復(fù)雜工況下采運(yùn)裝備虛擬運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究

李 祥，王學(xué)文，謝嘉成，喬春光，楊兆建

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復(fù)雜工況下采運(yùn)裝備虛擬運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究

李 祥1,2，王學(xué)文1,2，謝嘉成1,2，喬春光1,2，楊兆建1,2

(1. 太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2. 煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

當(dāng)前綜采工作面采運(yùn)裝備虛擬仿真技術(shù)都是建立在水平理想底板上，不能真實(shí)模擬采運(yùn)裝備在底板不平整的復(fù)雜工況條件下的運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)這一問(wèn)題，在虛擬現(xiàn)實(shí)引擎Unity3D中，對(duì)采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)在復(fù)雜工況下虛擬運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)建立采運(yùn)裝備的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，結(jié)合采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上的虛擬定位定姿方法，重點(diǎn)對(duì)刮板輸送機(jī)的虛擬彎曲、采煤機(jī)支撐滑靴銷軸的坐標(biāo)解析與采煤機(jī)虛擬運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。開(kāi)發(fā)原型系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，虛擬刮板輸送機(jī)的形態(tài)與實(shí)際布置形態(tài)的誤差小于15 mm，采煤機(jī)機(jī)身傾角誤差小于2°，滿足實(shí)際工作要求的精度。該系統(tǒng)可以真實(shí)再現(xiàn)復(fù)雜工況下采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)配套關(guān)系與運(yùn)行狀態(tài)，為綜采工作面遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立奠定基礎(chǔ)。

虛擬現(xiàn)實(shí)；采運(yùn)裝備；虛擬仿真；Unity3D技術(shù)

在“中國(guó)制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)下，煤炭開(kāi)采不斷向智能化和無(wú)人化的方向發(fā)展。綜采工作面“三機(jī)”(采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架)是煤炭開(kāi)采的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著采煤、運(yùn)煤和支護(hù)任務(wù)[1]。其中，刮板輸送機(jī)在完成運(yùn)煤的同時(shí)，兼做采煤機(jī)的運(yùn)行軌道；采煤機(jī)在完成采煤、裝煤的同時(shí)，后滾筒的截割曲線又決定著刮板輸送機(jī)下一次的排布狀態(tài)。在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，由于煤層結(jié)構(gòu)、開(kāi)采規(guī)劃等因素，使得煤層底部呈現(xiàn)凹凸不平、起伏變化。刮板輸送機(jī)會(huì)自適應(yīng)的貼合煤層底部，使得采煤機(jī)的運(yùn)行軌道起伏不平，其運(yùn)行姿態(tài)也會(huì)實(shí)時(shí)改變。要想實(shí)現(xiàn)無(wú)人化開(kāi)采，對(duì)采運(yùn)裝備工作姿態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與可視化非常重要，一套能真實(shí)再現(xiàn)其運(yùn)行姿態(tài)的仿真系統(tǒng)也亟待開(kāi)發(fā)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)因具有直觀性、沉浸性以及交互性等特點(diǎn)，使其在機(jī)械裝備虛擬拆裝[2-3]與人機(jī)實(shí)時(shí)多模態(tài)交互[4]領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用方向主要分為培訓(xùn)、數(shù)據(jù)可視化和煤礦綜合3類[5]。文獻(xiàn)[6-7]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于生產(chǎn)和安全培訓(xùn)演練，提升了礦工的操作技能和安全意識(shí)水平。AKKOYUN和CAREDDU[8]基于完整的仿真數(shù)據(jù)，建立了交互式的采礦工程可視化環(huán)境，展示了露天菱鎂礦。綜采裝備仿真領(lǐng)域的研究主要包括：裝備單機(jī)、三機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真[9-10]和綜采工作面設(shè)備全景漫游系統(tǒng)仿真[11]，其中謝嘉成等[12]在水平底板下研究了采煤機(jī)沿刮板輸送機(jī)的運(yùn)行及采煤機(jī)與液壓支架的相互感知，實(shí)現(xiàn)了三機(jī)之間協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦裝備領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些應(yīng)用價(jià)值，但是當(dāng)前大部分研究是在水平理想底板環(huán)境下進(jìn)行的，不能真實(shí)反應(yīng)綜采裝備的實(shí)際工況，更無(wú)法真實(shí)再現(xiàn)采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。本文在詳細(xì)分析采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)真實(shí)運(yùn)動(dòng)關(guān)系后，設(shè)計(jì)了復(fù)雜工況下采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)虛擬運(yùn)行仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工作面底板不平整條件下的采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真，更加準(zhǔn)確真實(shí)的模擬采運(yùn)裝備的運(yùn)行姿態(tài)。

