機(jī)，服務(wù)線程在執(zhí)行過程中，每過一段時(shí)間，就會發(fā)送一張圖片數(shù)據(jù)請求給遠(yuǎn)方的攝像機(jī)，然后把它解碼成一張圖片，并把它寫在系統(tǒng)的圖形界面上。

2.2 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身定位系統(tǒng)

基于雙眼視覺三維重建原理的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身定位系統(tǒng)，對右相機(jī)圖像上的十字激光標(biāo)點(diǎn)中心像素坐標(biāo)進(jìn)行了處理，獲得了其真實(shí)的三維坐標(biāo)，并由此獲得了掘進(jìn)機(jī)在工作面的實(shí)際坐標(biāo)。

利用OpenCV技術(shù)實(shí)現(xiàn)立體相機(jī)的單目、立體標(biāo)定系統(tǒng)，為雙眼視覺三維重建算法的設(shè)計(jì)提供了所需的參數(shù)。在OpenCV庫基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)從原圖像中抽取出與目標(biāo)一致的視場，通過Hough變換，可以得到十字標(biāo)記的兩條直線，由此得到交叉標(biāo)志的中心像素的座標(biāo)，并把它轉(zhuǎn)化成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的場景。利用最優(yōu)估計(jì)法和奇異值分解方法，進(jìn)行三維坐標(biāo)估計(jì)子系統(tǒng)的開發(fā)，以標(biāo)記物的中心坐標(biāo)和場景中的幾何關(guān)系作為約束條件，建立了對應(yīng)的約束方程，同時(shí)以標(biāo)記物中心的像素坐標(biāo)為基本條件，采用奇異值分解和最優(yōu)估計(jì)法，可以實(shí)時(shí)計(jì)算標(biāo)記物的中心坐標(biāo)。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)攝像機(jī)被障礙物擋住或交叉指針難以識別時(shí)，該系統(tǒng)將自動切換為激光測距模式，在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身前后左右各設(shè)置兩個(gè)脈沖式激光測距傳感器，測量其與掘進(jìn)機(jī)正面與井壁之間的距離，將測得的距離轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，利用該方法，可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行三維運(yùn)動場景的跟蹤，并能準(zhǔn)確地檢測出機(jī)身在巷道的位置。

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?cái)啾圩藨B(tài)監(jiān)控系統(tǒng)利用工業(yè)電腦對電子陀螺的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以求出掘進(jìn)臂與機(jī)體的相對姿態(tài)。該系統(tǒng)能夠提供掘進(jìn)臂較為全面的狀態(tài)信息，例如端部坐標(biāo)信息、與坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸的夾角值等，而且還能根據(jù)掘進(jìn)開始姿態(tài)的坐標(biāo)系來估算其位置，采用開挖起點(diǎn)姿態(tài)確定的坐標(biāo)系作為基準(zhǔn)，對截割機(jī)的姿態(tài)位置進(jìn)行了估算。

在截割機(jī)的截割臂姿態(tài)出現(xiàn)不正常時(shí)，采用3套編碼器對其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，在截割式旋轉(zhuǎn)和提升的交叉點(diǎn)中央位置分別設(shè)置一套編碼器，而在截割頭的重壓油缸上設(shè)置了第三套編碼器，監(jiān)控結(jié)果通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)反饋給現(xiàn)場的實(shí)時(shí)動態(tài)三維場景，工作人員可以在監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)觀測[1]。

2.4 人機(jī)交互界面

在MFC（微軟基本類數(shù)據(jù)庫）的框架下，進(jìn)行人機(jī)交互界面的開發(fā)，該系統(tǒng)能夠完成三臺相機(jī)的原始影像的顯示和增強(qiáng)的影像的顯示，完成了相機(jī)的標(biāo)定、陀螺儀、鉆桿的姿態(tài)估算、工作面參數(shù)的確定。在采掘機(jī)控制屏幕上，增加了一個(gè)單獨(dú)的視窗來顯示采場空間的三維場景，該視窗可以分為四個(gè)部分：采集到的原始圖像、優(yōu)化處理后的圖像、功能控制模塊和系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)顯示模塊。

2.5 工作面立體場景

該系統(tǒng)利用OpenGL技術(shù)，進(jìn)行圖形場景顯示引擎的開發(fā)，將場景的描繪與圖像的展示分開，并定制了一套完整的情景描繪腳本，并支持基礎(chǔ)圖元繪制、移動、旋轉(zhuǎn)等變換，可以對任何場景進(jìn)行模型化；圖形解釋模塊自帶對應(yīng)的腳本語言解釋模塊，可以解析來自文本和字符串的場景描述。同時(shí)，該引擎還配備了人機(jī)交互服務(wù)線程，可對鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行互動，可定制大小，可隨意觀看。這樣，作業(yè)人員就可以從各個(gè)角度獲得現(xiàn)場的情況，為配合挖掘機(jī)的機(jī)身位置和切割臂的位置進(jìn)行定位，圖形引擎則根據(jù)事件觸發(fā)進(jìn)行更新，并在機(jī)身位置和截?cái)啾圩藨B(tài)數(shù)據(jù)的更新中做出相應(yīng)的反應(yīng)，并在顯示界面上實(shí)時(shí)顯示掘進(jìn)機(jī)在巷道中的位置和姿態(tài)信息。

3 自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為減少人工作業(yè)量，采用自動切割技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)，它包括遠(yuǎn)程控制和自控式掘進(jìn)系統(tǒng)兩個(gè)部分。

3.1 無線遙控系統(tǒng)

