數(shù)字孿生驅(qū)動掘進機遠程自動截割控制技術(shù)

張超, 張旭輝,2, 張楷鑫, 謝楠, 周創(chuàng)

(1.西安科技大學 機械工程學院， 陜西 西安 710054；2.陜西省礦山機電裝備智能監(jiān)測重點實驗室， 陜西 西安 710054)

0 引言

我國的煤炭儲量和產(chǎn)量均居世界前列，煤炭作為重要的戰(zhàn)略資源，有著不可替代的作用。在“采掘并重，掘進先行”的理念下，煤礦智能化建設(shè)要實現(xiàn)綜采工作面和綜掘工作面的智能化[1]。當前綜采工作面智能化初見成效，但綜掘工作面智能化建設(shè)嚴重滯后，導致采掘失衡問題突出，制約著煤礦安全、高效生產(chǎn)。

掘進機智能化是實現(xiàn)綜掘工作面智能化的核心，煤礦巷道斷面自動成形截割是其關(guān)鍵技術(shù)之一。目前許多學者在掘進機運動學建模、軌跡規(guī)劃、自動截割控制、遠程控制等方面取得了一些研究成果。李軍利[2]對懸臂式掘進機的運動學、動力學和電液控制系統(tǒng)進行了研究。王蘇彧等[3-4]研究了懸臂式掘進機軌跡規(guī)劃方法與自主截割技術(shù)，并開發(fā)了掘進機遠程控制與監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了掘進過程定向、定位和定形的自動化遠程控制。高峰等[5]研究了掘進機截割臂擺速的自動控制。穆晶等[6]對截割斷面的極限位置進行了分析。王光肇[7]設(shè)計了基于無線傳輸?shù)木蜻M機遠程控制及監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了掘進機動作遠程控制與運行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測。目前掘進機遠程截割控制方法大多基于視頻監(jiān)控與平面信息，主要依靠人工控制，巷道斷面成形質(zhì)量取決于操作經(jīng)驗，可靠性較低。

基于數(shù)字孿生的遠程控制技術(shù)利用虛擬可視化等手段，根據(jù)設(shè)備運行數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建虛擬模型，在虛擬場景中再現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)，進而實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、直觀的遠程監(jiān)控，目前在煤礦設(shè)備遠程控制領(lǐng)域已得到一定研究。吳海雁等[8]采用Quest3D技術(shù)搭建了采煤機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，有效解決了監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)與虛擬數(shù)據(jù)接口問題。張旭輝等[9]采用Unity3D技術(shù)構(gòu)建了掘進機虛擬遠程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了人機交互下的掘進機遠程控制。

本文基于先期研究成果，研究了數(shù)字孿生驅(qū)動掘進機遠程自動截割控制技術(shù)：通過獲取掘進機感知數(shù)據(jù)并構(gòu)建掘進機虛擬模型，采用數(shù)字孿生數(shù)據(jù)傳輸方法，實現(xiàn)在遠程控制端控制掘進機自動按規(guī)劃路徑截割，為井下巷道掘進監(jiān)測與控制提供了新思路。

1 數(shù)字孿生驅(qū)動掘進機遠程自動截割控制總體方案

以懸臂式掘進機為研究對象，在前期機身位姿檢測研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建了數(shù)字孿生驅(qū)動掘進機遠程自動截割控制方案，包括數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)驅(qū)動、數(shù)據(jù)傳輸、遠程自動截割控制等過程,如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生驅(qū)動掘進機遠程自動截割控制總體方案Fig.1 Total scheme of digital twin driven remote automatic cutting control of roadheader

數(shù)字孿生驅(qū)動掘進機遠程自動截割控制中的感知數(shù)據(jù)主要為掘進機狀態(tài)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，二者構(gòu)成數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)據(jù)來源。采用由平行激光指向儀、后置相機組成的機身位姿測量系統(tǒng)，由紅外LED標靶、前置相機組成的截割頭位姿測量系統(tǒng)，超聲波傳感器等實時獲取掘進機狀態(tài)數(shù)據(jù)；采用氣體傳感器、粉塵傳感器等在線獲取環(huán)境數(shù)據(jù)。