1 整體思路

依據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有三機(jī)裝備，在虛擬現(xiàn)實(shí)引擎Unity3D下完成場(chǎng)景搭建，利用現(xiàn)有中部槽傾角數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)在豎直平面內(nèi)彎曲，通過(guò)分析采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)配套關(guān)系完成滑靴坐標(biāo)解析，并以解析結(jié)果驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)沿著刮板輸送機(jī)虛擬運(yùn)行。如圖1所示。最后，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的等比例縮小的三機(jī)模型搭建采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試該系統(tǒng)中采運(yùn)裝備運(yùn)行姿態(tài)的仿真精度。

該仿真系統(tǒng)需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：

(1) 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下原型機(jī)的定位定姿方法及虛擬場(chǎng)景的建立；

(2) 刮板輸送機(jī)在底板不平情況下實(shí)現(xiàn)豎直平面內(nèi)的彎曲；

(3) 采煤機(jī)沿著底板不平的刮板輸送機(jī)虛擬運(yùn)行，以及滑靴與鏟煤板的自適應(yīng)貼合。

圖1 總體方法思路圖

2 虛擬場(chǎng)景的定位定姿方法

2.1 采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上的定位定姿方法

SGZ764/630型刮板輸送機(jī)，各溜槽之間采用啞鈴銷或者套環(huán)連接，可以實(shí)現(xiàn)豎直平面內(nèi)的彎曲。采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，左右支撐滑靴與中部槽的鏟煤板接觸，左右行走輪與中部槽的銷排進(jìn)行嚙合，其中左右支撐滑靴的位置決定了采煤機(jī)機(jī)身在豎直平面內(nèi)的位姿。圖2為坐標(biāo)系對(duì)其進(jìn)行定位定姿描述。

圖2 采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)定位定姿關(guān)系

支撐滑靴與刮板輸送機(jī)鏟煤板的接觸狀態(tài)有全接觸、半接觸和懸空接觸，如圖3所示。在計(jì)算不同接觸方式下采煤機(jī)定位關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)時(shí)，需要靈活選取接觸點(diǎn)，如選取滑靴底部端點(diǎn)(、)或中點(diǎn)()為接觸點(diǎn)。

圖3 滑靴與中部鏟煤板的接觸狀態(tài)

其中，全接觸與半接觸狀態(tài)下的關(guān)鍵點(diǎn)的縱坐標(biāo)求解較容易，現(xiàn)以最復(fù)雜的懸空接觸為例進(jìn)行分析，取點(diǎn)為接觸點(diǎn)，依據(jù)接觸狀態(tài)求解關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，如圖4所示。

根據(jù)圖中關(guān)系，求得滑靴與中部槽的夾角1的關(guān)系式為

圖4 懸空接觸分析圖

其中，1，x，x為未知量，其余為已知量。

依據(jù)1，得到接觸點(diǎn)(x,y)的坐標(biāo)，反推得到懸空接觸狀態(tài)下點(diǎn)坐標(biāo)式為

2.2 虛擬模型的建立

模型的建立是虛擬仿真的基礎(chǔ)。用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的原型機(jī)在UG中進(jìn)行建模、簡(jiǎn)化與修補(bǔ)，導(dǎo)入3D Max中進(jìn)行單位設(shè)置與坐標(biāo)軸調(diào)整，最后導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中進(jìn)行場(chǎng)景布置。

虛擬聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的前提是在Unity3D中建立各零部件之間的父子關(guān)系。刮板輸送機(jī)以機(jī)尾為初始建立每節(jié)中部槽與啞鈴銷之間的父子關(guān)系。通常，采煤機(jī)以機(jī)身為父體建立父子關(guān)系，但是難以滿足復(fù)雜工況下的運(yùn)動(dòng)要求，本文以采煤機(jī)左支撐滑靴銷軸為父體，通過(guò)左滑靴銷軸帶動(dòng)整個(gè)模型運(yùn)動(dòng)，其父子關(guān)系如圖5所示。

圖5 采煤機(jī)父子關(guān)系圖

3 刮板輸送機(jī)虛擬彎曲技術(shù)

