掘進機可視化遠程控制系統(tǒng)的試驗研究

劉思敏

（晉能控股煤業(yè)集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

煤礦井下巷道掘進是煤礦生產的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段掘進機作業(yè)主要依賴于人工經驗，問題較多。主要表現(xiàn)為：掘進巷道用工數(shù)量多、掘進速度低、設備自動化程度偏低；掘進生產環(huán)境惡劣，安全事故頻發(fā)，威脅到工人的人身安全。因此，提出了掘進機可視化遠程控制系統(tǒng)的設計[1-2]，并在虎龍溝煤業(yè)進行了模擬試驗和工業(yè)性試驗。

1 掘進機可視化遠程控制系統(tǒng)的設計分析

針對煤礦井下掘進巷道施工中存在的問題，開發(fā)掘進機的可視化遠程控制系統(tǒng)，基于掘進機自動化截割技術，對提升巷道掘進自動化水平及安全生產具有重大意義。掘進機可視化遠程控制系統(tǒng)能夠有效整合并且增強工作面處的關鍵信息，并將這些信息集中地顯示在計算機顯示器上。工人通過計算機顯示器，對前方工作面的場景獲得全面的了解，可始終處在較為安全的后方，通過精確測量、實時監(jiān)控、遙控操作和自動截割等技術手段，實現(xiàn)掘進機的少人/無人自動掘進。掘進機可視化遠程控制系統(tǒng)主要由可視化監(jiān)測系統(tǒng)和自動截割兩大系統(tǒng)組成。

2 可視化監(jiān)測系統(tǒng)的設計

可視化監(jiān)測系統(tǒng)包含圖像處理、掘進機機身定位、掘進機截割臂姿態(tài)監(jiān)測、工作面立體場景及人機交互等子系統(tǒng)。

2.1 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)用于完成以下4 項子任務：圖像的采集與傳輸、圖像對比度提升及圖像降噪。圖像的采集與傳輸通過軟件服務器實現(xiàn)，軟件系統(tǒng)為每個攝像機分配了一個服務線程，服務線程在執(zhí)行過程中，每間隔一定時間即向遠端的攝像機發(fā)出圖像傳輸請求，然后解碼得到圖像，并寫入系統(tǒng)圖形界面指定的控件。

2.2 掘進機機身定位系統(tǒng)

雙目視覺三維重構原理的掘進機機身定位系統(tǒng)，通過處理十字形激光標志物中心在左、右攝像機成像平面內的像素坐標，估計激光標志物的實際三維坐標，進而計算掘進機在工作面空間內的坐標。

為立體攝像機開發(fā)基于 OpenCV 的單目、立體標定系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)一起為基于雙目視覺的三維重構算法提供需要的參數(shù)。開發(fā)基于 OpenCV 庫的十字形標志物檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)從原始圖像中提取有效重合視野內的圖像，使用 Hough 變換組成十字形標志物的2 條直線，進而確定十字形標志物中心的像素坐標，并轉化為標準場景。開發(fā)基于最優(yōu)估計與SVD（奇異值分解）的標志物中心三維坐標快速估計子系統(tǒng)，基于標準場景的幾何關系建立約束方程，使用標志物中心的左、右像素坐標，基于最優(yōu)估計與SVD，實時解算標志物中心的三維坐標。

當掘進機攝像頭被擋住，或由于十字光標難以識別時，系統(tǒng)自動切換為激光測距定位模式在掘進機機身前方和右側方分別布置2 個脈沖式激光測距傳感器，測量機身到掘進迎頭及巷道壁的距離，經過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)反饋到實時動態(tài)三維立體場景中，可實現(xiàn)機身相對于巷道的位置和方向的檢測。

2.3 掘進機截割臂姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

掘進機截割臂姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過使用工業(yè)計算機處理電子陀螺儀的測量數(shù)據(jù)，從而估計掘進臂相對于機身的姿態(tài)。系統(tǒng)同時提供掘進臂末端坐標，以及掘進臂與標準坐標系三坐標軸夾角2 種姿態(tài)信息，選擇以掘進作業(yè)起始姿態(tài)定義的坐標系為參考系，進行截割臂姿態(tài)定位估計。

當掘進機截割臂姿態(tài)變化異常時，選用3 組編碼器對截割臂進行姿態(tài)監(jiān)測，兩組轉碼器分別安裝于截割回轉和升降的交接點中心位置，第三組拉線編碼器安裝于截割頭伸縮油缸處，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸至計算機控制中心，經過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)反饋到實時動態(tài)三維立體場景中，供工作人員參考。

2.4 人機交互界面

人機交互界面基于MFC（微軟基礎類庫）框架開發(fā)，整合了3 臺攝像機原始圖像顯示、增強后圖像顯示，提供對立體攝像機標定、陀螺儀標定與掘進臂姿態(tài)估計、工作面參數(shù)設置、工作面截圖控制等功能，還為立體工作面場景建立了單獨的視窗，用于顯示虛擬工作面的立體場景，界面主要分為原始圖像顯示、處理后圖像顯示、功能控制及狀態(tài)參數(shù)顯示4 個功能區(qū)。

2.5 工作面立體場景

虛擬工作面立體場景的圖形引擎基于OpenGL開發(fā)，引擎在實現(xiàn)時采用了場景描述和圖形顯示相分離的方案，自定義一整套場景描述腳本語言，支持基本圖元繪制及移動、旋轉等變換，可實現(xiàn)任意場景的建模；圖形顯示帶有配套的腳本語言解釋器，支持來自文本和字符串的場景描述腳本解析；同時引擎配置了用戶交互服務線程，能夠響應來自鍵盤和鼠標的交互操作，自定義留體尺寸，任意視角觀察，以便操作工人全方位獲取場景信息為配合掘進機機身定位和截割臂姿態(tài)估計定位，圖形引擎支持基于事件觸發(fā)的顯示更新，當機身定位及截割臂姿態(tài)數(shù)據(jù)更新時，引擎會響應信號，實時顯示當前掘進機的空間位置及姿態(tài)。

