采煤機技術(shù)發(fā)展歷程(九)
——環(huán)境感知技術(shù)

葛世榮

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)智慧礦山與機器人研究院，北京市海淀區(qū)，100083)

采煤機在多變地質(zhì)環(huán)境中截割煤層，必須預(yù)先準確獲取其作業(yè)位置、周圍環(huán)境、煤層狀態(tài)等信息，才能達到“知己知彼”的智能精準運行狀態(tài)。對于智能采煤機，環(huán)境感知是十分重要的信息獲取能力，當采煤機具備環(huán)境信息檢測、分析和建模功能時，才能模擬采煤機司機對運行環(huán)境及態(tài)勢進行控制。對于處于機械化階段的采煤機，環(huán)境感知是保障采煤機安全運行的關(guān)鍵技術(shù)，避免發(fā)生碰撞、超速、超限等運行故障或生產(chǎn)事故。對于達到自動化階段的采煤機，環(huán)境感知是其自動運行的重要基礎(chǔ)，通過采煤作業(yè)狀態(tài)信息獲取和反饋使采煤機按照預(yù)定程序自動運行。進入智能化階段的采煤機,實質(zhì)上需要實現(xiàn)自動駕駛才能達到自主機器人的智能水平，因此環(huán)境感知是采煤機智能運行的根本基礎(chǔ)。

智能采煤機獲取環(huán)境信息主要通過機載傳感器對周邊環(huán)境信息進行采集和處理，主要包括采煤機行進空間、運行位姿、截割狀態(tài)、機器狀態(tài)感知。按照獲取方式，環(huán)境傳感器分為2類：一是被動環(huán)境傳感器，此類傳感器本身不發(fā)射信號而是通過接收外部信號來獲取環(huán)境信息，例如視覺傳感器、聽覺傳感器；二是主動環(huán)境傳感器，此類傳感器向外部環(huán)境發(fā)射信號進行環(huán)境感知，例如激光雷達、毫米波雷達和超聲波雷達、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。采煤機環(huán)境感知應(yīng)遵循的原則是近目標優(yōu)先、大尺度優(yōu)先、動目標優(yōu)先、差異性優(yōu)先，采用相關(guān)感知技術(shù)對環(huán)境信息進行選擇性認知。選擇性是人類感知環(huán)境的高智慧能力，包括了目標獲取、學(xué)習(xí)、識別的功能，由此支持智能采煤機優(yōu)化駕駛行為，確保自動駕駛精準性、安全性、有效性。有關(guān)介紹參見文獻[1][2]，本篇主要介紹采煤機行進空間和作業(yè)位姿感知技術(shù)。

1 空間環(huán)境感知

采煤作業(yè)環(huán)境感知是對采煤機的運行環(huán)境復(fù)雜度進行檢測和評判，主要感知要素包括煤層變化、前方障礙、安全風險、作業(yè)位置等。在人工操作采煤機的時候，要靠人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺感知去發(fā)現(xiàn)采煤環(huán)境變化及其影響程度，從而對采煤機進行控制。因此，要減少或者替代人工操作，就必須提高采煤機對環(huán)境感知能力。

1.1 煤層構(gòu)造感知

地下煤層構(gòu)造極不規(guī)則，為了應(yīng)對這種煤層異構(gòu)形態(tài)，采煤機必須具有煤層厚度監(jiān)測和仿形截割調(diào)控的能力，即煤巖界面識別和自動調(diào)高技術(shù)。目前，國內(nèi)外提出了20余種煤巖界面探測方法，歸納為3類方法：一是采前的煤層透視方法，預(yù)先探測頂部煤層厚度分布，為采煤機提供截割路徑導(dǎo)航地圖；二是采中的截割監(jiān)測方法，在采煤過程中實時感知截齒切削的介質(zhì)特征，在線控制采煤機的截割姿態(tài)；三是采后的機器視覺方法，在采煤機截割煤層之后跟隨探測煤壁或頂板的暴露表面物性分布，適當修正下一循環(huán)的截割導(dǎo)航地圖[1]。

1.2 空間障礙感知

采煤機在工作面運行中，必須實時監(jiān)測前方的液壓支架掩護梁、垮落煤巖體、闖入人員等障礙物并予以規(guī)避，因此智能采煤機須具有前方空間自主探測及避障能力。從目前已有技術(shù)看，采煤機和井下移動設(shè)備的運動空間避障和防撞保護可用紅外線、超聲波、微波和激光探測技術(shù)。智能化采煤機需要構(gòu)建一個多種傳感技術(shù)的融合感知系統(tǒng)，發(fā)揮各自傳感器所長，獲得準確、靈敏、全面的空間環(huán)境信息。借鑒無人駕駛汽車的空間障礙感知技術(shù)，首先是激光雷達探測的空間信息，其感知量占60%～75%，其次是視覺感知的圖像信息，再次是毫米波雷達探測的距離信息、慣性導(dǎo)航獲取的位姿信息，最后是超聲波、紅外線傳感器等光電傳感器獲取的信息[3]。

1.2.1紅外線測距避障

紅外線是波長介于微波與可見光之間的電磁波，其波長范圍為0.76～1 000.00 μm。紅外測距儀以調(diào)制的紅外光對目標物進行精密測距，在礦山測量中普遍應(yīng)用。1943年，瑞典學(xué)者貝爾格斯川試制出1臺利用高頻電壓調(diào)制白熾燈的測距儀樣機，稱為光速測距儀；1949年瑞典捷創(chuàng)力公司(AGA)制造出世界第1臺高頻電壓調(diào)制白熾燈的光電測距儀，如圖1所示，夜晚測距為30 km，白天測距為6 km，精度為3×10-6測距[4]；1963年，瑞士威特(Wild)公司開始研究砷化鎵發(fā)光管的光電測距儀，到1968年制造出全球第1臺DI-10型紅外測距儀，如圖2所示，測距為2 km，測距精度為±(5 mm+5×10-6測距)；1973年推出DI-3型紅外測距儀，該儀器已售出3000多臺，1981年推出測距為14 km 的DI-20型、1982年推出測距為5 km的DI-5型紅外測距儀[5]。

圖1 瑞典捷創(chuàng)力公司制造的第1臺光電測距儀

圖2 威特公司制造的全球第1臺紅外測距儀

在我國，1976年，北京光學(xué)儀器廠與北京大學(xué)聯(lián)合研制出我國首臺HGC-1型紅外測距儀，采用砷化鎵發(fā)光二極管作為光源，發(fā)出的紅外光具有較好的大氣透過能力，該儀器測距為2 km，測距精度±15 mm；1977年，北京大學(xué)物理系和常州第二電子儀器廠等單位研制出長征DCH-1型紅外測距儀，如圖3所示，測距為1 km，測距精度±10 mm[6]；1987年，北京光學(xué)儀器廠制造出DCJ32-1型紅外測距儀，測距3 km，測距精度±(5 mm+1×10-6測距)。