3.1 刮板輸送機(jī)虛擬形狀的建立

建立刮板輸送機(jī)控制腳本Gbj.cs并賦給機(jī)尾，在C#環(huán)境下定義中部槽及其銷軸變量，并通過(guò)GetChild()方法使變量與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的物體相對(duì)應(yīng)。

在凹凸不平的地面上，機(jī)尾及各個(gè)中部槽之間均有一定的橫向傾角，取每節(jié)中部槽與水平面的夾角為變量，將中部槽的夾角變量認(rèn)為是由多個(gè)夾角組成的一維數(shù)組。運(yùn)用四元數(shù)(Quaternion)方法表示旋轉(zhuǎn)，確定每節(jié)中部槽的位置。

3.2 刮板輸送機(jī)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

刮板輸送機(jī)每節(jié)中部槽與水平面的夾角[]用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的測(cè)量數(shù)據(jù)。建立Connect.cs腳本訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)庫(kù)中各節(jié)中部槽傾角讀取并傳輸?shù)経nity環(huán)境中，通過(guò)GameObject.Find(“腳本所在的物體名”).GetComponent<腳本名>.()函數(shù)名().實(shí)現(xiàn)Gbj.cs腳本與Connect.cs腳本的數(shù)據(jù)交互，將讀取的傾角值賦給中部槽與水平面夾角變量[]，以此驅(qū)動(dòng)中部槽旋轉(zhuǎn)，得到刮板輸送機(jī)的形狀。

4 采煤機(jī)虛擬運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)

4.1 采煤機(jī)滑靴銷軸關(guān)鍵點(diǎn)解析

采煤機(jī)滑靴銷軸所在的關(guān)鍵點(diǎn)1、2的坐標(biāo)決定采煤機(jī)機(jī)身的位姿，通過(guò)刮板輸送機(jī)函數(shù)和滑靴與中部槽鏟煤板的接觸狀態(tài)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)解析。左滑靴的關(guān)鍵點(diǎn)直接求解，右滑靴關(guān)鍵點(diǎn)直接求解難度較大，通過(guò)窮舉法間接求解，當(dāng)右滑靴的求解結(jié)果在一定誤差范圍內(nèi)時(shí)認(rèn)為求解正確。依次對(duì)刮板輸送機(jī)上各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行求解，當(dāng)采煤機(jī)到達(dá)端部時(shí)求解結(jié)束。求解方法流程圖如圖6所示。

其中，每節(jié)中部槽長(zhǎng)度為L；傾角為；左滑靴初始位置為1；右滑靴位置為2；左右滑靴預(yù)設(shè)的初始距離為Δ；左右滑靴求解距離為L1o2；機(jī)身與刮板輸送機(jī)的距離為；刮板輸送機(jī)長(zhǎng)度為L。

在Gbj.cs腳本中編寫(xiě)關(guān)鍵點(diǎn)的求解函數(shù)。求解的主程序在FixedUpdate()函數(shù)中編寫(xiě)，實(shí)時(shí)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行解算。圖6中，支撐滑靴銷軸橫坐標(biāo)由采煤機(jī)關(guān)鍵點(diǎn)初始位置與刮板輸送機(jī)函數(shù)得到，縱坐標(biāo)的求解過(guò)程較為復(fù)雜，具體求解步驟如下：

圖6 求解方法流程圖

步驟1.編寫(xiě)刮板輸送機(jī)形狀函數(shù)Ygbjhanshu()，確定其上任意點(diǎn)坐標(biāo)。

步驟2.在滑靴水平狀態(tài)下，求出滑靴底部端點(diǎn)(、)及中點(diǎn)()的坐標(biāo)。

步驟3.編寫(xiě)區(qū)間序號(hào)判別函數(shù)XuHaoShiBie()，分別判定，，等3點(diǎn)所屬的中部槽區(qū)間，并將中部槽序號(hào)賦上(Na、Nb、Nc)。

步驟4. 由中部槽的序號(hào)及相應(yīng)中部槽的傾角[]進(jìn)行接觸狀態(tài)判定，并輸出相應(yīng)的模式。判定規(guī)則見(jiàn)表1。

表1 接觸狀態(tài)判定規(guī)則

步驟5. 判定模式。當(dāng)模式為全接觸或半接觸時(shí)，執(zhí)行步驟6；當(dāng)模式為懸空接觸時(shí)，執(zhí)行步驟7。

步驟6.計(jì)算點(diǎn)橫坐標(biāo)，代入刮板輸送機(jī)函數(shù)得到縱坐標(biāo)，反推得到滑靴關(guān)鍵點(diǎn)點(diǎn)縱坐標(biāo)。

