掘進機可視化遠程控制系統的設計及試驗研究

王 建

（晉能控股煤業集團晉華宮礦，山西 大同 037016）

井下巷道施工是煤礦安全生產的重要組成部分，目前礦井掘進機的工作大多依靠人工操作，存在著許多問題。其特點是：掘進巷道員工多，掘進速度低，設備自動化程度低，煤礦開采作業條件差，安全事故時有發生，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程監測系統，并在晉能控股煤業集團某礦進行了模擬與工業試驗。

1 掘進機可視化遠程控制系統的設計分析

為了解決礦井隧道開挖過程中出現的問題，研制了一套可視化的遙控式掘進器，在隧道施工中，使用自動切割技術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。該設備可視化遙控系統可以將采場內的重要數據進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。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域內，采用提升測量精度、實時監控、遙控技術和自動截割等技術，可以讓掘進機的自動化程度更高，降低了人力資源的浪費。該設備的可視化遙控系統包括兩大部分：可視性監控和自動化截斷。

2 可視化監測系統的設計

可視化監控系統的功能包括圖像處理，掘進機機身、截割臂位置坐標確定，渲染工作面立體場景和實現人際交互。

2.1 圖像處理系統

圖像處理主要實現四個部分：圖像采集和傳輸、圖像對比性增強和圖像噪聲降低。利用軟件服務器完成了對視頻的實時獲取和發送，該軟件系統將一個業務線程分配給每臺攝像機，服務線程在執行過程中，每過一段時間，就會發送一張圖片數據請求給遠方的攝像機，然后把它解碼成一張圖片，并把它寫在系統的圖形界面上。

2.2 掘進機機身定位系統

基于雙眼視覺三維重建原理的掘進機機身定位系統，對右相機圖像上的十字激光標點中心像素坐標進行了處理，獲得了其真實的三維坐標，并由此獲得了掘進機在工作面的實際坐標。

利用OpenCV技術實現立體相機的單目、立體標定系統，為雙眼視覺三維重建算法的設計提供了所需的參數。在OpenCV庫基礎上，該系統從原圖像中抽取出與目標一致的視場，通過Hough變換，可以得到十字標記的兩條直線，由此得到交叉標志的中心像素的座標，并把它轉化成一個標準的場景。利用最優估計法和奇異值分解方法，進行三維坐標估計子系統的開發，以標記物的中心坐標和場景中的幾何關系作為約束條件，建立了對應的約束方程，同時以標記物中心的像素坐標為基本條件，采用奇異值分解和最優估計法，可以實時計算標記物的中心坐標。

當掘進機攝像機被障礙物擋住或交叉指針難以識別時，該系統將自動切換為激光測距模式，在掘進機機身前后左右各設置兩個脈沖式激光測距傳感器，測量其與掘進機正面與井壁之間的距離，將測得的距離轉換成數字信號，利用該方法，可以實時地進行三維運動場景的跟蹤，并能準確地檢測出機身在巷道的位置。

2.3 掘進機截割臂姿態監測系統

掘進機截斷臂姿態監控系統利用工業電腦對電子陀螺的測量數據進行分析，以求出掘進臂與機體的相對姿態。該系統能夠提供掘進臂較為全面的狀態信息，例如端部坐標信息、與坐標系各坐標軸的夾角值等，而且還能根據掘進開始姿態的坐標系來估算其位置，采用開挖起點姿態確定的坐標系作為基準，對截割機的姿態位置進行了估算。

在截割機的截割臂姿態出現不正常時，采用3套編碼器對其進行狀態監控，在截割式旋轉和提升的交叉點中央位置分別設置一套編碼器，而在截割頭的重壓油缸上設置了第三套編碼器，監控結果通過計算機監控中心，由數據處理系統反饋給現場的實時動態三維場景，工作人員可以在監控系統中實時觀測[1]。

2.4 人機交互界面

在MFC（微軟基本類數據庫）的框架下，進行人機交互界面的開發，該系統能夠完成三臺相機的原始影像的顯示和增強的影像的顯示，完成了相機的標定、陀螺儀、鉆桿的姿態估算、工作面參數的確定。在采掘機控制屏幕上，增加了一個單獨的視窗來顯示采場空間的三維場景，該視窗可以分為四個部分：采集到的原始圖像、優化處理后的圖像、功能控制模塊和系統狀態參數顯示模塊。