在紅外避障應(yīng)用方面，2001年，金湘亮等[7]提出了基于脈沖計數(shù)的汽車防撞紅外線測距系統(tǒng)，當行車間距小于30 m時，觸發(fā)預(yù)警電路，發(fā)出報警聲；當車間距小于20 m時，單片機啟動自動剎車減速以防止發(fā)生碰撞。2008年，李柯等[8]研發(fā)了內(nèi)河航船識別航道障礙物的紅外熱成像技術(shù)，在陰天小雨低溫環(huán)境下，可準確識別及預(yù)警1 500 m以內(nèi)的船舶。2009年，吳曉華等[9]研制了基于紅外傳感器的移動機器人感測系統(tǒng)，包括分立反射式紅外傳感測距系統(tǒng)、一體反射式紅外傳感器引導(dǎo)系統(tǒng)、熱釋電紅外跟蹤系統(tǒng)，具有靈敏的避障能力和人體跟蹤能力。2009年，朱華等[10]研究了煤礦環(huán)境探測救災(zāi)機器人紅外避障技術(shù)，在機器人周圍布置 6 個紅外開關(guān)和 6 個紅外測距傳感器，在徐州夾河礦進行了井下巷道行走性能試驗，結(jié)果表明組合紅外避障的避障效果得以顯著提高。2012年，牛洪科等[11]研究了采煤機紅外測距避障效果，測距100 m的誤差為1.8～3.0 m，測距20 m的誤差降至0.4～0.6 m，因此紅外線探測技術(shù)對近距離障礙的避障精準度更高。

圖3 國產(chǎn)長征DCH-1型紅外測距儀

1.2.2超聲波測距避障

超聲波為振動頻率大于 20 kHz 的機械波，其避障原理是發(fā)射器發(fā)射的超聲波遇前方障礙物后反射回波，接收器獲取回波來測定障礙物的距離。超聲波具有指向性強、對塵土和濕氣穿透性強的優(yōu)點，常用于倒車雷達、測距儀、物位測量儀、移動機器人等場景，對井下采煤機自主避障而言，超聲波測距避障技術(shù)是一種較為可靠的技術(shù)。

1793年，意大利科學(xué)家拉扎羅·斯帕拉捷(SPALLANZANI L)發(fā)現(xiàn)了蝙蝠用超聲波定向和跟蹤目標能力；1830年，法國科學(xué)家菲利克斯·薩伐爾(SAVART F)通過控制沙伐音輪轉(zhuǎn)速產(chǎn)生了人類第1個人工生成的24 kHz超聲波；1916年，法國物理學(xué)家保羅·朗之萬(LANGEVIN P)發(fā)明了探測水下潛艇位置的石英壓電晶體超聲波，這是人類第1次利用超聲波探測障礙物；1967年，英國皇家飛機研究院建成超聲波探測雷達模擬試驗平臺，研究深水雷達導(dǎo)彈引信探測空中飛機目標的性能，試驗使用1/20縮比的飛機模型，超聲波頻率為0.3～3.5 MHz，試驗數(shù)據(jù)采用惠普公司21MX計算機處理[12]；20世紀70年代末，托尼·海斯(HAYES T)博士在諾丁漢大學(xué)盲人移動研究所研發(fā)超聲波盲人引導(dǎo)設(shè)備，嘗試了超聲波技術(shù)用于倒車輔助，這是汽車雷達的雛形；1982年，英國空間時代電子公司制造出第1臺超聲波測距儀，分辨率為10 mm和1 mm時的最大測距分別為10 m和2 m；2012年，豐田公司開發(fā)出稱為“間距聲吶”的超聲波避障雷達，利用汽車四角的超聲波測距傳感器探測周圍間距，當間距小于0.5 m時，儀表盤上的閃燈和蜂鳴會警告駕駛者；2018年，日本電裝(Denso)公司研發(fā)出防止司機誤踩油門加速裝置，用超音波傳感器探測障礙，當車輛從泊車或停車狀態(tài)轉(zhuǎn)為前進狀態(tài)時，一旦檢測到附近有障礙物，會以蜂鳴報警提示司機，如果司機繼續(xù)誤踩油門試圖加速，該裝置就啟動以制止汽車加速，防止沖撞或減輕沖撞強度，倒車速度超過5 km/h時也會啟動并限速行駛。

在我國，1986年上海超聲波儀器廠研制出CD-1型超聲波側(cè)距儀，測距為0.5～9.9 m，精度為±10 mm，可用于距離跟蹤儀、位移控制器、行車防撞器、汽車倒車提示器；1989年，張曲光等研制出移動機器人定位的超聲波掃描測距系統(tǒng)；2003年，胡盛斌[13]設(shè)計了移動機器人超聲保障系統(tǒng)，室內(nèi)移動機器人有效避障范圍為0.2～5.0 m，精度為±40 mm；2011年，段丙濤等[14]設(shè)計了基于聲納環(huán)傳感器的機器人避障系統(tǒng)，在距離地面450 mm環(huán)形機架上以間隔15°均布安裝24個超聲傳感器，形成環(huán)形超聲波探測器，最小測距為0.15 m，測距誤差約1%；2012年，朱濤等設(shè)計了超聲波測距傳感器作為礦井提升機減速控制輔助技術(shù)，提高了提升機減速段穩(wěn)定性；2018年，馮冬生等設(shè)計了基于超聲波與激光雷達組合測距的井下無軌膠輪車實時避障系統(tǒng)。