步驟7.計(jì)算點(diǎn)橫坐標(biāo)，代入刮板輸送機(jī)函數(shù)得到縱坐標(biāo)，反推得到滑靴關(guān)鍵點(diǎn)點(diǎn)縱坐標(biāo)。

4.2 采煤機(jī)沿虛擬路徑運(yùn)行

在刮板輸送機(jī)形成的彎曲路徑上，采煤機(jī)在不同的位置存在不同的位姿。建立采煤機(jī)驅(qū)動(dòng)腳本CmjControl.cs，并附于采煤機(jī)上。通過(guò)實(shí)時(shí)獲取采煤機(jī)關(guān)鍵點(diǎn)解算腳本Gbj.cs中的解算結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)控采煤機(jī)機(jī)身的位姿。從而實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下采煤機(jī)沿著刮板輸送機(jī)運(yùn)行。采煤機(jī)虛擬運(yùn)行流程如圖7所示。

圖7 采煤機(jī)虛擬運(yùn)行流程圖

初始零點(diǎn)調(diào)整。根據(jù)Gbj.cs腳本中參數(shù)解算模塊所給出的采煤機(jī)初始位置1，通過(guò)換算在Unity3D環(huán)境中進(jìn)行世界坐標(biāo)調(diào)整，并將其坐標(biāo)值作為初始向量賦給采煤機(jī)。也可逆向調(diào)整，即在虛擬環(huán)境中將模型擺放合適的位置，獲得其坐標(biāo)，通過(guò)換算得到初始值1，進(jìn)行參數(shù)解算。

模型驅(qū)動(dòng)。通過(guò)含1實(shí)時(shí)坐標(biāo)的參數(shù)向量驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)的行走，通過(guò)含機(jī)身傾角參數(shù)的四元數(shù)法驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)的實(shí)時(shí)俯仰。而左右2個(gè)滑靴與鏟煤板進(jìn)行自適應(yīng)接觸，也需要在原來(lái)的基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)一定的角度。

5 系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

5.1 系統(tǒng)測(cè)試

基于以上技術(shù)進(jìn)行虛擬仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。利用Unity3D軟件自帶的UI進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和交互操控面板。發(fā)布程序并進(jìn)行測(cè)試。

打開(kāi)應(yīng)用程序，進(jìn)入虛擬仿真控制面板。單擊“確定”按鈕，刮板輸送機(jī)在豎直平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)彎曲，各節(jié)中部槽彎曲的角度也顯示在中部槽傾角顯示框中。單擊“啟動(dòng)”按鈕，采煤機(jī)調(diào)整搖臂并沿著刮板輸送機(jī)向右牽引，當(dāng)?shù)竭_(dá)刮板輸送機(jī)端部時(shí)，采煤機(jī)停止運(yùn)行等待下一次指令。牽引過(guò)程中，可以清晰的看到滑靴與鏟煤板自適應(yīng)的貼合在一起，并未出現(xiàn)模型干涉或間隔距離較大的情況，如圖8所示。同時(shí)，可以結(jié)合實(shí)際工況手動(dòng)調(diào)整采煤機(jī)速度、前后滾筒的截割高度。整個(gè)牽引過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)查看采煤機(jī)的各項(xiàng)姿態(tài)參數(shù)。圖9展示了采煤機(jī)在下坡段與上坡段的運(yùn)行狀態(tài)，狀態(tài)參數(shù)欄中顯示的采煤機(jī)在虛擬環(huán)境中的位置、機(jī)身的傾角、搖臂轉(zhuǎn)角以及支撐滑靴與鏟煤板的接觸狀態(tài)與虛擬場(chǎng)景中模型的位姿完全對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了模型運(yùn)行參數(shù)的可視化。

圖8 滑靴與鏟煤板接觸狀態(tài)

圖9 采煤機(jī)在各個(gè)階段的運(yùn)行狀態(tài)