3 自動化控制系統(tǒng)的設計

為達到工作面少人化，自動截割技術是實現(xiàn)掘進機完成自主作業(yè)的基礎，主要包括無線遙控系統(tǒng)和自動掘進系統(tǒng)。

3.1 無線遙控系統(tǒng)

根據(jù)視頻圖像、掘進機的位置和姿態(tài)、虛擬工作面的信息進行掘進機的掘進作業(yè)遙控，包括行走控制、鏟運控制、截割控制的啟停、調速等，通控系統(tǒng)由遙控臺發(fā)出命令，MCU 中無線收發(fā)器接收命令，并經由MCU 控制器轉為對電磁比例閥的控制實現(xiàn)這些動作。

3.2 自動掘進系統(tǒng)

自動掘進系統(tǒng)基于PLC 結合工控機組成計算控制單元，通過分析監(jiān)測系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)和控制油缸伸縮量可實現(xiàn)任意斷面形狀自動截割成型。虛擬工作界面默認工作在手動遙控掘進模式，當切換到自動掘進模式時，則自動掘進工作界面會自動彈出，在工作界面中，將使用虛擬動畫的形式實時顯示截割起點、路徑規(guī)劃后的截割路徑、截割頭的當前位置、已截割軌跡和待截割軌跡等。另外，該界面可以輸入自動掘進規(guī)劃所需要的參數(shù)，顯示截割過程中的實時參數(shù)。自動掘進系統(tǒng)設定2 種模式，即規(guī)劃模式和記憶模式，工作流程如圖1。

圖1 自動掘進流程圖

當掘進機設定為規(guī)劃模式時，截割起點可以人為指定，同時需要輸入的參數(shù)包括進尺量、工作面截割寬度、高度等。根據(jù)這些參數(shù)系統(tǒng)進行截割路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃的結果包括整個截割路徑執(zhí)行過程中的掘進臂姿態(tài)軌跡、行走部的行走軌跡以及與運、鏟等有關的掘進機控制量設定。當掘進機設定為記憶模式時，要求人工操作調整掘進機至某一指定起點，然后完整地完成一次人工操作截割，截割頭回到起點。在此過程中，掘進機的姿態(tài)檢測系統(tǒng)、截割驅動系統(tǒng)會將所有的截割信息輸出存儲到計算機中，等待開始記憶截割時，掘進機會按照之前所存儲的截割信息進行全程截別，將之前的人工操作復現(xiàn)，并對所有截割參數(shù)進行實時監(jiān)測，如有異常進行報警。

4 試驗研究

4.1 模擬試驗

為最大可能測試掘進機可視化遠程控制系統(tǒng)各部分功能，在虎龍溝煤業(yè)地面車間現(xiàn)場搭建井下模擬巷道，模擬巷道高度×寬度×長度=4 m×6 m×20 m，分別對掘進機可視化遠程控制系統(tǒng)的視頻傳輸、機身定位、截割臂變態(tài)定位、人機交互操作、遙控操作及自動掘進等各部分功能進行模擬試驗。經試驗，各項功能均能完全實現(xiàn)，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 掘進機可視化遠程控制系統(tǒng)模擬試驗數(shù)據(jù)

模擬測試結果表明，檢測距離與模擬試驗距離的相對誤差在±2%以下，掘進機可視化遠程控制系統(tǒng)測量精度能夠滿足煤礦井下生產需求。

4.2 工業(yè)性試驗

虎龍溝煤業(yè)5 層東盤區(qū)51511 高抽巷采用EBZ220H 式掘進機進行施工作業(yè)，為實現(xiàn)掘進機的自動化截割技術，該煤礦采用掘進機可視化遠程控制系統(tǒng)對EBZ220H 式掘進機進行了安裝、改造和調試，并投入到實踐應用當中。從實踐應用結果可知：掘進機可視化遠程控制系統(tǒng)應用后，能夠實現(xiàn)對掘進機的遠程控制要求，通過精確測量、實時監(jiān)控、遠程操作和自動截割等技術手段能夠實現(xiàn)掘進機的自動化截割技術，有效地實現(xiàn)了51511 高抽巷掘進面的少人化施工作業(yè)；大幅度降低了工作人員的勞動強度，減少工作人員約30%；巷道斷面控制準確度達99%以上；掘進機行走軌跡實現(xiàn)了可視化監(jiān)視和調整，節(jié)約時間約35%；巷道掘進效率提高28%，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的安全經濟效益。

5 結論

（1）圖像處理系統(tǒng)實現(xiàn)了圖像采集、傳輸、對比度提升及圖像降噪功能，機身定位及截割臂姿態(tài)定位系統(tǒng)實現(xiàn)了掘進機實時位置及姿態(tài)的監(jiān)測，友好人機界面為可視化監(jiān)測系統(tǒng)操作提供保障。

（2）模擬試驗和工作性試驗結果表明，在51511 高抽巷掘進機可視化遠程控制系統(tǒng)通過精確測量、實時監(jiān)控、遠程操作和自動截割等技術手段能夠實現(xiàn)EBZ220H 掘進機的自動化截割技術，從而為實現(xiàn)掘進工作面少人化奠定基礎。