1.2.3毫米波雷達探測避障

毫米波雷達是工作在波段1～10 mm、頻域30～300 GHz的電磁波雷達，具有可穿透灰塵、雨水而精準測距的優(yōu)點，成為汽車防撞保護的主導(dǎo)技術(shù)，目前的車載毫米波雷達主要是24 GHz、77 GHz兩種頻段。1939年，美國通用汽車公司在紐約世博會上展示了全球第1輛無人駕駛汽車；1953年，美國人喬治·拉希德(RASHID G)提出汽車防撞自動剎車雷達思路，并于1957年、1975年獲得美國專利，他設(shè)計的自動剎車雷達在前保險杠和后保險杠安裝微型雷達來探測前后障礙物，發(fā)動機蓋下的計算機確定障礙物間距并判斷是否會發(fā)生碰撞；1956年，南非人威德利(WADLEY T)研制成功世界上第1臺微波測距儀；1973年，德國特律芬根(AEG-Telefunken)公司和博世(Bosch)公司聯(lián)合研發(fā)毫米波汽車雷達防撞技術(shù)，1976年研發(fā)出實用化雷達，2個天線密封在聚苯乙烯天線罩內(nèi)，安裝在車前方的散熱器護柵上，如圖4所示。自20世紀80 年代后期，毫米波雷達逐漸實現(xiàn)車載化應(yīng)用。1995年，三菱汽車首次運用毫米波雷達控制車前距離，具備了自適應(yīng)巡航技術(shù)的雛形；1999年，S系列奔馳轎車上安裝了車距監(jiān)控防撞系統(tǒng)(DTR)；2015年，特斯拉Model S汽車搭載了Autopilot系統(tǒng)，推動了智能駕駛汽車的毫米波雷達應(yīng)用；2017年10月，加特蘭微電子科技公司推出全球首顆CMOS工藝的77 GHz毫米波雷達收發(fā)芯片，量產(chǎn)CAL77A4T8R芯片，可提供4個輸出通道、8個接收通道，尺寸為6.8 mm×9.8 mm。目前，德國大陸公司的77 GHz毫米波雷達測距為0.2～250.0 m，精度為0.1～0.4 m；北京行易道科技有限公司的77 GHz毫米波雷達測距為0.5～250.0 m，精度為0.1～0.2 m。

20世紀70年代，雷達探測技術(shù)開始用于礦山無人駕駛卡車，但進展緩慢，直到80年代末期國外成功研發(fā)露天礦車的防撞雷達系統(tǒng)，輔助司機關(guān)注前方的障礙車輛。一種雷達是低頻無線電波，另一種雷達是高頻無線電波。1994，卡特彼勒公司的777型自動化卡車在前、后、側(cè)面配備了掃描雷達系統(tǒng)，可檢測100 m以內(nèi)道路上的人員和障礙物，確保卡車安全減速或停車；2005年，日本小松公司在智利的銅礦進行了無人駕駛運輸試驗，車上安裝毫米波雷達等多種傳感器，2008年實現(xiàn)了工業(yè)化運行。

圖4 德國研發(fā)的早期車載超聲波雷達(車前方白色部位)

在我國，2014年，神華準能集團和北京中礦華沃科技公司聯(lián)合研發(fā)成功露天礦卡車的24 GHz毫米波防撞雷達系統(tǒng)，包括車載毫米波雷達、雷達控制器和自動剎車系統(tǒng)，可實現(xiàn)卡車前方障礙物的實時探測及防撞剎車，在哈爾烏素露天煤礦進行了現(xiàn)場工業(yè)試驗[15]；2018年，踏歌智行公司為包頭白云鐵礦和鄂爾多斯烏拉煤礦設(shè)計了無人駕駛方案，布置了車載激光雷達、毫米波雷達；2019年，慧拓智能機器公司研發(fā)出露天礦車無人駕駛系統(tǒng)，卡車裝有4臺毫米波雷達、4臺激光雷達和5臺攝像頭，在內(nèi)蒙古寶利煤炭公司試驗運行；2019年，天地科技公司上海分公司推出MG1100/3050-WD型采煤機，裝有機載截割視頻、毫米波雷達等探測預(yù)警傳感器。

1.2.4激光成像雷達探測避障

自20世紀60年代激光被發(fā)明以來，其激光測距功能，最早在軍事領(lǐng)域的武器制導(dǎo)等方面得到廣泛應(yīng)用，隨后向軍用及民用遷移。激光成像雷達是通過激光束對待測目標物進行照射、掃描獲取的距離圖像和強度圖像的主動探測技術(shù)，可以精確快速獲取目標三維空間信息，可作為智能采煤機前方障礙探測的先進技術(shù)。

1960年，美國物理學(xué)家梅曼(MAIMAN T H)研制出世界第1臺實用化的紅寶石激光器；1961年美國休斯飛機公司研制出世界首臺激光測距儀，1962年成功進行了第1臺軍用激光測距儀應(yīng)用試驗；1966年，美國光譜物理公司研制成功Geodoilet 3G型長測距激光測距儀，白天測距30 km，夜間測距80 km，精度為±(1 mm+1×10-6測距)[16]；1967年，瑞典捷創(chuàng)力公司推出世界第1臺產(chǎn)品級的AGA-8型激光測距儀，如圖5所示，采用5 mW氦氖激光器，白天測距為30 km，夜間測距為60 km，測距精度為±(5 mm+10-6測距)；1977年，美國推出了AN/GVS-5型第1臺手持式激光測距儀。

圖5 瑞典捷創(chuàng)力公司制造的第1臺產(chǎn)品級激光測距儀

激光雷達具有極高的角度分辨率和距離分辨率，可同時測得目標的強度像和距離像，形成高分辨率的三維圖像，它被稱為三維激光雷達(Laser Detection and Ranging，LiDAR)，可用于精確空間測繪及動態(tài)建模。1978年，美國國家航天局馬歇爾航天中心采用CO2激光相干成像技術(shù)，研制出世界第1臺三維激光成像雷達；1989年，美國人奈特(KNIGHT F K)研制出1臺16×16像素的激光雷達系統(tǒng)；1992年，美國赫立世(Hercules)防御電子公司研制出高分辨率的小型固體激光成像雷達樣機，最大測距為2 km，測距分辨率為0.25 m；2003年，美國雷錫恩(Raytheon)公司研發(fā)出高速激光單脈沖三維成像焦平面陣列探測器，激光成像雷達可探測到距離1.5 km的直徑為10 mm的電線。

在近距LiDAR技術(shù)方面，1995年，美國陸軍研究實驗室(ARL)研制出一種低成本、近距離的半導(dǎo)體激光成像雷達，采用半導(dǎo)體激光器和硅雪崩光電二極管(APD)探測器，通過二維掃描獲得80×80像素的距離圖像，最大探測距離為128 m，距離分辨率為0.25 m[17]；1997年，德國戴姆勒-奔馳宇航公司研制出Hellas障礙探測激光雷達，它是1.54 μm成像激光雷達，視場為32°，探測距離300～500 m，分辨率為10 mm，被用于EC-135和EC-155直升機[18]；1999年，日本VTT電子公司為歐洲航天局研制成像激光雷達，用于行星表面導(dǎo)航與避障，該激光雷達采用激光二極管，波長905 nm，探測距離為100 m，距離分辨率50 mm，重量8.6 kg，功耗15.6 W；2000年，美國陸軍研究實驗室開發(fā)了非掃描線陣成像半導(dǎo)體激光雷達，采用半導(dǎo)體激光器和32線陣混頻MSM探測器，成像速率為50 Hz，最大探測距離達200 m，距離分辨率為0.25 m；2017年，美國奎內(nèi)基公司(Quanergy Systems Inc.)推出了全球首款S3固態(tài)激光雷達，它采用光學(xué)相控陣技術(shù)，可用于汽車級固態(tài)LiDAR，探測距離150 m，精度為厘米級。