利用感知數(shù)據(jù)在本地防爆計算機上搭建可視化輔助截割系統(tǒng)[9],實現(xiàn)掘進過程的實時在線監(jiān)測。同時通過防爆計算機將感知數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程控制端，根據(jù)數(shù)字孿生驅(qū)動模型實現(xiàn)虛擬裝備同步動作。遠程控制端可實現(xiàn)虛擬遠程控制和視頻監(jiān)控功能。虛擬遠程控制可設(shè)置手動和自動2種操作模式。手動模式是通過人機交互方式實現(xiàn)遠程截割控制；自動模式是通過規(guī)劃截割頭運動軌跡，利用掘進機逆解求解各關(guān)節(jié)控制量[9]，將控制指令下發(fā)至PLC，驅(qū)動掘進機運行，并實時修正掘進機工作狀態(tài)。

2 掘進機數(shù)據(jù)感知

針對數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)據(jù)來源，采用常規(guī)檢測方法即可獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，因此重點介紹掘進機狀態(tài)數(shù)據(jù)特別是位姿數(shù)據(jù)感知方法。位姿數(shù)據(jù)感知主要通過掘進機機身定位和截割頭定位來實現(xiàn)，本文基于前期掘進機機身位姿與截割頭位姿視覺感知[10-12]研究成果，獲取掘進機位姿數(shù)據(jù)。

以懸臂式掘進機為例，其位姿數(shù)據(jù)感知方法如圖2所示。采用后置防爆相機采集激光指向儀的2個激光光斑，將2個激光光斑、光斑之間的直線、激光線簡化為兩點三線特征，經(jīng)過畸變校正、特征提取、位姿解算等，實現(xiàn)掘進機位置精確測量(實驗室測量誤差小于30 mm，井下測量誤差小于40 mm)。同時，以紅外LED構(gòu)建圖像測量標靶，利用加裝紅外濾鏡的前置防爆相機采集其圖像，經(jīng)過畸變校正、特征提取、姿態(tài)解算等步驟，實現(xiàn)截割頭姿態(tài)角測量。抬升角測量誤差小于0.8°，回轉(zhuǎn)角測量誤差小于0.5°。

圖2 掘進機位姿數(shù)據(jù)感知方法Fig.2 Position and attitude data sensing method of roadheader

3 數(shù)字孿生驅(qū)動掘進機

為實現(xiàn)在虛擬場景中實時再現(xiàn)真實場景變化狀態(tài)，除了獲取真實場景的孿生數(shù)據(jù)，還需要建立相應的數(shù)字孿生驅(qū)動模型，包括：① 建立掘進機虛擬模型和虛擬場景，并完成虛擬模型動作編程及虛擬模型與虛擬場景的耦合。② 建立掘進機運動學模型，求解其正逆解，利用孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬模型動作，在虛擬場景中還原掘進機運行狀態(tài)。

根據(jù)掘進機真實尺寸，采用SolidWorks，3D Max等軟件按比例建立掘進機三維模型，采用Unity3D軟件實現(xiàn)掘進機動作編程[13]，建立掘進機虛擬模型與虛擬場景。

建立如圖3所示的坐標系描述虛擬空間，實現(xiàn)掘進機虛擬模型與虛擬場景的耦合。OwXwYwZw為虛擬世界坐標系(W系)；OoXoYoZo為對象坐標系(O系)，用來描述虛擬模型坐標；OvXvYvZv為觀察坐標系(V系)，用于描述各視角坐標。

圖3 虛擬空間坐標系Fig.3 Virtual space coordinates

將虛擬模型坐標轉(zhuǎn)換到W系下才能實現(xiàn)掘進機運動狀態(tài)的虛擬匹配，這是實現(xiàn)同步控制的基礎(chǔ)。假設(shè)虛擬場景中任意一點在W系中的坐標為(x,y,z),在O系中的坐標為(x′,y′,z′),則有

[x′y′z′ 1]T=(-R)(-T)[xyz1]T

(1)

式中：R為旋轉(zhuǎn)矩陣；T為平移、縮放等復合矩陣。

根據(jù)式(1)可將掘進機虛擬模型融合于虛擬空間，形成虛擬掘進工作面場景，實現(xiàn)虛擬模型與虛擬場景的耦合，完成虛擬場景內(nèi)部虛擬模型的動作變換。

