懸臂式掘進機可視化輔助截割系統的設計與驗證

張鳳霞

（山西中招招標代理有限公司，山西 太原 030053）

引言

我國目前部分煤礦的掘進工作還是以人工作業為主，掘進效率難以得到提高。在掘進機作業時會產生較大濃度的粉塵，導致工作環境光線昏暗，司機的視野因為受到限制難以對截割頭的具體位置作出精準判斷，極易造成欠挖、超挖等施工問題，無法保證成型巷道的作業質量。而一種懸臂式掘進機可視化輔助截割系統，可引導操作人員進行可視化作業。該系統的設計采用了視覺非接觸測量應用技術，使截割頭的定位難題得以解決，同時采用了捷聯式慣導系統幫助傳感器精準定位、對機身的位姿進行準確感知。

1 輔助可視化截割應用系統總體設計方案

懸臂式掘進機可視化輔助截割系統總體設計方案，具體可分為工作面的建模，規劃軌跡模塊、采集數據信息及處理應用模塊、解算數據模塊、傳感器及顯示圖像模塊和存儲模塊的設置。

1）掘進機的建模與規劃軌跡模塊用于搭建掘進施工的數學運算模型，把巷道的斷面種類、走向、尺寸、截割技術等列入模型參數，再通過輸入顯示器操作界面的掘進機相關參數，即可完成掘進機截割需要規劃的軌跡，自動生成截割作業路徑，創建起截割頭的補償截割數學運算模型，結合截割頭的尺寸、機身的位姿、截割點的有效變化、巷道的邊界限制、截割運行軌跡補償等，完成截割頭移動的真實軌跡的規劃，避免巷道產生超挖或欠挖[1]。

2）傳感器的構成主要分為超聲波及激光測量距離傳感器、捷聯式慣導和測量視覺的相關系統，其中測量視覺系統的主要構成是紅外16 點LED型標靶與除塵防爆相機，相機被安裝在掘進機上，LED 紅外標靶被安裝在回轉臺附近。通過前期研究顯示，LED紅外多點標靶能夠避免因為灰塵多而造成視覺測量偏差，一般規定要將測量視覺的準確度誤差控制在±0.8°上下（垂直式擺角）和±0.5°上下（水平式擺角）[2]。

3）采集信息的處理應用模塊主要用于完成超聲波、捷聯式慣導等應用傳感器的數據信息的實時采集，并將采集回來的數據信息通過預處理，獲取傳感器的輸出量，再將輸出量傳輸至解算數據模塊。

4）解算數據應用模塊的主要構成分為機身解算定位、截割頭解算定位及其解算軌跡。

5）顯示圖像應用模塊主要完成設置參數、顯示軌跡、提示控制量、查詢數據內容等。

6）存儲應用模塊功能的實現依靠控制器的集成數據單元，與數據庫MySQL 相結合實現對巷道、機身、截割頭等相關數據的存儲。煤礦懸臂式巷道掘進機輔助可視化截割控制系統依靠捷聯式慣導對巷道內的掘進機進行定位，再通過捷聯式慣導、超聲波與激光組合傳感器對掘進機的位姿進行確定[3]。本模塊根據紅外圖像標靶進行定時圖像信息采集，再通過對圖像信息的預處理獲取截割頭姿態角，然后將其轉化至斷面的坐標系中，最終將其顯示在可視化操作界面，為操作者提供準確、直觀的導引和幫助。

2 系統相關軟件的開發

采用跨平臺VS2015+Qt5.8 軟件，以保證數據得到實時更新，使用多線編程執行的方式使軟件具備多種應用功能。

主線程序負責更新主監測操作界面，其中包括掘進機位姿的實時顯示，導引路徑、截割頭處在斷面時的實時位置更新顯示，掘進機欠挖或超挖時的報警。該系統輔助1 線程可以通過攝像機完成標靶圖像的采集，進行截割臂的姿態測量；輔助2 線程采用通信RS485 模塊完成超聲傳感器的數據采集；輔助3 線程采用通信RS485 模塊完成慣導捷聯數據的采集；輔助4 線程采用通信RS485 模塊完成激光傳感器測距數據的采集。各線程之間的信息交互由數據庫MySQL 負責完成，以便實現對各種數據信息的傳輸和管理[4]。

按照懸臂式的掘進機輔助可視化截割應用系統方案，需要該系統界面實現對工況的實時數據信息的采集及計算，并對其結果進行存儲與顯示，以及完成各項參數設置，實現數據可查詢的功能等，如圖1所示。