在我國，1975年，國家地震局武漢地震儀器廠研制成功我國第1臺相位式精密激光測距儀，填補了我國精密測距技術(shù)領(lǐng)域的空白；1980年，我國地震研究研制出JCY-3型激光測距儀，白天測距40 km，夜間測距50 km，精度為±(5mm+10-6測距)；2008年，浙江大學(xué)提出了基于增益調(diào)制的激光三維成像方法，利用脈沖激光主動照明和百萬像素的ICCD相機，對1 km處的建筑物三維成像的測距精度約為1 m；2018年，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所提出了基于偏振調(diào)制的激光三維成像方法，利用高靈敏度、高分辨率的EMCCD相機作為探測器，僅需發(fā)射1次脈沖即可獲得1幅三維圖像，適用于高速運動平臺或高動態(tài)目標的三維成像[19]。目前國內(nèi)典型的三維激光雷達產(chǎn)品有上海禾賽科技Pandar系列、速騰聚創(chuàng)RS-LiDAR系列、北科天繪R-Fans系列和鐳神智能的車載級CX系列。

在礦山領(lǐng)域，1995年，日本小松公司基于激光制導(dǎo)技術(shù)研發(fā)出世界第1輛無人駕駛卡車，先在日本的采石場進行試驗，最高行駛速度達36 km/h，1996年制造了5輛無人駕駛卡車在澳大利亞昆士蘭的礦山投入運行，采用架線供電方式，沿路每隔150 m設(shè)1根標桿，以耦合脈沖激光制導(dǎo)和GPS定位系統(tǒng)實現(xiàn)卡車準確定位和引導(dǎo)，實現(xiàn)了厘米級精度的自動駕駛運行。目前，三維激光成像技術(shù)已在煤礦開始應(yīng)用，2018年，寧東煤炭基地馬蓮臺煤礦采用無人機載LiDAR監(jiān)測采煤塌陷區(qū)沉降狀況，掃描視場為40°×360°，30 m內(nèi)絕對精度為20 mm，有效測距為120 m，獲取的3處地面沉降區(qū)平均誤差為0.044 m[20]；2019年，馬宏偉等[21]研究了基于激光雷達的煤礦巡檢機器人SLAM方法，建立了激光雷達觀測模型和里程計預(yù)測模型，可解決巡檢機器人實時位姿估計和環(huán)境地圖構(gòu)建問題，結(jié)合相關(guān)算法提高了機器人定位的自適應(yīng)性和地圖構(gòu)建的精確性；2020年，楊健健等[22]建立了井下掘進機激光成像雷達觀測模型，采用國產(chǎn)激光雷達，獲取掘進巷道的即時定位與地圖構(gòu)建(SLAM)場景，建模誤差可控制在0.02 m以下；2020年，張銀萍選用美國威力登(Velodyne)公司的VLP-16型號的三維激光雷達，研究煤礦地面軌道運輸?shù)V車自動避障技術(shù)。

超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達在探測距離、探測精度、成像能力、成本優(yōu)勢、尺寸優(yōu)勢、抗干擾能力方面的對比如圖6所示。

圖6 3種微波測距技術(shù)雷達對比圖

1.3 機器視覺感知技術(shù)

美國自動視覺協(xié)會(AVA)把機器視覺系統(tǒng)定義為一種通過光學(xué)非接觸傳感器測量和識別物體圖像并用于控制目標或過程的計算機圖像識別系統(tǒng)。機器視覺有單目、立體和全景3種視覺獲取方式，單目視覺用1個相機實現(xiàn)前方碰撞、行人探測、軌跡偏離等感知功能；立體視覺是采用雙目相機仿生人類視覺，對視場范圍內(nèi)的目標進行立體成像，實現(xiàn)三維圖像重構(gòu)，主要用于采煤機位置標定、障礙物檢測；全景視覺技術(shù)由4～6個相機進行360°同步成像，獲得采煤機前方全景圖像，構(gòu)建采煤機運行空間的數(shù)字孿生場景。在智能采煤機自動駕駛視覺感知中，基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理將成為采煤機環(huán)境視覺感知的重要支撐。

1979年，美國麻省理工學(xué)院人工智能實驗室的大衛(wèi)·馬爾(MARR D C)教授創(chuàng)立了視覺的計算理論，把機器視覺作為一個信息處理過程，使計算機視覺研究取得了突破性進展；1982年，美國通用電氣公司已批量生產(chǎn)OpotmationTN-2200型機器視覺裝置，攝像機像素為128×128，視場為30 mm×30 mm。到1982年底，美國安裝了40個機器視覺系統(tǒng)，用于生產(chǎn)線的產(chǎn)品檢驗、測量和物體識別。

2010年之后，機器視覺技術(shù)才在采掘機械上開始應(yīng)用。2013年，田原[23]研究了基于機器視覺技術(shù)的掘進機機身空間位姿自動檢測技術(shù)，采用機器視覺技術(shù)檢測攝像機與激光指向儀之間的相對空間位姿，通過空間矩陣變換計算出掘進機機身相對指向激光的空間位姿參數(shù)，試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)的平移量檢測偏差為3.5 mm，航向角檢測偏差為0.5°，俯仰角和橫滾角檢測偏差為0.1°；2017年，石晟等[24]設(shè)計了礦用鋼絲繩的機器視覺無損監(jiān)測系統(tǒng)，機器視覺圖像采集設(shè)備安裝在現(xiàn)場鋼絲繩運轉(zhuǎn)位置，采集鋼絲繩圖像并傳輸?shù)街锌刂鳈C進行圖像識別、人工智能判別及報警信號發(fā)出，可對鋼絲繩的斷絲、磨損、銹蝕等損傷缺陷進行在線監(jiān)測；2019年，張旭輝等[25]設(shè)計了1種基于視覺測量的液壓支架位姿檢測方法，在采煤機上安裝防爆相機，對在液壓支架上的紅外LED標識板進行圖像采集，基于4個共面特征點的視覺算法得出液壓支架底座位姿，該方法檢測液壓支架的位姿精度小于0.7°，直線度精度小于20 mm；2020年，頊熙亮[26]報道了礦用帶式輸送機故障的機器視覺智能檢測系統(tǒng)，在大同同忻煤礦使用，該系統(tǒng)采用5個線性光源的單臺線陣CCD相機捕捉輸送帶表面圖像，如圖7所示。智能監(jiān)控報警模塊接收輸送帶監(jiān)測圖像，通過識別模塊對撕裂、跑偏等故障危險等級進行評估，并根據(jù)危險程度采取報警、停機等措施。