5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該系統(tǒng)與真實(shí)工況的仿真程度，將虛擬采運(yùn)裝備與真實(shí)采運(yùn)裝備進(jìn)行姿態(tài)對(duì)比。①虛擬刮板輸送機(jī)的形態(tài)與實(shí)際布置形態(tài)的對(duì)比，在豎直面內(nèi)建立坐標(biāo)系，獲得虛擬刮板輸送機(jī)與真實(shí)刮板輸送機(jī)的排布軌跡，當(dāng)坐標(biāo)為某一值時(shí)，二者在方向的誤差可以反應(yīng)虛擬刮板輸送機(jī)形態(tài)的仿真程度；②虛擬采煤機(jī)與真實(shí)采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)機(jī)身在刮板輸送機(jī)各點(diǎn)的姿態(tài)對(duì)比，當(dāng)采煤機(jī)沿著刮板輸送機(jī)運(yùn)行到某一位置時(shí)，二者在此處的機(jī)身傾角誤差即可反應(yīng)虛擬采煤機(jī)機(jī)身姿態(tài)的仿真程度。因此，實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注刮板輸送機(jī)各點(diǎn)方向的數(shù)值與采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)身傾角。

利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的等比例縮小的綜采“三機(jī)”模型搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖10)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：MTi-300捷聯(lián)慣性系統(tǒng)、3D打印采煤機(jī)模型、可彎曲刮板輸送機(jī)模型以及定位主機(jī)，如圖10(b)所示。刮板輸送機(jī)模型的相鄰中部槽在豎直面可以彎曲1°~3°，可以模擬出各種不同的彎曲形狀。

圖10 采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

刮板輸送機(jī)形態(tài)測(cè)量。在每節(jié)中部槽上標(biāo)記4個(gè)點(diǎn)，依次將MTi-300捷聯(lián)慣性裝置放在每一段中部槽的邊界點(diǎn)和標(biāo)記點(diǎn)，進(jìn)行中部槽俯仰角的測(cè)量和記錄，如圖10(c)所示。通過(guò)計(jì)算得到刮板輸送機(jī)豎直平面的布置形態(tài)。采煤機(jī)傾角測(cè)量。在采煤機(jī)左滑靴上方安裝MTi-300捷聯(lián)慣性裝置，如圖10(d)所示。開(kāi)啟采煤機(jī)運(yùn)行使其沿著擺好的刮板輸送機(jī)模型運(yùn)行，實(shí)時(shí)記錄采煤機(jī)機(jī)身俯仰角。

運(yùn)行虛擬仿真系統(tǒng)。將測(cè)量的數(shù)據(jù)輸入虛擬仿真系統(tǒng)中，得到虛擬環(huán)境下與實(shí)際擺放類似的刮板輸送機(jī)形狀，記錄每節(jié)中部槽標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)。同時(shí)啟動(dòng)采煤機(jī)，實(shí)時(shí)記錄虛擬運(yùn)行過(guò)程中采煤機(jī)機(jī)身俯仰角。最后，將記錄的標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)與機(jī)身俯仰角數(shù)據(jù)導(dǎo)出為XML文件。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成刮板輸送機(jī)形態(tài)曲線與采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)機(jī)身在刮板輸送機(jī)各點(diǎn)的傾角曲線。圖11展示了刮板輸送機(jī)在實(shí)際與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下形態(tài)軌跡，總體而言，二者的形態(tài)軌跡基本保持一致，但也存在微量偏差。選取曲線中誤差較大的標(biāo)記點(diǎn)A-H，當(dāng)二者的值一致時(shí)，列出虛擬仿真刮板輸送機(jī)與實(shí)際模型在標(biāo)記點(diǎn)處方向的數(shù)值和二者之間的誤差見(jiàn)表2。表2表明方向的最大誤差為12.48 mm，滿足誤差要求，仿真效果較好，中后部分誤差較大是因?yàn)槟Ｐ徒⑴c虛擬場(chǎng)景布置存在誤差，導(dǎo)致了誤差累積，通過(guò)精確建模與虛擬場(chǎng)景布置可以改善或解決此問(wèn)題。圖12展示了虛擬仿真采煤機(jī)與實(shí)際模型沿刮板輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中機(jī)身在不同位置的傾角變化，由圖可知，二者傾角變化的總體趨勢(shì)一致，但在刮板輸送機(jī)坡度變化明顯處傾角誤差較大。選取誤差較大的標(biāo)記點(diǎn)，列出虛擬采煤機(jī)與實(shí)際模型的傾角數(shù)值與二者之間的誤差見(jiàn)表3。表3表明虛擬采煤機(jī)的機(jī)身傾角與實(shí)際模型傾角最大誤差為1.86°，滿足誤差要求，可以較真實(shí)的反應(yīng)機(jī)身姿態(tài)。出現(xiàn)誤差的原因是虛擬刮板輸送機(jī)的形態(tài)軌跡誤差以及實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量誤差。

