基于VR 技術的掘進機智能截割控制系統研究

崔婉桐

（山西省煤炭建設監理有限公司， 山西 太原 030002）

0 引言

掘進機是煤礦井下巷道掘進的核心裝備，主要依靠懸臂帶動截割機構進行巖壁截割，形成規定形狀的巷道，但由于煤礦井下地質條件復雜、能見度差等情況，由人工在井下截割控制的過程中完全依靠操作手的視覺和經驗控制，因此截割效率和精度均難以滿足巷道掘進需求，已經成為限制井下綜采作業效率進一步提升的瓶頸。

1 VR 視覺智能截割控制系統

結合井下懸臂式掘進機的實際截割特性和自動化截割的控制需求，本文提出的基于VR 技術的掘進機智能截割控制系統整體控制構架主要包括了機載計算機、工業以太網、掘進機本體以及DSP 控制器等，各個部分采用了模塊化設計及高速接口連接，工作時各個模塊獨立運行，當出現故障的情況下能夠快速更換，提高了截割控制系統的使用可靠性。其整體架構如圖1 所示[1]，該控制系統中掘進機的VR 控制系統以機載計算機和DSP 控制器為核心，利用井下視頻監測的方式確定截割機構相對于機身標記點的相對位姿信息，然后再利用機身位姿監測系統確定掘進機在巷道內的相對位姿信息，數據信息在DSP 控制器內經過D-H 數據解算后確定掘進機最終的截割位姿情況并反饋到數據控制中心內。

圖1 智能截割控制系統結構示意圖

在數據控制中心內系統通過讀取掘進機截割規劃路徑信息將規劃信息和實際信息進行對比，獲取數據信息的偏差量，根據偏差情況獲取掘進機各個機構的調節量，然后通過模糊閉環控制理論來對掘進機電液比例閥的動作和開度進行控制，實現對掘進機截割姿態的靈活調整，同時在控制過程中系統不斷地對調節后的位姿狀態進行監測、對比、修正，確保姿態調節的精確性。

2 視覺測量理論

該智能控制系統的基礎是視覺測量模塊測量的精確性，為了滿足在煤礦井下復雜地質環境下的使用需求，本文提出了一種新的視覺測量模塊[2]，以工業高清防爆攝像機為基礎，以工業以太網為數據傳輸核心，實現了對井下掘進機運行情況的精確監測，該視覺測量系統整體結構如圖2 所示。

圖2 視覺監測系統結構示意圖

由圖2 可知，該系統在工作的過程中首先通過掘進機機身上的攝像機對截割過程中的紅外標靶圖像進行采集，然后將視頻信息通過GIGE 數據[3]接口傳遞到控制中心內，對視頻監測結果進行解算。為了確保數據傳輸的及時性，在進行視覺圖像采集時其測量周期設置為50 ms。由于視頻監測數據具有瞬時數據量大、易受干擾的特性，因此在數據傳輸系統中采用了雙向高速光纖數據網絡，不同的數據按各種專用的數據傳輸通道進行數據傳輸，既提高了數據傳輸速度又避免了數據在傳輸過程中的相互干擾。

由于該系統對掘進機空間位姿的監測是通過對視覺監測圖像的分析而獲取的，因此視覺監測圖像的分析準確性，直接決定了該智能控制系統的應用可靠性。為了提升對圖像分析的準確性，在進行視覺測量結果分析時，采用了圖像預處理的方式，采用高斯函數和圖像二值化的方式對圖像進行降噪和數據修正處理，最后再利用光斑中心定位的方式對圖像進行精細化處理，有效提升數據分析結果的準確性。

該圖像數據處理系統和掘進機的運行姿態監測系統數據互通，能夠根據姿態監測系統的監測結果來對圖像視覺處理結果進行自動修正，從而避免了長期工作時累積誤差的影響，提高了掘進機在工作時的運行穩定性和智能化程度，該圖像處理邏輯如圖3 所示[4]。

圖3 圖像數據處理邏輯示意圖

3 智能截割閉環控制系統

為了確保對掘進機截割過程調節的精確性，本文使用了一種新的智能截割閉環控制系統，以模糊閉環控制為核心，實現對掘進機截割系統的自動調節和控制，該閉環控制系統邏輯如圖4 所示[5]。

在該控制系統中通過視覺測量系統獲取掘進機的截割狀態信息，然后經過位姿解算后獲取巷道截割斷面信息，將相關信息反饋給PID 控制器[6]，在系統內經過比例放大器后輸出對掘進機截割狀態調節的控制信號，電液比例閥獲取控制信號后控制液壓缸和截割機構進行調控[7]，在調控過程中系統重復性的對截割狀態進行監測和對比，不斷地進行修正，滿足控制截割精確性的需求。

4 應用效果分析

為了對該智能截割控制系統的實際應用情況進行分析，以EBZ220 型掘進機為例，其運行功率為355 kW，最大可掘進高度為4.8 m，最大可掘進寬度為5.96 m，本文對優化后的掘進機截割情況進行跟蹤監測[8]，其保證截割精度的俯仰角誤差監測結果如圖5所示。

圖5 掘進機截割頭俯仰角誤差監測結果

由圖5 可知，優化后掘進機截割頭在運行過程中的俯仰角最大誤差為0.4°，顯著提升了掘進機巷道掘進時的精確性，同時由于截割精確性的提升減少了掘進過程中的二次修整作業，因此將巷道的掘進效率由最初的5.4 m/d 提升到了目前的6.23 m/d，效率提升了約15.7%，對于提升煤礦井下巷道掘進的效率和成型質量具有十分重要的意義。

5 結論

1）基于VR 技術的掘進機智能截割控制系統整體控制構架主要包括了機載計算機、工業以太網、掘進機本體以及DSP 控制器等；

2）新的視覺測量模塊，以工業高清防爆攝像機為基礎，以工業以太網為數據傳輸核心，實現了對井下掘進機運行情況的精確監測；

3）智能截割閉環控制系統，以模糊閉環控制為核心，實現對掘進機截割系統的自動調節和控制；

4）優化后的控制系統能夠將掘進機的姿態變化偏差控制在0.4°以內，將巷道掘進效率提升15.7%，為實現井下的無人化巷道掘進奠定了基礎。