圖7 輸送帶線陣CCD相機圖像捕捉系統(tǒng)

2 瓦斯?jié)舛雀兄夹g(shù)

由于采煤過程中的瓦斯涌出量與采煤量有近似線性正比關(guān)系，因此采煤機應(yīng)對瓦斯?jié)舛染哂小靶嵊X”監(jiān)測能力，它對保障采煤工作面安全極為重要[27]。

2.1 常規(guī)瓦斯檢測儀

1966年，蘇聯(lián)研制了Щ-5型光學(xué)瓦斯檢測儀。1970年代，美國梅思安(MSA)公司推出Ⅳ型甲烷監(jiān)測器，蘇聯(lián)推出TMPK-2型瓦斯檢測儀[28]。

在我國，1972年，上海江南無線電廠和上海煤礦機械研究所研制成功ABD-1型瓦斯報警斷電儀，1976年1月通過了技術(shù)鑒定。該裝置具有瓦斯超限預(yù)警功能，被稱之為“直接化防爆技術(shù)”[29]。1973年10月，重慶煤礦安全儀器廠、重慶煤炭科學(xué)研究所、四川礦業(yè)學(xué)院等單位組成瓦斯遙測儀會戰(zhàn)組，1974年12月試制成功AYJ-1型瓦斯遙測警報儀。該儀器具有遙測功能，可同時檢測5個不同點的瓦斯?jié)舛萚30]。1977年，撫順煤礦安全儀器廠、陽泉礦務(wù)局和撫順礦務(wù)局聯(lián)合研制出AQD-1型采煤機瓦斯斷電控制儀，利用載體熱催化原理，先后在雞西滴道礦和陽泉一礦進行了工業(yè)試驗[31]。1977年，西安煤礦儀表廠研制出的MJC-100型采煤機(工作面)瓦斯斷電控制儀，是一種多參量檢測裝置，在陽泉礦務(wù)局三礦進行了工業(yè)性試驗，獲1978年全國科學(xué)技術(shù)大會成果獎[32]。1992年，廣東煤炭工業(yè)研究所等單位研制出JBD-1型便攜式瓦斯報警斷電儀，在永榮礦務(wù)局的掘進工作面推廣使用[33]。經(jīng)過40多年的發(fā)展，現(xiàn)在的采煤機已裝有計算機控制的瓦斯斷電儀系統(tǒng)，可實現(xiàn)采煤機周圍的甲烷超限遙控斷電及常規(guī)斷電[34]。此外，在采煤機上安裝了無線機載瓦斯實時監(jiān)測系統(tǒng)，與KJ2000N煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)連接，實現(xiàn)了采煤機工作過程中的瓦斯突出實時預(yù)警。

2.2 光纖瓦斯監(jiān)測儀

1870年，英國物理學(xué)家丁達爾發(fā)現(xiàn)光的全反射原理； 20世紀50年代，美國首先提出差分吸收化學(xué)氣體遠程報警雷達系統(tǒng)的設(shè)想；1966年，高錕(KAO K C)博士發(fā)表了《光頻率的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》論文，從理論上證明了光纖傳輸媒體的可能性，于2009年獲諾貝爾物理學(xué)獎；1977年，美國海軍研究所查爾斯·戴維斯主持了光纖傳感器系統(tǒng)(FOSS)研發(fā)項目，被認為是光纖傳感器的起點；20世紀70年代末，光纖傳感技術(shù)用于瓦斯氣體檢測，這種檢測技術(shù)具有精度高、環(huán)境干擾小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。光纖瓦斯傳感器主要有單波長吸收比較型、雙波長差分吸收型、窄帶譜線吸收型、染料光譜吸收型、光纖干涉型等[35]。

1979年，日本東北大學(xué)的稻葉文男(INABA H)和陳建裴(CHAN K)等提出了利用長距離光纖進行大氣污染檢測技術(shù)思路，1981年他們用LED光源進行了甲烷氣體濃度檢測試驗，1983年又用1.66 μm波長的InGaAsP發(fā)光二極管和干涉濾光片組成光纖傳感系統(tǒng)，對瓦斯吸收譜線進行檢測，實現(xiàn)了25% LEL(氣體爆炸下限)的高靈敏度探測[36]。1986年，美國石油天然氣工程師學(xué)會設(shè)計了基于1.67 μm紅外光源的雙波長差分吸收型瓦斯監(jiān)測報警器，分辨率達到3% LEL。1987年，泰英夫(TAI H)采用2個單模分布反饋式半導(dǎo)體激光器組成1個復(fù)合光源，以1個光纖系統(tǒng)同時檢測甲烷和乙炔濃度，如圖8所示。該系統(tǒng)對甲烷和乙炔的最低探測靈敏度分別為5.0 mg/L和3.0 mg/L[37]。1990年，山本(YAMAMOTO K)等利用1.66 μm單模分布反饋式半導(dǎo)體激光器，采用了波長(頻率)調(diào)制諧波檢測方法，室溫下檢測甲烷氣體濃度的最低探測靈敏度為20 mg/L。

圖8 光纖傳感器檢測甲烷和乙炔濃度原理

在我國，1989年，吳曉立等[38]設(shè)計了1種本安型光纖瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，實時檢測瓦斯?jié)舛?，精度?50 mg/L；1989年，郭栓運[39]設(shè)計了差分光譜光纖氣體檢測裝置，采用InGaAsP發(fā)光二極管作為光源，瓦斯探測靈敏度達到4% LEL；1990年，廖嘉等[40]采用雙波長差分吸收法原理，檢測甲烷氣體的最低探測濃度為400 mg/L；2005年，林楓等[41]設(shè)計了1種遠距離光纖瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，采用1.3 μm超輻射發(fā)光二極管為光源，基于差分吸收測量原理可實現(xiàn)10 km遠程瓦斯監(jiān)測，測量靈敏度為0.1%；2007年，山東省科學(xué)院激光研究所團隊首次把激光甲烷傳感器用于煤礦井下現(xiàn)場瓦斯監(jiān)測，研發(fā)出無溫控激光甲烷檢測技術(shù)，2009年該研究所研制出光纖瓦斯檢測儀，在阜新某煤礦的瓦斯發(fā)電站建立了現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)。

