受汽車無人駕駛啟發(fā)的液壓支架智能協(xié)同控制

牛劍峰

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司， 北京 100013)

0 引言

液壓支架是綜采工作面的重要設(shè)備，主要用于支撐工作面采場，為工作面設(shè)備和人員提供安全的作業(yè)空間[1]。液壓支架與刮板輸送機互為支點，通過液壓支架的推移動作實現(xiàn)工作面設(shè)備和采場的遷移[2]。然而工作面液壓支架數(shù)量多、協(xié)調(diào)難度大，且液壓支架在運動過程中自由度較大，液壓支架自動控制普遍存在以下問題：① 大流量電液閥提高了液壓支架動作速度，但同時也降低了液壓支架動作控制精度。② 傾角傳感器在使用過程中存在零點漂移的問題，難以精確控制液壓支架姿態(tài)。③ 每臺液壓支架都是獨立控制，支架之間缺乏協(xié)同關(guān)聯(lián)，經(jīng)常會出現(xiàn)液壓支架的下滑、咬架等問題[3]。④ 由于液壓支架行程傳感器誤差和液壓支架與刮板輸送機連接銷耳間隙竄動量的累積，使得工作面液壓支架推移不齊[4]，在工作面連續(xù)采煤多個循環(huán)后，必須對工作面液壓支架直線度進行人工調(diào)整后才能繼續(xù)生產(chǎn)，不能滿足綜采工作面自動化生產(chǎn)需求。

無人駕駛是近年來全球關(guān)注的熱點，汽車無人駕駛系統(tǒng)就是利用傳感器檢測周圍環(huán)境和車輛自身狀態(tài)，包括導(dǎo)航定位信息、道路信息、其他車輛和行人等障礙物信息、車輛自身位姿及運動狀態(tài)信息，經(jīng)過一定的決策算法后，精確控制車輛的速度和轉(zhuǎn)向，駕駛過程是全自動的，無需人工干預(yù)。筆者受汽車無人駕駛技術(shù)的啟發(fā)，提出了液壓支架智能協(xié)同控制方法，可為解決綜采工作面液壓支架自動控制問題提供一個思路。

1 無人駕駛帶來的啟示

無人駕駛汽車依靠人工智能、視覺計算、雷達、監(jiān)控和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，集中運用了計算機、現(xiàn)代傳感、信息融合、通信、人工智能及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。行駛中的無人駕駛汽車可將其前方、左側(cè)和右側(cè)的汽車清晰地在顯示屏上顯示，通過雷達、視覺等測距技術(shù)，并結(jié)合汽車的控制驅(qū)動技術(shù)，與前方汽車保持固定的車距，按照規(guī)劃路徑行使，并能遵循交通規(guī)則不壓線行駛。在無人駕駛汽車行駛過程中，司機需要把手放在方向盤上，以確保該駕駛過程是通過人工授權(quán)的，同時司機可隨時進行干預(yù)控制[5]。

受無人駕駛汽車技術(shù)的啟發(fā)，將綜采工作面每臺液壓支架看作是一輛“汽車”，該“汽車”靠移架動作向前行駛，靠底調(diào)、側(cè)護板調(diào)整行駛方向，工作面液壓支架群組就像排成一排的“汽車”按照一定順序前行，并保持排列隊形。每臺液壓支架都有固定的目標行程，并受左右側(cè)支架的位置約束，能夠關(guān)注前方采煤機運行情況，兼顧?quán)徏艿臓顩r，從而實現(xiàn)液壓支架智能協(xié)同控制。

2 液壓支架智能協(xié)同控制

2.1 液壓支架精準推移控制

無人駕駛汽車使用雷達傳感器對前方車輛進行測距，并通過實時調(diào)控速度，與前方車輛始終保持安全距離。受此啟發(fā)，可通過在液壓支架上安裝雷達傳感器對刮板輸送機上的目標靶位進行測距，實現(xiàn)液壓支架推移行程檢測。根據(jù)雷達傳感器檢測的液壓支架推移行程，將液壓支架推移過程分為2個階段，并通過調(diào)節(jié)液壓支架的比例閥流量來控制液壓支架動作速度。第一階段為快速推移階段，在該階段比例閥處于大流量工作狀態(tài)，液壓支架可快速執(zhí)行推移動作；第二階段為精準推移階段，在該階段比例閥處于小流量工作狀態(tài)，可精確控制液壓支架動作。