根據(jù)視頻圖像、掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)、虛擬工作面等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制，包括行走控制、鏟運(yùn)控制、截割控制的啟動和停止；速度調(diào)節(jié)等，通過遠(yuǎn)程控制站發(fā)送指令，MCU中的無線電收發(fā)信機(jī)通過MCU控制器轉(zhuǎn)換成對電子比例閥門進(jìn)行控制來完成上述操作。

3.2 自動掘進(jìn)系統(tǒng)

采用PLC 與工業(yè)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的自動掘進(jìn)系統(tǒng)，利用監(jiān)控系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)油缸的變形進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)對任意截面形狀的自動截切。該系統(tǒng)的工作接口在預(yù)設(shè)狀態(tài)下為人工遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)在切換到自動工作狀態(tài)后，工作界面就會同步自動切換為自動挖掘顯示，利用虛擬的動畫技術(shù)，可以實(shí)時(shí)顯示切割點(diǎn)、規(guī)劃路徑后的切割路徑、截割頭的當(dāng)前位置、切割軌跡、待切割軌跡等。此外，系統(tǒng)還能根據(jù)實(shí)際情況，將自動規(guī)劃的各項(xiàng)參數(shù)輸入到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對切割工藝的實(shí)時(shí)控制。在自動掘進(jìn)過程中，有兩種方式，一種是計(jì)劃方式，一種是記憶方式，其工作過程見圖1。

圖1 自動掘進(jìn)流程圖

在將掘進(jìn)機(jī)設(shè)置成計(jì)劃模式后，可以人工確定截割起始點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上輸入進(jìn)尺、工作面截割寬度、高度等參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，利用該參數(shù)體系對其進(jìn)行軌跡優(yōu)化，得到了在完成全切軌跡后，則可以對掘進(jìn)器的參數(shù)進(jìn)行控制，從而控制掘進(jìn)臂的行進(jìn)軌跡、姿態(tài)軌跡等。在將掘進(jìn)機(jī)設(shè)置為記憶狀態(tài)時(shí)，由手動調(diào)節(jié)鉆機(jī)到達(dá)一定的起始位置，再由手工進(jìn)行一次完全的手工切割，使其返回起始位置。在此期間，掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)探測系統(tǒng)和截割器驅(qū)動系統(tǒng)將整個(gè)截割量的數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)，然后等待截割的開始，然后由掘進(jìn)機(jī)根據(jù)截割的數(shù)據(jù)進(jìn)行截割，重現(xiàn)先前的人工操作。并對各截割參數(shù)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測，如有任何不正常的情況，就會立刻報(bào)警。

4 試驗(yàn)研究

4.1 模擬試驗(yàn)

為了使掘進(jìn)機(jī)可視化遙控系統(tǒng)的各個(gè)部件性能得到最大的檢驗(yàn)，在晉能煤炭集團(tuán)某煤礦一公司的工作面上建立了礦井模擬隧道，模擬巷道高度×寬度×長度=4m×6m×20m，通過在模擬隧道進(jìn)行仿真試驗(yàn)，可以對可視化控制系統(tǒng)的各個(gè)功能進(jìn)行仿真，例如信號傳輸功能、設(shè)備定功能、截割臂姿態(tài)分析、人際交互界面、自動掘進(jìn)和遠(yuǎn)程控制等模塊[2]。經(jīng)過測試，所有的功能都可以完全地達(dá)到，測試結(jié)果如表1所示。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該測距距離與仿真測距距離之間的相對誤差小于±2%，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的可視化測控系統(tǒng)能夠較好地適應(yīng)煤礦生產(chǎn)的需要。

4.2 工業(yè)性試驗(yàn)

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)東盤區(qū)5樓51511高抽巷工程，采用EBZ220H 型鉆孔機(jī)進(jìn)行施工，為了實(shí)現(xiàn)自動化的切割，利用可視化遙控技術(shù)，對EBZ220H型鉆孔機(jī)進(jìn)行了升級優(yōu)化，并進(jìn)行了測試，最后投入到真實(shí)的生產(chǎn)實(shí)踐中。從實(shí)際應(yīng)用的效果來看：采用可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)之后，可以達(dá)到對高抽巷進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，采用提升測量精度、實(shí)時(shí)監(jiān)控、遙控技術(shù)和自動截割等技術(shù)，可使掘進(jìn)機(jī)具有較好的自動化切割能力，可以實(shí)現(xiàn)對51511井筒開挖自動化程度的顯著提升，減少人力資源浪費(fèi)，員工的工作強(qiáng)度大大降低，員工人數(shù)減少30%左右。隧道段的控制精度達(dá)到99%，對掘進(jìn)器的運(yùn)行軌道進(jìn)行了可視性監(jiān)控和調(diào)節(jié)，節(jié)省了35%左右的時(shí)間，使礦井的施工效率增加了28%，為公司帶來了良好的安全經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

（1）該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集和傳輸，同時(shí)還能夠提升圖像對比度，降低圖像噪聲，同時(shí)依靠系統(tǒng)的姿態(tài)定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)控，友好的人機(jī)接口為可視化監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行提供了可靠的保證。

（2）通過對51511高抽巷掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場測試，證明了EBZ220H 掘進(jìn)機(jī)采用提升測量精度、實(shí)時(shí)監(jiān)控、遙控技術(shù)和自動截割等技術(shù)，大幅度提升了EBZ220H 掘進(jìn)機(jī)自動化截割的性能和穩(wěn)定性，為今后的掘進(jìn)工作面操作過程中人力資源的節(jié)約打下了良好的基礎(chǔ)。