采用文獻[14]方法建立掘進機運動學模型，通過掘進機運動學正解實現(xiàn)掘進機感知數(shù)據(jù)驅(qū)動掘進機虛擬模型運動，通過運動學逆解實現(xiàn)虛擬模型控制實際掘進機動作。

4 遠程自動截割控制

掘進機自動截割控制的前提是根據(jù)巷道斷面類型、掘進工藝和截割頭外輪廓等參數(shù)規(guī)劃截割頭運動軌跡。以截割軌跡規(guī)劃為目標，視覺測量實際截割頭位姿為基礎(chǔ)坐標點，控制截割頭實時位置及行走軌跡。為得到掘進機各關(guān)節(jié)運動控制量，求解掘進機運動學逆解，同時配合由理論軌跡點及視覺測量點構(gòu)建的反饋控制系統(tǒng)，實現(xiàn)掘進機自動截割過程的動態(tài)控制。

4.1 截割路徑規(guī)劃

以矩形斷面為例，根據(jù)煤礦巷道設(shè)計要求的寬度和高度規(guī)劃“S”形截割軌跡，如圖4所示。

圖4 巷道矩形斷面“S”形截割軌跡規(guī)劃Fig.4 "S" shape cutting trajectory planning of rectangle roadway section

懸臂式掘進機的截割頭運動包括水平回轉(zhuǎn)運動和上下抬升運動，因此已知截割臂的長度、回轉(zhuǎn)角θ1和抬升角θ2即可計算出截割頭在截割斷面的位置。其中θ1和θ2通過視覺測量方法計算得到。如圖4所示，截割頭從A點移動至B點過程中做水平回轉(zhuǎn)運動，θ1隨之變化，從B點移動至C點過程中做上下抬升運動，θ2變化。

采用三次多項式方法進行軌跡規(guī)劃，具體實現(xiàn)原理如下。

(1) 設(shè)掘進機關(guān)節(jié)角為θ(t)，t為時間。已知掘進機在起點及終點位置的關(guān)節(jié)角為θ0，θf，從起點移動到終點的時間為tf，則

(2)

(2) 截割過程中，各關(guān)節(jié)起點及終點速度為0，即

(3)

(3) 建立三次多項式：

θ(t)=a0+a1t+a2t2+a3t3

(4)

式中a0—a3為系數(shù)。

將約束條件(式(2)、式(3))帶入式(4)，得

(5)

以掘進機移動路徑A—B—C為例，說明運動過程中各關(guān)節(jié)變量計算方法。設(shè)截割頭在A，B，C 3個點的斷面坐標分別為(XA,YA,ZA),(XB,YB,ZB),(XC,YC,ZC)，利用運動學逆解計算出掘進機在3個點的回轉(zhuǎn)角分別為θA1,θB1,θC1,抬升角分別為θA2,θB2,θC2。掘進機在A—B與B—C的運動時間分別為t1,t2。則對于回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其位置函數(shù)、角速度函數(shù)、角加速度函數(shù)分別如式(6)—式(8)所示。

(6)

(7)

(8)

對于抬升關(guān)節(jié)，其位置函數(shù)、角速度函數(shù)、角加速度函數(shù)分別如式(9)—式(11)所示。

(9)

(10)

(11)

4.2 自動截割控制器設(shè)計

巷道斷面自動截割控制器用于控制截割頭實際運動軌跡與規(guī)劃軌跡的誤差，實現(xiàn)軌跡跟蹤控制。根據(jù)懸臂式掘進機動力學模型[14]，有

(12)

(13)

式中:qd為掘進機位置測量值；λ1為微分系數(shù)矩陣；λ2為比例系數(shù)矩陣;e為位置偏差。

將式(13)帶入式(12)，得

(14)

因M(q)為非奇異矩陣，有

(15)

(16)

根據(jù)式(15)、式(16)可得

(17)

在掘進機實際工作中，外界干擾不可避免，且負載隨機變化。為了改善控制魯棒性，降低參數(shù)變化和外界干擾影響，在線性反饋控制基礎(chǔ)上設(shè)計線性積分滑?？刂破?。

積分滑模面為

(18)

式中Λ1,Λ2為正對角矩陣。

由此得反饋線性積分滑?？刂破?

