基于激光掃描技術(shù)的露天潛孔鉆機(jī)定位系統(tǒng)

李榮興

（中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100071）

0 引言

露天潛孔鉆機(jī)具有適用性強(qiáng)、鉆孔深、鉆孔效率高、鉆孔直徑大等諸多優(yōu)點(diǎn)，在水利、交通、國(guó)防、建筑、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及礦山開(kāi)采中得到普遍應(yīng)用。根據(jù)作業(yè)地點(diǎn)，潛孔鉆機(jī)又分為露天潛孔鉆機(jī)和井下潛孔鉆機(jī)，其中露天潛孔鉆機(jī)在露天礦山開(kāi)采中扮演者十分重要的角色。鉆孔作業(yè)作為露天煤礦開(kāi)采的首道工序，鉆孔質(zhì)量的好壞對(duì)于爆破、破碎、采裝等工作具有重要影響，尤其是鉆孔定位的精度和速度，對(duì)于提升露天煤礦生產(chǎn)效率意義重大，因此，有必要對(duì)露天潛孔鉆機(jī)定位系統(tǒng)進(jìn)行專項(xiàng)探討和研究[1-4]。

以實(shí)現(xiàn)露天潛孔鉆機(jī)自動(dòng)定位為目地，基于激光掃描技術(shù)和DR（Dead Reckoning，航位推算）定位，設(shè)計(jì)一套潛孔鉆機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性和可行性，以期能為露天潛孔鉆機(jī)的高效生產(chǎn)提供借鑒[5]。

1 露天潛孔鉆機(jī)

露天潛孔鉆機(jī)主要由鉆臂、推進(jìn)器、換桿器、鑿巖機(jī)、底盤(pán)、柴油發(fā)電機(jī)、駕駛室、液壓控制系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、集塵器系統(tǒng)以及主電氣系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成（圖1）。西方國(guó)家在潛孔鉆機(jī)研制方面起步較早，經(jīng)過(guò)上百年的發(fā)展，已經(jīng)推出了多種系列的潛孔鉆機(jī)，較為常見(jiàn)的有瑞典阿特拉斯科普柯生產(chǎn)的ROC 系列，英格蘭索的CZ 和CM 系列，日本古河的PCR 系列。國(guó)內(nèi)潛孔鉆機(jī)起步較晚，直到20 世紀(jì)70 年代我國(guó)才研制出第一臺(tái)露天潛孔鉆機(jī)，但由于我國(guó)能源、礦山、國(guó)防以及水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，也推動(dòng)著國(guó)內(nèi)潛孔鉆機(jī)向集約化、規(guī)模化和智能化發(fā)展，當(dāng)前最常用的國(guó)產(chǎn)露天煤礦潛孔鉆機(jī)有山河智能生產(chǎn)的SWDB120 型潛孔鉆機(jī)和湖南有色重型機(jī)器公司生產(chǎn)的CS225D 型潛孔鉆機(jī)[6]。

為了提升工作性能，目前潛孔鉆機(jī)的研究主要集中在5 個(gè)方向：

（1）向一體化、小型化液壓潛孔鉆機(jī)發(fā)展。

（2）開(kāi)發(fā)智能化潛孔鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位和鉆孔。

（3）開(kāi)發(fā)與負(fù)載向適應(yīng)的功率匹配系統(tǒng)和動(dòng)力推進(jìn)裝置，降低能耗，提高鉆孔質(zhì)量。

（4）研發(fā)高性能閥、泵和其他液壓元件，提升其使用壽命。

（5）針對(duì)不同巖層設(shè)計(jì)和研發(fā)獨(dú)立的調(diào)頻功能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

本文將主要針對(duì)潛孔鉆機(jī)自動(dòng)定位、鉆孔進(jìn)行探討。

2 激光掃描定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 鉆機(jī)定位方案

常用的定位方法包括GPS 定位、機(jī)器視覺(jué)定位、激光掃描定位、DR 定位以及多種傳感器融合定位等。激光掃描定位是近幾年得到大力發(fā)展的基于人工路標(biāo)的全局定位方法，具有無(wú)累計(jì)誤差、抗干擾能力強(qiáng)、定位精度高等特點(diǎn)，但由于露天煤礦野外作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，存在激光被遮擋的情況，可能會(huì)導(dǎo)致激光掃描系統(tǒng)無(wú)法正常工作，因此，在激光掃描技術(shù)基礎(chǔ)上，再結(jié)合DR定位進(jìn)行過(guò)渡，即采用多傳感器組合定位的方式對(duì)潛孔鉆機(jī)的定位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，鉆機(jī)定位方案總體框架見(jiàn)圖2。

圖2 鉆機(jī)定位方案總體框架

2.2 激光定位系統(tǒng)

激光定位系統(tǒng)是整個(gè)鉆機(jī)定位系統(tǒng)最主要的結(jié)構(gòu)，主要由激光測(cè)距儀、自動(dòng)云臺(tái)、數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊以及定位計(jì)算模塊等四大核心部件構(gòu)成。激光掃描系統(tǒng)定位原理：在鉆孔區(qū)域內(nèi)事先設(shè)置人工標(biāo)桿，然后使?jié)摽足@機(jī)沿著工作區(qū)域邊界行走一遍，通過(guò)激光掃描系統(tǒng)記錄工作區(qū)域邊界和標(biāo)桿的相對(duì)位置，當(dāng)進(jìn)行鉆孔定位時(shí)，只需要確定潛孔鉆機(jī)與人工標(biāo)桿的相對(duì)位置就可以得到鉆孔的實(shí)際位置（坐標(biāo)），從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位鉆孔。工作原理：當(dāng)自動(dòng)云臺(tái)帶動(dòng)激光測(cè)距儀掃描到路標(biāo)后，會(huì)生成測(cè)距信息，這些測(cè)距信息由PLC 模塊讀取后傳遞給上位機(jī)的定位計(jì)算單元，經(jīng)上位機(jī)數(shù)據(jù)處理和定位計(jì)算，可得到潛孔鉆機(jī)相對(duì)于路標(biāo)坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)和方位角，從而指揮潛孔鉆機(jī)移動(dòng)，到達(dá)設(shè)定好的位置處進(jìn)行鉆孔施工。激光定位系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖3。