2.3 激光瓦斯遙測技術(shù)

2.3.1近紅外激光雷達探測技術(shù)

1939年，法國氣象學(xué)家就用脈沖光源對氣象雷達進行了早期研究。激光雷達探測甲烷(瓦斯)的波長一般調(diào)諧在1.66 μm左右。1965年，莫爾(MOORE C B)[42]發(fā)現(xiàn)甲烷吸收譜線與He-Ne激光波長吻合，由此首次提出了采用激光吸收譜來探測甲烷氣體的思路；1969年，日本科學(xué)家對激光檢測瓦斯?jié)舛冗M行了試驗，提出了以砷鎵化銦激光二極管制造微型化瓦斯檢測儀的設(shè)想，可藏在礦工帽中，成為可穿戴式瓦斯檢測儀[43]；1973年，蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明了激光瓦斯檢定器；1983年，英國石油公司的埃利奧特電子儀器公司研制出世界第1個激光掃描式瓦斯檢測儀，用于石化工廠和石油采場的危險氣體檢測，該裝置基于雙波長差分吸收譜檢測原理，可檢出1 km處的瓦斯氣體[44]；1992年，上原清地(UEHARA K)[45]報道了1.65 μm波段激光的甲烷探測試驗，獲得的高靈敏度為0.3 mg/(L·m)，可檢出大氣中微量甲烷；2000年，高谷井關(guān)(ISEKI T)等[46]設(shè)計了首個便攜式激光甲烷遙測儀，采用1.65 μm的InGaAsP分布反饋式激光器，6 m距離遙測甲烷的檢測濃度下限為0.45 mg/(L·m)，可探測到10 cm3/min微量的城市燃氣泄漏。

在我國，1976年，撫順煤炭研究所開始研制激光瓦斯管路監(jiān)測裝置，采用3.39 μm波長的單色光，被測氣體通過氣腔時，光接收系統(tǒng)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，放大整流后由微安表顯示瓦斯?jié)舛萚47]；2003年，尹王保等[48]設(shè)計了利用單一可調(diào)諧外腔二極管激光(ECDL)遙測甲烷技術(shù)，其原理如圖9所示；2005年，樊宏等[49]研發(fā)出便攜式天然氣泄漏遙感探測技術(shù)，采用1.20～1.89 μm的毫瓦級二極管激光器，透鏡口徑為100 mm，中心有一個直徑3 mm的小孔，在7 m距離的甲烷可測靈敏度為200 mg/(L·m)，整套系統(tǒng)僅重5 kg，具有良好的便攜性；2016年11月，陽泉煤業(yè)三礦在K8117回采工作面和K8302回風掘進工作面使用了GJG10J激光瓦斯測試儀，常規(guī)的混合型測試儀檢測誤差為±0.1%，激光瓦斯傳感器檢測誤差為±0.06%[50]。

圖9 激光遙感探測瓦斯原理

2.3.2差分吸收激光雷達探測技術(shù)

20世紀50年代，美國人首先提出基于差分吸收激光雷達對化學(xué)氣體遠程探測技術(shù)設(shè)想，1963年，美國斯坦福大學(xué)拜爾(BYER R)團隊研制了世界第1臺可調(diào)諧激光雷達，之后用于監(jiān)測森林上空的飛機噴灑藥劑和煙囪排放煙霧，開啟了激光雷達遙測大氣技術(shù)；1966年，密西根大學(xué)斯科特蘭(SCHOTLAND R M)發(fā)表了差分吸收激光雷達(Differential Absorption Laser Radar，DIAL)檢測水汽中微量成分和濃度的論文，展示了這種方法具有的高靈敏度和高分辨率優(yōu)點。此后的30年，運用激光雷達探測大氣中CO2的研究十分活躍。2003年，斯洛伐克威凌(Wingling)公司研制出第1代小型化有害氣體遙測激光雷達，如圖10所示，它用2臺可調(diào)諧TEA CO2激光器作為光源，采用DIAL工作方式，測距為3 km，可探測多種有毒有害氣體及污染物，外形尺寸為458 mm×260 mm×395 mm，質(zhì)量為38 kg，是當時最小的差分吸收激光雷達[51]；2009年，日本學(xué)者坂井沢大佑(SAKAIZAWA D)等研制出1.6 μm的CO2差分吸收激光雷達，對 2 km高空的CO2密度探測誤差小于1%；2017年，日本科學(xué)家柴田安國(SHIBATA Y)等[52]研制出OPG/OPA(光參量發(fā)生器/光參量放大器)的1.6 μm波長激光雷達，測量對流層CO2濃度廓線，檢測誤差約0.1%。

圖10 第1代小型化有害氣體遙測激光雷達

2.3.3可調(diào)諧二極管激光吸收光譜探測技術(shù)

1971年，美國科學(xué)家辛克萊(HINKLEY E D)[53]在Science期刊上首次發(fā)表了利用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)對大氣污染物進行高精度探測的試驗結(jié)果，為煙囪排放氣體、化工廠危害氣體的遠程監(jiān)測提供了新方法；1978年，里德(REID)等[54]介紹了采用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)實現(xiàn)了空氣中SO2濃度的檢測下限達到0.1～0.3 mg/L；1998年，美國監(jiān)測技術(shù)公司研制成功世界上第1臺 TDLAS 氣體探測器，選用1.55 μm的 InGaAsP 激光器，用于檢測氨氣濃度。之后，美國漢斯公司(Heath)研發(fā)出手持式RMLD-IS激光甲烷遙距檢測儀，最大探測距離為100 m，測距30 m的甲烷檢測靈敏度為10 mg/(L·m)。

在我國，2005年，闞瑞峰等[55]研制出1套可調(diào)諧二極管激光吸收光譜檢測甲烷濃度的實驗裝置，實測甲烷下限達到0.087 mg/m3；2007年，陳玖英等[56]設(shè)計了煤礦瓦斯?jié)舛葯z測的TDLAS系統(tǒng)，在100 s內(nèi)測定瓦斯?jié)舛鹊钠顬?.5 mg/L；2019年，張強[57]設(shè)計了1種TDLAS煤礦瓦斯檢測傳感器，并將其與催化甲烷傳感器、紅外甲烷傳感器的檢測結(jié)果進行了比較，3.5%濃度甲烷的激光傳感器偏差僅為0.01，而催化傳感器和紅外傳感器的偏差分別為0.12和0.07；2019年，劉杰等[58]研制出1種基于TDLAS的吸入式便攜甲烷探測儀，質(zhì)量為1.4 kg，外形尺寸為220 mm×100 mm×100 mm，檢測誤差為±3.05%，可探測極限為0.88 mg/L。目前，手持式激光甲烷(瓦斯)遙測儀已有成熟產(chǎn)品，青島明成環(huán)?？萍脊旧a(chǎn)的Esders-ELLI激光甲烷遙距檢測儀在30 m測距的靈敏度為5 mg/(L·m)。

