掘进机可视化远程控制系统的试验研究

刘思敏

（晋能控股煤业集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司，山西 朔州 038300）

煤矿井下巷道掘进是煤矿生产的重要环节，现阶段掘进机作业主要依赖于人工经验，问题较多。主要表现为：掘进巷道用工数量多、掘进速度低、设备自动化程度偏低；掘进生产环境恶劣，安全事故频发，威胁到工人的人身安全。因此，提出了掘进机可视化远程控制系统的设计[1-2]，并在虎龙沟煤业进行了模拟试验和工业性试验。

1 掘进机可视化远程控制系统的设计分析

针对煤矿井下掘进巷道施工中存在的问题，开发掘进机的可视化远程控制系统，基于掘进机自动化截割技术，对提升巷道掘进自动化水平及安全生产具有重大意义。掘进机可视化远程控制系统能够有效整合并且增强工作面处的关键信息，并将这些信息集中地显示在计算机显示器上。工人通过计算机显示器，对前方工作面的场景获得全面的了解，可始终处在较为安全的后方，通过精确测量、实时监控、遥控操作和自动截割等技术手段，实现掘进机的少人/无人自动掘进。掘进机可视化远程控制系统主要由可视化监测系统和自动截割两大系统组成。

2 可视化监测系统的设计

可视化监测系统包含图像处理、掘进机机身定位、掘进机截割臂姿态监测、工作面立体场景及人机交互等子系统。

2.1 图像处理系统

图像处理系统用于完成以下4 项子任务：图像的采集与传输、图像对比度提升及图像降噪。图像的采集与传输通过软件服务器实现，软件系统为每个摄像机分配了一个服务线程，服务线程在执行过程中，每间隔一定时间即向远端的摄像机发出图像传输请求，然后解码得到图像，并写入系统图形界面指定的控件。

2.2 掘进机机身定位系统

双目视觉三维重构原理的掘进机机身定位系统，通过处理十字形激光标志物中心在左、右摄像机成像平面内的像素坐标，估计激光标志物的实际三维坐标，进而计算掘进机在工作面空间内的坐标。

为立体摄像机开发基于 OpenCV 的单目、立体标定系统，两个系统一起为基于双目视觉的三维重构算法提供需要的参数。开发基于 OpenCV 库的十字形标志物检测系统，系统从原始图像中提取有效重合视野内的图像，使用 Hough 变换组成十字形标志物的2 条直线，进而确定十字形标志物中心的像素坐标，并转化为标准场景。开发基于最优估计与SVD（奇异值分解）的标志物中心三维坐标快速估计子系统，基于标准场景的几何关系建立约束方程，使用标志物中心的左、右像素坐标，基于最优估计与SVD，实时解算标志物中心的三维坐标。

当掘进机摄像头被挡住，或由于十字光标难以识别时，系统自动切换为激光测距定位模式在掘进机机身前方和右侧方分别布置2 个脉冲式激光测距传感器，测量机身到掘进迎头及巷道壁的距离，经过数据处理系统反馈到实时动态三维立体场景中，可实现机身相对于巷道的位置和方向的检测。

2.3 掘进机截割臂姿态监测系统

掘进机截割臂姿态监测系统通过使用工业计算机处理电子陀螺仪的测量数据，从而估计掘进臂相对于机身的姿态。系统同时提供掘进臂末端坐标，以及掘进臂与标准坐标系三坐标轴夹角2 种姿态信息，选择以掘进作业起始姿态定义的坐标系为参考系，进行截割臂姿态定位估计。

当掘进机截割臂姿态变化异常时，选用3 组编码器对截割臂进行姿态监测，两组转码器分别安装于截割回转和升降的交接点中心位置，第三组拉线编码器安装于截割头伸缩油缸处，监测到的数据传输至计算机控制中心，经过数据处理系统反馈到实时动态三维立体场景中，供工作人员参考。

2.4 人机交互界面

人机交互界面基于MFC（微软基础类库）框架开发，整合了3 台摄像机原始图像显示、增强后图像显示，提供对立体摄像机标定、陀螺仪标定与掘进臂姿态估计、工作面参数设置、工作面截图控制等功能，还为立体工作面场景建立了单独的视窗，用于显示虚拟工作面的立体场景，界面主要分为原始图像显示、处理后图像显示、功能控制及状态参数显示4 个功能区。