圖11 刮板輸送機(jī)布置形態(tài)對(duì)比

表2 刮板輸送機(jī)排布軌跡標(biāo)記點(diǎn)誤差(mm)

圖12 采煤機(jī)機(jī)身傾角對(duì)比

表3 采煤機(jī)傾角標(biāo)記點(diǎn)誤差(°)

綜上，基于Unity3D開(kāi)發(fā)的采運(yùn)裝備虛擬運(yùn)行仿真系統(tǒng)，虛擬刮板輸送機(jī)的形態(tài)與實(shí)際布置形態(tài)的測(cè)量誤差小于15 mm，虛擬采煤機(jī)與實(shí)際模型的機(jī)身傾角誤差小于2°，滿足實(shí)際工作要求的精度，可以真實(shí)再現(xiàn)豎直平面內(nèi)采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的真實(shí)運(yùn)行姿態(tài)。

6 結(jié)論與展望

本文從虛擬現(xiàn)實(shí)仿真角度，深度剖析了采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的關(guān)系，對(duì)其在豎直平面內(nèi)的虛擬運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

(1) 實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜工況下綜采工作面采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)動(dòng)態(tài)配套關(guān)系、位置與姿態(tài)等運(yùn)行狀況可視化，并可以準(zhǔn)確表達(dá)采運(yùn)裝備的運(yùn)行姿態(tài)。

(2) 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒記憶截割控制、綜采工作面三機(jī)運(yùn)行的精確規(guī)劃與可視化監(jiān)測(cè)提供數(shù)字化基礎(chǔ)。為綜采工作面三機(jī)自動(dòng)化、智能化和無(wú)人化提供有效的理論依據(jù)。

下一步將結(jié)合刮板輸送機(jī)在水平面的彎曲理論，實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境下采運(yùn)裝備的虛擬運(yùn)行，真正再現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)中采運(yùn)裝備的運(yùn)行。

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Research on Key Technologies of Virtual Operation of Mining Equipment Under Complex Conditions

LI Xiang1,2, WANG Xue-wen1,2, XIE Jia-cheng1,2, QIAO Chun-guang1,2YANG Zhao-jian1,2

(1. College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024, China; 2. Shanxi Key Laboratory of Fully Mechanized Coal Mining Equipment, Taiyuan Shanxi 030024, China)

The virtual simulation technology of mining and transporting equipment in the fully mechanized mining face is based on an ideal horizontal floor, which could not realistically simulate the operating status of the mining equipment in the complex working conditions of the floor unevenness. In an attempt to solve this problem in the virtual reality engine Unity3D, the present study focuses on the key technologies of virtual operation of shearer and scraper conveyor under complex conditions.By establishing the virtual reality scene of the mining equipment and combining with the virtual positioning method of the shearer on the scraper conveyor, we put particular emphasis on the key technologies of the virtual bending of the scraper conveyor, the coordinate analysis of the pin shaft of the shearer’s supporting slipper and the virtual operation of the shearer.The prototype system was developed and experimentally verified. The experimental results show that the error of the shape and actual arrangement of the virtual scraper conveyor is less than 15 mm, and the inclination error of the shearer body is less than 2°, which meets the accuracy of the actual work requirements.The system could truly reproduce the dynamic matching relationship and operating state of shearer and scraper conveyor under complex conditions, and lay a foundation for the establishment of remote monitoring system of fully mechanized mining face.

virtual reality; mining equipment; virtual simulation; Unity3D technology

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2019020403

A

2095-302X(2019)02-0403-07

2018-07-30；

2018-09-14

山西省留學(xué)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)重點(diǎn)項(xiàng)目(2016年度)；山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目(2016-043)；“十二五”山西省科技重大專項(xiàng)(20111101040)；山西省研究生教育創(chuàng)新項(xiàng)目(2018SY019)

李 祥(1992-)，男，山西大同人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)計(jì)及方法研究。E-mail：304828852@qq.com

王學(xué)文(1979-)，男，山西長(zhǎng)治人，教授，博士，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、機(jī)械CAD/CAE、計(jì)算固體力學(xué)和摩擦學(xué)等。E-mail：wxuew@163.com