3 采煤機定位技術(shù)

作業(yè)姿態(tài)感知是對采煤機行駛位姿狀態(tài)進行自主檢測和調(diào)控，從而保證采煤機不走偏、不過載、不碰撞，其關(guān)鍵技術(shù)是采煤機運行中的精準定位、定向和定姿。

采煤機在井下狹窄空間運行，實現(xiàn)自主定位是一個大難題，實際上是井下局部空間內(nèi)的精確定位問題，由于沒有地面的衛(wèi)星定位基準支持，采煤機的井下定位就只能依靠自建局域定位系統(tǒng)來解決位姿感知難題。采煤機定位技術(shù)分為里程計定位技術(shù)、紅外線定位技術(shù)、反射波定位技術(shù)、激光測距定位技術(shù)和捷聯(lián)慣導(dǎo)定位技術(shù)[59]5類。

3.1 里程計定位技術(shù)

這種定位技術(shù)實際上是1種行程累計定位，通過對采煤機行走距離進行檢測，以此計算采煤機與起始點的相對位置。里程計定位一般都是根據(jù)采煤機牽引鏈輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)進行計量，將其換算為采煤機的行走里程。20世紀70年代末，美國喬治·馬歇爾航天中心為解決長壁工作面的采煤機位置監(jiān)測問題，研制出基于脈沖的行程定位裝置，行走0.15 m發(fā)出1個脈沖，使采煤機在工作面行走180 m的測距誤差小于1.5 mm[60]。20世紀90年代末，出現(xiàn)了2種鏈輪轉(zhuǎn)動計量方式，一種是利用霍爾傳感器計數(shù)，另一種是利用鏈輪上的軸編碼器計數(shù)，軸編碼器的計數(shù)精度高于霍爾傳感器的計數(shù)精度[61]。但是，里程計定位技術(shù)只能測出采煤機一維軌跡，無法測定采煤機的三維運動軌跡，目前作為與慣導(dǎo)定位、超寬帶定位等技術(shù)融合的輔助定位技術(shù)。

3.2 紅外線定位技術(shù)

在采煤機上安裝紅外線標識作為移動點，發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過液壓支架上安裝的光學(xué)傳感器接收紅外射線進行定位。但是，由于紅外線只能視距傳播，穿透性極差，當標識被遮擋時就無法正常工作，也極易受燈光、煙霧等環(huán)境因素影響[62]。為了避免液壓支架錯過采煤機脈沖信號，導(dǎo)致“跳架”的定位誤差，可采用廣角紅外發(fā)射裝置和接收裝置，保證同時接收多個脈沖信號。

3.3 反射波定位技術(shù)

1948年10月，哈里·斯托克曼(STOCKMAN H)發(fā)表《利用能量反射的方法進行通信》，指出無線電波、光波或聲波(主要是微波、紅外和超聲波)可以在近似鏡面反射條件下用于傳輸，這成為利用反射波定位技術(shù)的里程碑。

3.3.1超聲波定位技術(shù)

1986年，米爾特羅尼克斯(Milltronics)公司研發(fā)出1種超聲波定位裝置，它能精確地測定150 m范圍內(nèi)的移動設(shè)備位置，稱為卸料車定位器(Tripper Ranger)。該裝置最初用于里約阿戈姆(Rio Algom)公司的帕內(nèi)爾(Panel)礦和基爾克(Quirke)礦，改變了卸料車位置控制技術(shù)，系統(tǒng)更為簡單，實現(xiàn)了無人控制[63]。1993年，美國礦山局的斯特利克蘭(STRICKLAND)等人測試了超聲波測距傳感器在煤礦井下的定位性能，將24個偏振鏡超聲波測距傳感器以15°間隔分布在直徑685 mm的玻璃纖維環(huán)上，并與1個數(shù)據(jù)采集存儲的微型計算機相連，如圖11所示，超聲波環(huán)裝在連續(xù)采煤機頂部，發(fā)送的超聲波脈沖可以將各種障礙物的角坐標信息傳到計算機。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以透過粉塵和煙霧，只是不同表面的反射特性有差異，會影響定位精度。1997年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院(CSIRO)的里德博士(REID D C)提出了利用探地雷達(GPR)實現(xiàn)井下連續(xù)采煤機定位，該方法以煤壁側(cè)面反射的超聲波強度來檢測當前采煤機機道和前一刀機道的間距變化，但在定位時必須把天線靠近或緊貼煤壁，為了防止天線損壞，測量中采煤機不能運動，因此不能實現(xiàn)連續(xù)測量，該方法只能作為一種輔助定位手段。2010年張連昆等提出1種基于超聲波的采煤機位置檢測系統(tǒng)，超聲波首發(fā)裝置安裝在工作面端頭橋式轉(zhuǎn)載機的小橋上，以采煤機為超聲波檢測對象反射超聲波。在使用過程中，由于非視距問題的存在，該技術(shù)的使用具有一定的局限性，并且其定位精度也比較低，很難滿足工作面自動化的要求。

圖11 環(huán)狀超聲波測距傳感器實物

3.3.2射頻定位技術(shù)

1970年，馬里奧·卡杜羅(CARDULLO M)申請了“應(yīng)答器裝置和系統(tǒng)”專利，這是第1個現(xiàn)代射頻識別(RFID)的原型機[64]；在21世紀初，RFID技術(shù)開始用于煤礦井下移動目標的位置識別，包括下井人員考勤及定位、井下機車定位跟蹤及智能調(diào)度、備件倉儲配送管理；2016年，田成金[65]提出了基于RFID的采煤機定位方法，RFID讀寫器安裝在采煤機上，標簽安裝在液壓支架上，當采煤機在工作面上移動時，機身上的讀寫器可以同時讀到1個或多個液壓支架的標簽，利用軟件算法解析確定出采煤機位置。采用射頻場強檢測定位方法，依據(jù)采煤機通過液壓支架的射頻場強變化估算二者之間的相對位置，相對定位誤差可控制在20 mm以內(nèi)[66]。

3.3.3超寬帶定位技術(shù)

