煤礦掘進機機身位姿感知及定位方法研究

史新宇

（北辛窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

0 引言

巷道掘進為煤礦開采的關鍵環(huán)境，其是煤礦生產的基礎。巷道的掘進主要依靠掘進機完成。在實際掘進過程中，由行走機構帶動履帶對機身進行移動，由截割部的液壓缸對截割頭的位置進行控制，再對掘進機行走機構和液壓缸的聯(lián)合動作，完成了對工作面巷道的掘進任務[1-3]。

為了保證巷道的成型質量并實現(xiàn)對掘進機自動截割任務的控制，需要對掘進機的實時位置和截割頭的位置實時掌握，從而為其自動、高質量截割奠定基礎。本文將重點開展掘進機機身位姿及截割頭位置的定位研究。

1 掘進機機身位置感知及定位坐標系

實現(xiàn)掘進機的自動化、無人化操作是保證巷道成型質量的關鍵。在此基礎上，掌握掘進機機身和截割頭的實時位置，為其高質量截割提供支撐。

本文所研究懸臂式掘進機的型號為EBZ200，該型掘進機與傳統(tǒng)設備相一致，主要包括截割機構、液壓系統(tǒng)、裝運機構、水路系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及行走系統(tǒng)；該型掘進機集連續(xù)截割、裝載、運輸?shù)裙δ転橐惑w，可用于對煤巷、煤巖巷以及軟巖巷道的掘進任務。根據EBZ200 型掘進機的性能參數(shù)，其所適用于掘進工作面的寬度為3～5 m、高度為2.4～4.8 m；可掘進工作面的最大坡度為18°。

為準確描述掘進機機身的實時位置、掘進機截割頭與機身的相互位置關系，需要對所開采的巷道、掘進機以及截割頭建立坐標系，如圖1 所示。

圖1 掘進機機身位置感知和定位坐標系統(tǒng)

由圖1 看出，根據掘進機機身及截割頭的定位需求，需要重點根據現(xiàn)場情況建立巷道的坐標系、機身的坐標系和懸臂的坐標系。

2 掘進機機身位姿感知方法研究

本小節(jié)將根據不同的應用于掘進機機身位姿感知方法進行對比，為后續(xù)設計掘進機機身位姿感知系統(tǒng)奠定基礎。

2.1 掘進機機身位置測量技術對比

結合當前國內外學者對掘進機機身位姿感知方法的研究成果，可將掘進機機身位姿感知方法歸納為基于全站儀測量、基于慣性傳感器自動測量、基于超寬帶技術自動測量、基于IGPS 技術自動測量、基于機器視覺自動測量；綜合對比上述不同技術的實際應用效果，可將各方法應用的優(yōu)劣勢歸納總結為表1。

表1 不同機身位姿感知方法應用的優(yōu)劣勢對比

綜合對比表1 中不同方法對掘進機位姿感知測量的優(yōu)劣勢，發(fā)現(xiàn)機器視覺測量技術在測量距離、測量方式、測量連續(xù)性、位移和姿態(tài)角測量精度方面均優(yōu)于其他測量方法。因此。本項目采用基于機器視覺的方法對掘進機機身位姿進行感知。

2.2 掘進機截割頭的定位方法研究

針對掘進機截割頭與機身位相互位置關系的定位要求，可采用基于油缸伸縮量測量技術、基于截割臂擺動角度測量技術以及基于計算機視覺測量技術。其中，基于油缸伸縮量和基于截割臂擺動角度的測量技術屬于間接測量，其對設備的安裝精度較高，容易引發(fā)掘進機油缸故障，從而影響整機的掘進效率。而基于計算機視覺測量技術屬于直接測量方法，具有較高的測量精度且對應系統(tǒng)的結構簡單，不會系統(tǒng)掘進機整機運行造成干擾。因此，本項目采用基于計算機視覺測量技術對截割頭和機身的相互位置進行測量。

3 掘進機機身位姿感知系統(tǒng)設計及效果驗證

3.1 掘進機機身位姿感知系統(tǒng)設計

基于機器視覺測量技術設計的掘進機機身位姿感知系統(tǒng)的整體結構如圖2 所示。

圖2 掘進機機身位姿感知系統(tǒng)總體結構

由圖2 可以看出，基于機器視覺的掘進機機身位姿感知系統(tǒng)主要包括兩個十字激光器、兩臺防爆攝像機、兩臺激光成像標靶以及一臺工況機。其中，兩個十字激光器安裝于巷道頂板，并與巷道的中心軸呈對稱結構；在掘進機機身安裝激光成像標靶，一臺安裝于掘進機機尾左側，另一臺安裝于掘進機機頭右側；兩臺防爆攝像機分別安裝于激光成像標靶后方；工況機用于對圖像的特征進行提取，并對圖像進行解算得出掘進機的實時位置。

本方案中的十字激光器選用的設備的型號為YHJ 型，該型激光指向儀射程可達600 m，可發(fā)出綠色和紅色兩種光源。本方案所采用的激光標靶的尺寸為長度60 cm、寬度40 cm；鑒于工作面粉塵、煤塵濃度較大，激光標靶將采用透光的防護罩罩住。本方案所采用的防爆攝像機的具體型號為KBA12 型。

3.2 掘進機位姿感知系統(tǒng)測量精度驗證

將上述設計的掘進機機身位姿感知系統(tǒng)應用于實際生產中，對測量誤差進行分析。對掘進機分別在進入巷道0 m、10 m、30 m、60 m 以及100 m 時，對應采用位姿感知系統(tǒng)測量的掘進機的傾角和位移誤差進行分析，得出如表2 所示結論。

表2 掘進機位姿感知系統(tǒng)誤差分析

由表2 可知，采用位姿感知系統(tǒng)對掘進機的位置姿態(tài)進行測量，掘進機的傾角誤差均小于0.1°，位移誤差小于20 mm，上述兩項誤差均在允許范圍之內。

4 結語

對于巷道掘進而言，按照預定軌跡對巷道進行掘進，并實現(xiàn)對工作面巷道的自動化截割，對于保證最終巷道的成型質量和掘進效率尤為重要。結合上述需求，本文基于機器視覺技術設計了掘進機的機身位姿感知和截割頭定位系統(tǒng)，實現(xiàn)對掘進機的實時位姿和截割頭與機身相互位置關系的精準測量。

實踐表明：采用位姿感知系統(tǒng)對掘進機的位置姿態(tài)進行測量，掘進機的傾角誤差均小于0.1°，位移誤差小于20 mm，上述兩項誤差均在允許范圍之內。