(19)

式中：K=diag(μ1,μ2),μ1,μ2為滑模切換控制增益,μ1,μ2>0;Ksgn(s)用于補償因建模誤差與外界環(huán)境等引起的不確定擾動項。

(20)

5 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)傳輸

在數(shù)字孿生驅(qū)動掘進機遠程自動截割控制中，數(shù)據(jù)交互媒介主要是MySQL數(shù)據(jù)庫。其實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)集中管理，實時獲取傳感器當前狀態(tài)；通過對集中存放的數(shù)據(jù)群進行分析，實現(xiàn)不確定性事件的預測感知。

實際掘進機和虛擬模型之間數(shù)據(jù)傳輸過程如圖5所示。選擇手動模式時，通過人機交互方式(如手柄、按鈕等)下發(fā)控制指令到數(shù)據(jù)庫中，虛擬模型實時獲取控制指令，結(jié)合掘進機當前狀態(tài)實現(xiàn)虛實同動、動態(tài)修正。選擇自動模式時，虛擬遠程控制端根據(jù)巷道參數(shù)、掘進機本體參數(shù)等進行軌跡規(guī)劃，結(jié)合當前掘進機位姿數(shù)據(jù)，利用運動學逆解計算調(diào)節(jié)量，之后將指令下發(fā)至防爆計算機數(shù)據(jù)庫中，最后傳輸至PLC。PLC通過RS485通信方式控制掘進機運行，實現(xiàn)斷面成形截割控制。

圖5 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)傳輸過程Fig.5 Digital twin data transmission process

通信實時性是實現(xiàn)數(shù)字孿生驅(qū)動掘進機遠程自動截割控制的關(guān)鍵。井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及礦用5G技術(shù)的應用為此提供保障。

6 實驗驗證

6.1 實驗平臺搭建

數(shù)字孿生驅(qū)動掘進機遠程自動截割控制實驗平臺由掘進機樣機、本地數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)和虛擬操控平臺組成，如圖6所示。

(a) 掘進機樣機及本地數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

在掘進機樣機上搭建機身位姿測量系統(tǒng)、截割頭位姿測量系統(tǒng)、超聲波傳感器、防爆計算機等,組成可視化輔助截割系統(tǒng)，用于采集本地掘進機狀態(tài)數(shù)據(jù);采用FX3U-64M型PLC作為本地掘進機控制器，實現(xiàn)掘進機邏輯控制。虛擬操控平臺與本地數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信采用TCP/IP方式。

實驗平臺中儀器型號見表1。

表1 實驗儀器型號Table 1 Experiment instrument types

6.2 功能驗證

數(shù)字孿生驅(qū)動掘進機遠程自動截割控制通過遠程控制端實時自動控制掘進機運動，實現(xiàn)巷道斷面自動成形截割，以達到智能化截割、自動化減人目的。因此，本文主要對遠程控制下的截割成形跟蹤控制和虛實同動、動態(tài)修正功能進行驗證。

掘進機規(guī)劃截割軌跡與實際軌跡對比如圖7所示。不同時刻掘進機樣機與虛擬模型位姿對比如圖8所示。

圖7 掘進機規(guī)劃截割軌跡與實際軌跡對比Fig.7 Comparison between planned cutting trajectory and the actual one of roadheader

(a) 時刻1

從圖7、圖8可看出，掘進機實際截割軌跡與規(guī)劃軌跡基本一致，且同一時刻虛擬界面中掘進機截割頭位姿與實際位姿一致，表明數(shù)字孿生驅(qū)動掘進機遠程自動截割控制技術(shù)可真實再現(xiàn)掘進機實際位姿狀態(tài)。

7 結(jié)語

數(shù)字孿生驅(qū)動掘進機遠程自動截割控制技術(shù)采用視覺測量方法感知掘進機狀態(tài)信息，通過建立掘進機虛擬模型及求解掘進機運動學正逆解，實現(xiàn)數(shù)字孿生驅(qū)動掘進機自動截割，并在遠程控制端再現(xiàn)掘進機運動狀態(tài)，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。實驗結(jié)果表明，掘進機截割頭能穩(wěn)定跟隨規(guī)劃軌跡，且同一時刻虛擬界面顯示的掘進機截割頭位姿與實際位姿一致。