為了精確控制液壓支架推移，要考慮液壓支架與刮板輸送機連接銷耳間隙竄動量引入的累計誤差。液壓支架的推移桿與刮板輸送機擋板側(cè)槽幫上推移耳板的耳孔(傾斜一定度數(shù)的“腰形孔”結(jié)構(gòu))通過十字頭相連，使用連接銷進行位置鎖定，如圖1所示。當液壓支架執(zhí)行推刮板輸送機動作時，液壓支架推移千斤頂伸出，帶動推移桿將刮板輸送機推向煤壁，此時連接銷移動到刮板輸送機推移耳板上的耳孔A點。當液壓支架執(zhí)行移架動作時，液壓支架的推移千斤頂收回，帶動推移桿將液壓支架拉向刮板輸送機側(cè)，此時連接銷移動到刮板輸送機推移耳板上的耳孔B點[6]。液壓支架推刮板輸送機和移架動作起始階段需要先要消除銷耳間隙，然后設(shè)備才能前移[7]。為避免銷耳間隙對液壓支架推移控制精度的影響，在液壓支架完成移架后，液壓支架推刮板輸送機動作，液壓支架推移千斤頂伸出，帶動推移桿向刮板輸送機方向移動，使得連接銷的位置移動到刮板輸送機推移耳板上的耳孔A點，但此時液壓支架和刮板輸送機均不會移動，液壓支架處于頂刮板輸送機狀態(tài)，同時將液壓支架推移行程歸零，即液壓支架再次動作時，將開始重新計算液壓支架推移行程，消除了推移行程累計誤差。

圖1 液壓支架與刮板輸送機連接件Fig.1 Connector of hydraulic support and scraper conveyor

2.2 液壓支架平行移架控制

無人駕駛汽車上安裝超聲波傳感器對左右兩側(cè)行駛的汽車進行測距，避免與側(cè)方車輛發(fā)生碰撞。受此啟發(fā)，可在液壓支架兩側(cè)安裝多個超聲波測距儀，檢測本架與鄰架的位置關(guān)系，并通過液壓支架的底調(diào)千斤頂、調(diào)斜千斤頂、側(cè)護板等部件，實時調(diào)整液壓支架位姿，使支架在移架過程中始終與鄰架保持平行狀態(tài)，避免出現(xiàn)咬架現(xiàn)象。

為避免液壓支架移架過程出現(xiàn)下滑現(xiàn)象，需要進行偽斜控制，在布置工作面設(shè)備時，應(yīng)根據(jù)工作面傾角，使推移千斤頂連接的推移桿與刮板輸送機保持垂直狀態(tài)，從而液壓支架移架時會產(chǎn)生一個向上的分力，能夠克服液壓支架重力，防止液壓支架下滑[8-9]。

2.3 液壓支架護幫板控制

無人駕駛汽車利用攝像儀，實時判定前方車輛的距離，自動調(diào)整車速，以保持與前方車輛的距離不變，始終處于安全距離的范圍。受此啟發(fā)，可在液壓支架面向煤壁的方向安裝攝像儀，通過圖像識別技術(shù)對液壓支架前方情況進行檢測。當檢測到前方煤壁有片幫隱患時，液壓支架應(yīng)及時伸出護幫板進行煤壁支護[10]，確保工作面安全生產(chǎn)；當檢測到前一級護幫板完全收回時，液壓支架才能收回下一級護幫板，避免多級護幫板之間動作干涉導(dǎo)致護幫板結(jié)構(gòu)件損壞；當檢測到液壓支架前方為采煤機前滾筒時，應(yīng)禁止液壓支架進行護幫板伸出動作，避免液壓支架與采煤機發(fā)生碰撞。

2.4 液壓支架自動跟機閉環(huán)控制

無人駕駛汽車通過導(dǎo)航系統(tǒng)規(guī)劃行駛路徑，利用多個攝像儀增強車輛與車輛間的交互，實現(xiàn)智能巡航和精確的車輛前、側(cè)、后碰撞預(yù)警和反應(yīng)，同時可辨識道路標線的位置，依據(jù)植入自動駕駛軟件中的交通規(guī)則，避免壓線行駛。受此啟發(fā)，可在液壓支架上安裝多個攝像儀，從水平、垂直方向觀察液壓支架跟機自動控制執(zhí)行情況[11-14]，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的液壓支架自動控制規(guī)劃，通過圖像識別檢測出未達標的液壓支架，并將該支架信息反饋至液壓支架電液控制系統(tǒng)進行相應(yīng)的控制調(diào)整，實現(xiàn)閉環(huán)控制。例如：液壓支架跟機移架過程，利用攝像儀觀察液壓支架跟機自動化動作情況，通過圖像識別檢測出跟機移架動作不到位或跟機丟失動作的液壓支架，液壓支架電液控制系統(tǒng)根據(jù)圖像識別檢測出的信息進行補架控制；液壓支架跟機推刮板輸送機過程，將攝像儀拍攝的液壓支架推刮板輸送機蛇形段圖像與推刮板輸送機標準蛇形段圖像進行比對，液壓支架電液控制系統(tǒng)根據(jù)圖像比對結(jié)果，對不達標的液壓支架進行推刮板輸送機動作調(diào)整。

3 結(jié)語

借鑒汽車無人駕駛技術(shù)，采用雷達、超聲波、攝像儀等傳感手段，從液壓支架精準推移控制、平行移架控制、護幫板控制、自動跟機閉環(huán)控制等方面探討了液壓支架智能協(xié)同控制，對綜采工作面液壓支架智能化技術(shù)研究將起到積極的促進作用。