2.5 工作面立體場景

該系統利用OpenGL技術，進行圖形場景顯示引擎的開發，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，并支持基礎圖元繪制、移動、旋轉等變換，可以對任何場景進行模型化；圖形解釋模塊自帶對應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，該引擎還配備了人機交互服務線程，可對鼠標和鍵盤進行互動，可定制大小，可隨意觀看。這樣，作業人員就可以從各個角度獲得現場的情況，為配合挖掘機的機身位置和切割臂的位置進行定位，圖形引擎則根據事件觸發進行更新，并在機身位置和截斷臂姿態數據的更新中做出相應的反應，并在顯示界面上實時顯示掘進機在巷道中的位置和姿態信息。

3 自動化控制系統的設計

為減少人工作業量，采用自動切割技術實現自動化作業，它包括遠程控制和自控式掘進系統兩個部分。

3.1 無線遙控系統

根據視頻圖像、掘進機姿態、虛擬工作面等數據，實現掘進機的遠程控制，包括行走控制、鏟運控制、截割控制的啟動和停止；速度調節等，通過遠程控制站發送指令，MCU中的無線電收發信機通過MCU控制器轉換成對電子比例閥門進行控制來完成上述操作。

3.2 自動掘進系統

采用PLC 與工業計算機構成的自動掘進系統，利用監控系統對測量數據進行分析，并根據油缸的變形進行控制，可以實現對任意截面形狀的自動截切。該系統的工作接口在預設狀態下為人工遠程控制，系統在切換到自動工作狀態后，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，可以實時顯示切割點、規劃路徑后的切割路徑、截割頭的當前位置、切割軌跡、待切割軌跡等。此外，系統還能根據實際情況，將自動規劃的各項參數輸入到系統中，實現對切割工藝的實時控制。在自動掘進過程中，有兩種方式，一種是計劃方式，一種是記憶方式，其工作過程見圖1。

圖1 自動掘進流程圖

在將掘進機設置成計劃模式后，可以人工確定截割起始點，并在此基礎上輸入進尺、工作面截割寬度、高度等參數。在此基礎上，利用該參數體系對其進行軌跡優化，得到了在完成全切軌跡后，則可以對掘進器的參數進行控制，從而控制掘進臂的行進軌跡、姿態軌跡等。在將掘進機設置為記憶狀態時，由手動調節鉆機到達一定的起始位置，再由手工進行一次完全的手工切割，使其返回起始位置。在此期間，掘進機的姿態探測系統和截割器驅動系統將整個截割量的數據錄入計算機，然后等待截割的開始，然后由掘進機根據截割的數據進行截割，重現先前的人工操作。并對各截割參數各項指標進行了監測，如有任何不正常的情況，就會立刻報警。

4 試驗研究

4.1 模擬試驗

為了使掘進機可視化遙控系統的各個部件性能得到最大的檢驗，在晉能煤炭集團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，通過在模擬隧道進行仿真試驗，可以對可視化控制系統的各個功能進行仿真，例如信號傳輸功能、設備定功能、截割臂姿態分析、人際交互界面、自動掘進和遠程控制等模塊[2]。經過測試，所有的功能都可以完全地達到，測試結果如表1所示。

仿真實驗結果顯示，該測距距離與仿真測距距離之間的相對誤差小于±2%，結果表明，所設計的可視化測控系統能夠較好地適應煤礦生產的需要。

4.2 工業性試驗

晉能控股煤業集團東盤區5樓51511高抽巷工程，采用EBZ220H 型鉆孔機進行施工，為了實現自動化的切割，利用可視化遙控技術，對EBZ220H型鉆孔機進行了升級優化，并進行了測試，最后投入到真實的生產實踐中。從實際應用的效果來看：采用可視化遠程監控技術之后，可以達到對高抽巷進行遠程監控的目的，采用提升測量精度、實時監控、遙控技術和自動截割等技術，可使掘進機具有較好的自動化切割能力，可以實現對51511井筒開挖自動化程度的顯著提升，減少人力資源浪費，員工的工作強度大大降低，員工人數減少30%左右。隧道段的控制精度達到99%，對掘進器的運行軌道進行了可視性監控和調節，節省了35%左右的時間，使礦井的施工效率增加了28%，為公司帶來了良好的安全經濟效益。

5 結論

（1）該系統能夠實現圖像數據的穩定采集和傳輸，同時還能夠提升圖像對比度，降低圖像噪聲，同時依靠系統的姿態定位系統，可以實現對掘進機進行實時的狀態監控，友好的人機接口為可視化監控系統的運行提供了可靠的保證。

（2）通過對51511高抽巷掘進機遠程可視化遠程控制系統的仿真實驗和現場測試，證明了EBZ220H 掘進機采用提升測量精度、實時監控、遙控技術和自動截割等技術，大幅度提升了EBZ220H 掘進機自動化截割的性能和穩定性，為今后的掘進工作面操作過程中人力資源的節約打下了良好的基礎。