巷道掘進機定向掘進技術研究

李瑤瑤

（太原煤氣化龍泉能源發展有限公司，山西 太原 030303）

引言

掘進機作為井下巷道掘進的主要裝備，所處巷道工作環境非常惡劣，常伴有高溫、潮濕、噪音大和灰塵大等現象，嚴重威脅工人們的健康。因此，推動巷道掘進自動化與智能化是未來煤礦生產行業高質量轉型的必然選擇[1]。

掘進機的自主糾偏運動控制是掘進機智能化導控與巷道智能截割的關鍵環節，綜掘巷道內的復雜路況如巷道傾斜、底板滑移等對掘進機的糾偏運動控制造成了極大困擾，因此實現高精度的掘進機糾偏控制對煤礦智能化生產意義重大。

1 定向掘進原理

1.1 位置與姿態的監測

掘進機在工作時受限于有限空間，定位技術屬于室內定位導航。根據信號的不同，可分為機器視覺、無線電、激光、超聲波等定位技術[2]。

因受礦井下生產環境的復雜程度影響，傳統的的定位技術早已滿足不了現在掘進機精準定位的要求，也無法實現實時監測掘進機位姿的要求。許多國內外專家學者不斷地在嘗試新的定位技術，不間斷地探索研究。

選取巷道坐標參考點，固定掘進機后側四個模塊，進行三維坐標標定，同時利用激光測距儀標定機身模塊坐標值，建立姿態計算方程，再結合機身節點坐標計算出姿態與位置。

1.2 掘進機糾偏技術

通過建立掘進機運動計算模型如圖1，可以精確計算出掘進機的準確姿態和位置。

圖1 運動計算模型

因煤礦綜掘工作面的復雜工況，導致巷道底板的潮濕、泥濘或凹凸不平等工況，針對傳統掘進機行駛性能與糾偏控制未考慮滑移及巷道傾角的問題，為準確計算煤礦巷道實際工況下掘進機糾偏運動學與動力學參數，文中首先建立了綜合考慮巷道傾角與履帶滑移的掘進機糾偏運動計算模型[3]。

通過控制前后鏟板與支撐部件的高低來調整掘進的角度；對中航向過程是通過控制左右履帶的轉動使的掘進機自身位置與計劃的位置相重合，最終實現機身位姿的調整。

2 掘進機糾偏技術仿真分析

首先，分別對本文所建模型的正弦響應曲線進行對比驗證所建動力學模型的準確性，巷道底板仿真參數為：濕度為5%；煤質土與砂壤土質量比例1∶9，其他仿真參數見下頁表1。

表1 掘進機行走機構系統參數

其中，以Y 軸為掘進機的航向，每隔10 m 標定一個巡航點，在5～400 m 航向范圍內進行近千次的仿真計算，得到各個節點的仿真值與誤差范圍。

對仿真計算后得到的結果進行曲線擬合，取得了X、Y 軸隨距離變化的誤差規律如下頁圖2 所示。

圖2 X、Y 軸仿真誤差均值隨距離分布曲線

通過仿真結果擬合曲線可以看出，X、Y 軸方向上的誤差隨著距離的增加呈現非線性增長，在能滿足礦井巷道工程正常驗收規范的條件下，它的有效測量范圍在400 m 以上，相比較現有的掘進機定位技術而言，本文設計的定位技術方案在距離上提高了約300%左右。

3 實驗結果分析

為了驗證定向自動掘進系統的可靠性，搭建了簡易的定向掘進實驗平臺，如圖3 所示。為方便對履帶轉動速度的控制，采用電機驅動的履帶式移動機器人替代掘進機進行實驗[4]。

圖3 實驗平臺

實驗以樓道模擬巷道環境，確定巷道坐標系，首先采用全站儀測量履帶機器人和激光測量坐標系在巷道坐標系中的位姿，并對相機進行外參標定。根據當前機身位姿誤差確定輸出控制命令，控制左右履帶轉動，通過不斷調整使機身移動至期望位置。

如圖4 機身軌跡跟蹤結果中，機身從起始位置開始運動時存在起始位置偏差，隨著運動進行，機身逐漸沿參考軌跡進行運動，通過不斷調整機身運動方向，機身最終運動至期望點。從圖5 機身軌跡跟蹤誤差中可得，機身位置和偏航角誤差最終都收斂，且機身在X 方向的位置誤差為±150 mm 以內，在Y方向的位置誤差為±200 mm 以內，機身偏向角角度誤差在0.15°以內，均滿足允許范圍。

圖4 機身軌跡跟蹤結果

圖5 機身軌跡跟蹤誤差

4 結論

1）本文提出的計算模型更加精準，具有不易脫靶、標靶移動少等優點。

2）以兩個激光指向儀為參考基準，實現掘進機機身的相對位姿測量，姿態角角度誤差在0.3°以內，位置誤差在25 mm 以內，獲得了穩定的測量效果。

3）根據掘進機運動特點設計糾偏策略，構建了掘進機定向掘進運動控制模型，軌跡跟蹤控制實驗表明，控制器按照視覺測量反饋的信息控制機身沿設定的參考軌跡運動，運動至終點時，掘進機機身偏航角角度誤差在0.15°以內，機身位置誤差在200 mm 以內，可在誤差允許范圍內實現對移動機器人的軌跡跟蹤控制。