2.5 工作面立体场景

虚拟工作面立体场景的图形引擎基于OpenGL开发，引擎在实现时采用了场景描述和图形显示相分离的方案，自定义一整套场景描述脚本语言，支持基本图元绘制及移动、旋转等变换，可实现任意场景的建模；图形显示带有配套的脚本语言解释器，支持来自文本和字符串的场景描述脚本解析；同时引擎配置了用户交互服务线程，能够响应来自键盘和鼠标的交互操作，自定义留体尺寸，任意视角观察，以便操作工人全方位获取场景信息为配合掘进机机身定位和截割臂姿态估计定位，图形引擎支持基于事件触发的显示更新，当机身定位及截割臂姿态数据更新时，引擎会响应信号，实时显示当前掘进机的空间位置及姿态。

3 自动化控制系统的设计

为达到工作面少人化，自动截割技术是实现掘进机完成自主作业的基础，主要包括无线遥控系统和自动掘进系统。

3.1 无线遥控系统

根据视频图像、掘进机的位置和姿态、虚拟工作面的信息进行掘进机的掘进作业遥控，包括行走控制、铲运控制、截割控制的启停、调速等，通控系统由遥控台发出命令，MCU 中无线收发器接收命令，并经由MCU 控制器转为对电磁比例阀的控制实现这些动作。

3.2 自动掘进系统

自动掘进系统基于PLC 结合工控机组成计算控制单元，通过分析监测系统检测的数据和控制油缸伸缩量可实现任意断面形状自动截割成型。虚拟工作界面默认工作在手动遥控掘进模式，当切换到自动掘进模式时，则自动掘进工作界面会自动弹出，在工作界面中，将使用虚拟动画的形式实时显示截割起点、路径规划后的截割路径、截割头的当前位置、已截割轨迹和待截割轨迹等。另外，该界面可以输入自动掘进规划所需要的参数，显示截割过程中的实时参数。自动掘进系统设定2 种模式，即规划模式和记忆模式，工作流程如图1。

图1 自动掘进流程图

当掘进机设定为规划模式时，截割起点可以人为指定，同时需要输入的参数包括进尺量、工作面截割宽度、高度等。根据这些参数系统进行截割路径规划，路径规划的结果包括整个截割路径执行过程中的掘进臂姿态轨迹、行走部的行走轨迹以及与运、铲等有关的掘进机控制量设定。当掘进机设定为记忆模式时，要求人工操作调整掘进机至某一指定起点，然后完整地完成一次人工操作截割，截割头回到起点。在此过程中，掘进机的姿态检测系统、截割驱动系统会将所有的截割信息输出存储到计算机中，等待开始记忆截割时，掘进机会按照之前所存储的截割信息进行全程截别，将之前的人工操作复现，并对所有截割参数进行实时监测，如有异常进行报警。

4 试验研究

4.1 模拟试验

为最大可能测试掘进机可视化远程控制系统各部分功能，在虎龙沟煤业地面车间现场搭建井下模拟巷道，模拟巷道高度×宽度×长度=4 m×6 m×20 m，分别对掘进机可视化远程控制系统的视频传输、机身定位、截割臂变态定位、人机交互操作、遥控操作及自动掘进等各部分功能进行模拟试验。经试验，各项功能均能完全实现，试验数据见表1。

表1 掘进机可视化远程控制系统模拟试验数据

模拟测试结果表明，检测距离与模拟试验距离的相对误差在±2%以下，掘进机可视化远程控制系统测量精度能够满足煤矿井下生产需求。

4.2 工业性试验

虎龙沟煤业5 层东盘区51511 高抽巷采用EBZ220H 式掘进机进行施工作业，为实现掘进机的自动化截割技术，该煤矿采用掘进机可视化远程控制系统对EBZ220H 式掘进机进行了安装、改造和调试，并投入到实践应用当中。从实践应用结果可知：掘进机可视化远程控制系统应用后，能够实现对掘进机的远程控制要求，通过精确测量、实时监控、远程操作和自动截割等技术手段能够实现掘进机的自动化截割技术，有效地实现了51511 高抽巷掘进面的少人化施工作业；大幅度降低了工作人员的劳动强度，减少工作人员约30%；巷道断面控制准确度达99%以上；掘进机行走轨迹实现了可视化监视和调整，节约时间约35%；巷道掘进效率提高28%，为企业创造了较好的安全经济效益。

5 结论

（1）图像处理系统实现了图像采集、传输、对比度提升及图像降噪功能，机身定位及截割臂姿态定位系统实现了掘进机实时位置及姿态的监测，友好人机界面为可视化监测系统操作提供保障。

（2）模拟试验和工作性试验结果表明，在51511 高抽巷掘进机可视化远程控制系统通过精确测量、实时监控、远程操作和自动截割等技术手段能够实现EBZ220H 掘进机的自动化截割技术，从而为实现掘进工作面少人化奠定基础。