圖3 激光定位系統(tǒng)工作原理

2.3 DR 定位系統(tǒng)

作為一種相對(duì)定位技術(shù)，DR 定位系統(tǒng)的誤差會(huì)隨著路程和時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸累積，因此，這種方法并不適用于長(zhǎng)時(shí)間和長(zhǎng)距離的定位施工，僅能作為絕對(duì)定位技術(shù)的輔助技術(shù)結(jié)合使用，從而獲得更加精確的位姿估計(jì)。DR系統(tǒng)中最重要的結(jié)構(gòu)部件是里程儀，通常分為機(jī)械式、磁電式和光電式三種，由于光電式里程儀具有成本低、響應(yīng)快、分辨率高、輸出信號(hào)無(wú)滯后現(xiàn)象等特點(diǎn)，因此采用光電式里程儀作為DR 定位系統(tǒng)的傳感器。DR 定位系統(tǒng)工作原理：當(dāng)激光測(cè)距儀無(wú)法工作時(shí)，DR 系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)，里程儀測(cè)量得到潛孔鉆機(jī)的行駛距離，然后將其轉(zhuǎn)換為脈沖次數(shù)，PLC 將讀取到的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)脈沖次數(shù)與里程刻度儀因子相乘可以計(jì)算得到車輛走過(guò)的總路程，然后通過(guò)航位推算及激光掃描失效時(shí)潛孔鉆機(jī)的位姿信息，從而計(jì)算得到當(dāng)前潛孔鉆機(jī)的位姿。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

激光測(cè)距傳感器選用Leica DISTO A6 型，其有效測(cè)距范圍0.05～200 m，測(cè)距精度為±1.5 mm，測(cè)距儀具有無(wú)線藍(lán)牙功能，可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞至計(jì)算機(jī)；角度編碼器選用DGS 型增量編碼器，分辨率為2500 P/r，測(cè)量精度為45/N°；控制器選用PCM-3370 型嵌入式主板模塊控制器，利用CAN 線與上位機(jī)連接；位移傳感器選用RS43-6 型傳感器。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)立人工標(biāo)桿。

（2）將激光掃描儀依次放置于定位位置1,2，……處，進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集和定位計(jì)算。

（3）將定位坐標(biāo)與理想坐標(biāo)對(duì)比，計(jì)算得到定位誤差。

（4）在鉆孔區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取10 個(gè)點(diǎn)，然后進(jìn)行鉆孔施工，得到實(shí)際鉆孔坐標(biāo)與理想孔位的定位誤差。

3.3 誤差分析

實(shí)驗(yàn)得到的激光測(cè)距儀的定位實(shí)驗(yàn)誤差情況見(jiàn)圖4（圖中虛線表示場(chǎng)地對(duì)稱軸線）。從圖中可以看到：對(duì)稱軸線兩側(cè)的定位誤差基本呈對(duì)稱變化趨勢(shì)，越遠(yuǎn)離對(duì)稱軸，定位誤差越大，是因?yàn)槎ㄎ话霃皆叫。ㄎ粖A角誤差對(duì)定位誤差的影響越小；左側(cè)的定位誤差略大于右側(cè)的定位半徑誤差，是由于定位夾角誤差對(duì)軸線左側(cè)的定位圓心影響較大。從全部86 個(gè)定位點(diǎn)誤差情況分析得出，定位誤差最大值為27 mm，處于精度規(guī)范要求的30 mm 內(nèi)，可見(jiàn)激光掃描定位系統(tǒng)及其定位算法具有較高的定位精度。

圖4 激光掃描定位誤差

為了進(jìn)一步驗(yàn)證采用激光掃描定位技術(shù)后，露天潛孔鉆機(jī)的鉆孔定位精度，在工作區(qū)域隨機(jī)選取10 個(gè)點(diǎn)作為鉆孔孔位，并利用搭載激光掃描系統(tǒng)的鉆機(jī)進(jìn)行工作機(jī)構(gòu)定位控制，得到實(shí)際鉆孔孔位與理想鉆孔孔位的誤差（圖5）。從圖中可以看到：在10 個(gè)鉆孔孔位現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果中，誤差最大的為3 號(hào)孔，誤差值為28 mm，最小的為2 號(hào)孔，誤差值為10 mm，10 個(gè)鉆孔的平均定位誤差為18.4 mm，定位誤差均控制在30 mm 以內(nèi)，能夠滿足露天潛孔鉆機(jī)的定位精度要求。

圖5 鉆孔定位誤差

4 結(jié)論

針對(duì)露天潛孔鉆機(jī)，設(shè)計(jì)一套基于激光掃描技術(shù)的定位系統(tǒng)，并利用DR 進(jìn)行過(guò)渡定位。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了露天潛孔鉆機(jī)基于激光掃描技術(shù)定位的可行性和合理性，同時(shí)激光掃描定位誤差和鉆孔定位誤差均滿足不大于30 mm 的精度要求，表明本文提出的定位方案定位效果較好、精度較高、可在實(shí)際工程中運(yùn)用。