圖1 可視界面的功能

該系統采用捷聯式慣導、超聲波和激光組合傳感器對巷道掘進機位姿進行精準定位，通過測量視覺系統獲取截割頭位于機身的準確位置，然后利用轉換坐標對截割頭巷道對應位置進行查找，最終在顯示器上按相應比例加以顯示。

在該系統1 區域通過動態圖形化顯示的辦法對巷道掘進機的位置進行精準顯示，其中包括顯示掘進機跟前方及其兩側煤壁相差距離、掘進機機身偏航角。在系統2 區域實現模擬巷道的顯示，同時對掘進機截割規劃路徑加以顯示，通過動態橢圓圖形對截割頭的運行軌跡進行顯示，完成截割作業輔助性的導引幫助。在系統3 區域展示機身姿態角和機身與兩側煤壁的差距，同時以動態圖形化的形式加以顯示。在系統4 區域如果發現2 區域出現截割頭運行軌跡超越模擬巷道的邊界標準，系統會自動啟動指示燈進行報警，直至截割頭修正軌跡并符合邊界標準為止。在系統5 區域通過經緯度的對比對掘進機所處位置進行實時顯示[5]。

3 測試驗證

3.1 截割頭的定位功能測試

相機距離LED 紅外標靶170 cm，采取內參定相機的辦法獲取到相機的內參數，其中主像素點為（617.68，512.234），焦距是5.116 mm。本論文通過試驗來驗證截割頭處于動態與靜態測量視覺的效果。

1）關于對截割頭進行的視覺靜止測試。當截割頭處于靜止時，在每隔100 ms 就進行一張圖片采集，圖2 是將圖片完成處理后的結果展示。

圖2 靜止截割頭視覺的測試變化結果

通過圖2 可以看到，當截割頭處于靜止時，抬升角在測量視覺時的跳動不會超過0.3°，回轉角的跳動不會超過0.25°，符合輔助可視化截割應用系統的設計標準和要求。

2）關于對截割頭視覺運動的測試。要檢測輔助可視化截割應用系統的可靠性，主要通過對運動狀態下截割頭視覺方面的性能情況測試加以確定。在截割頭處于靜止狀態時，每隔100 ms 進行一次圖片采集，首先需將截割頭保持垂直的方向靜止不動，再操作其截割頭從右至左勻速擺動[6]。測試中回轉角的擺動角度曲線變化平滑，并呈線性運動。對其擺角進行動態測試時，同樣采用每間隔100 ms 進行一張圖片采集，此時保持截割頭的回轉角不變，再通過截割頭由上至下的方式運動來進行圖像采集，要求截割頭與抬升角所擺動的角度保持一致，變化曲線平滑，呈線性運動關系，具有較好的穩定性。

3.2 掘進機機身姿態性能試驗

1）九軸的捷聯式慣導相關靜置測試。為了達到降低對捷聯式慣導的影響作用，在其防爆殼內用厚度為5 mm的硅膠墊將捷聯式慣導固定好，然后啟動捷聯式慣導，靜置1 min 以后，開始進行姿態角信息數據的采集，時間為10 min，其中俯仰角和橫滾角的變化都不超過0.4°，航向角所發生的變化不超過0.2°。通過以上測試可以看到，九軸的捷聯式慣導各項性能可靠、穩定，符合系統相關的標準和要求[7]。

2）捷聯式慣導相關動態測試。在高精度自由旋轉臺上固定九軸的捷聯式慣導，需待方位臺正轉至2°、捷聯式慣導停穩再進行數據采集，需要進行21個組次的連續性采集。測試結果顯示，航向角所發生的變化能夠符合輔助可視化截割機運行工作的精準度要求。

4 結論

1）在截割頭處于靜止狀態下，該系統設計抬升角只限于在不超過0.3°的范圍跳動，而回轉角在不超過0.25°的范圍跳動；當截割頭運行時，截割頭的擺動趨勢與測量結果相符，其運動曲線呈線性關系，具有良好的穩定性能。

2）當掘進機的機身保持不動時，其俯仰角與橫滾角都不超過0.4°，而航向角則在不超過0.2°的范圍變化。在動態測試中，其航向角的曲線變化與旋轉臺方位角的曲線變化表現為斜率一致。

3）通過對該系統的測試結果可見，該系統的截割運行軌跡和報警提示功能穩定可靠，符合相關標準及要求。