2016年，劉萬里等[67]研究了基于超寬帶(UWB)高速無線通信的采煤機定位方法，并提出了1種UWB定位精度提升算法，利用信息過濾算法對UWB定位結(jié)果進行過濾，試驗結(jié)果表明，采煤機的三維定位精度可達70 mm；2016年，劉清[68]提出了基于超寬帶測距原理的采煤機定位系統(tǒng)，在巴彥高勒煤礦綜采工作面的測試結(jié)果表明，定位基站測距誤差小于500 mm。

3.3.45G定位技術(shù)

目前，5G網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)已經(jīng)用于列車、汽車、農(nóng)機等移動體的自動駕駛，武漢在智能網(wǎng)聯(lián)汽車與智慧道路自動駕駛示范區(qū)建成了5G車路協(xié)同自動駕駛系統(tǒng)，依靠5G移動通信、高精度定位技術(shù)、五維時空融合技術(shù)、邊緣計算和邊云協(xié)同等技術(shù)，可為車路協(xié)同自動駕駛提供厘米級的高精度位置服務(wù)[69]?？梢灶A(yù)計，隨著5G技術(shù)在煤礦井下成熟應(yīng)用，采煤機5G高精度定位技術(shù)將付諸現(xiàn)實。

3.4 激光測距定位技術(shù)

20世紀90年代，美國礦山局(USBM)推動了計算機輔助采煤系統(tǒng)研究，目的是把工人撤出工作面，進行遠程控制采煤過程。20世紀80年代末，美國礦山局匹茲堡研究中心研發(fā)出基于激光掃描的連續(xù)采煤機導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，設(shè)計了1個移動導(dǎo)控架(Mobile Control Structure，MCS)作為作業(yè)區(qū)的定位基準，連續(xù)采煤機行駛在車架下面，以車架位置作為定位和導(dǎo)向基準點，如圖12所示。該系統(tǒng)的有效測距為11 m，航向角精度為±0.25°，位置精度為65 mm，在環(huán)境粉塵濃度13 mg/m3下仍能穩(wěn)定工作[70]。

3.5 捷聯(lián)慣導(dǎo)定位技術(shù)

將陀螺儀以及加速度計固定在采煤機上，檢測采煤機相對于慣性坐標系的旋轉(zhuǎn)角速度、加速度矢量，然后依據(jù)初始時刻的載體位置、速度及姿態(tài)，即可解算出以后各時刻采煤機相對于慣性坐標系的姿態(tài)角、加速度。1988年，薩馬爾科(SAMMARCO J J)等[71-72]在美國礦山局支持下，開發(fā)出基于慣性、重力和磁場的采煤機機載航向檢測系統(tǒng)，可測得采煤機航向角、俯仰角和橫滾角。此后，他們應(yīng)用激光陀螺儀結(jié)合零速更新技術(shù)，開發(fā)了模塊化航向定位系統(tǒng)，但零速更新技術(shù)要求采煤機靜止幾分鐘來校準起始坐標。1996年，席夫鮑爾(SCHIFFBAUER W H)等[73]在美國能源部支持下，研發(fā)出連續(xù)采煤機導(dǎo)航裝置(Honeywell Ore Recovery and Tunneling Aid，HORTA)，如圖13所示。該系統(tǒng)在懷俄明州格林洛克(Glenrock)礦區(qū)裝在JOY-2CM 連續(xù)采煤機上運行，如圖14所示。結(jié)果表明短時間內(nèi)的采煤機定位精度能夠滿足采煤作業(yè)導(dǎo)航要求，但隨著時間增加，定位誤差累積使定位精度不斷下降。

圖12 連續(xù)采煤機導(dǎo)航和定位系統(tǒng)

20世紀90年代中期， 澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院里德(REID D C)等[74]探索了慣導(dǎo)技術(shù)在地下采礦定位和自動化的應(yīng)用，1996年他將慣導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于房柱開采連續(xù)采煤機，提出了基于慣導(dǎo)航向信息與外部傳感器航距信息相結(jié)合的高精度定位模式。同年，他創(chuàng)辦了采礦應(yīng)用技術(shù)(Applied Mining Technologies)公司，開發(fā)出MK3房柱開采導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠監(jiān)測顯示連采機的推進深度、航向角、偏航角、煤層厚度及機器俯仰角和橫滾角等信息，如圖15所示。

圖13 連續(xù)采煤機導(dǎo)航系統(tǒng)HORTA裝置

圖14 裝有定位裝置的JOY-2CM型連續(xù)采煤機

圖15 MK3系統(tǒng)虛擬駕駛界面

2000年，海茵沃思(HAINSWORTH D W)和里德(REID D C)獲得了采煤機慣導(dǎo)定位和導(dǎo)向技術(shù)的澳大利亞專利，這是該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的里程碑；同年，澳大利亞煤炭協(xié)會研究計劃(ACARP)啟動了地下煤礦自動化技術(shù)研發(fā)項目，由長壁自動駕駛委員會(Longwall Automation Steering Committee，LASC)督導(dǎo)實施，研發(fā)內(nèi)容包括技術(shù)能力、通信、OEM 系統(tǒng)集成和技術(shù)轉(zhuǎn)讓等方面；2001年，慣導(dǎo)技術(shù)在澳大利亞新南威爾士州的南布爾加(South Bulga)礦的長壁工作面成功進行了短期試驗，首次向采礦界證明了它的先進性和可行性[75]；2003年，里德團隊開發(fā)出采煤機位置實時測量顯示系統(tǒng)，并在采煤機進行了測試，CSIRO是參與這個項目的主要研究機構(gòu)，2005年研發(fā)出被業(yè)界稱為 LASC的采煤機慣導(dǎo)定位技術(shù)；2006年，里德團隊[76]承擔了Landmark計劃，提出了1種識別每個截割循環(huán)過程中采煤機封閉路徑的方法，提高了慣導(dǎo)定位的穩(wěn)定性；2011年，AMT公司推出MK4連續(xù)采煤機導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了最新的慣性技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和智能感知技術(shù)，為操作者提供精確的三維采煤信息，例如預(yù)定軌跡、導(dǎo)航路徑、偏離軌跡等信息。2015年，LASC技術(shù)進入我國煤礦，現(xiàn)已發(fā)展為定制版、通用機架板、精簡版3個版本。

我國對采煤機慣性導(dǎo)航技術(shù)研究起步較晚，開始的研究工作主要集中在中國礦業(yè)大學(xué)團隊。2008年，方新秋等[77]探討了陀螺儀和加速度計測量采煤機的航向角及水平面2個方向的加速度，通過對加速度進行2次積分即可獲得采煤機在水平面的位置；2011年，李威等[78]提出運用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的三軸加速度計和陀螺儀測量采煤機的線性加速度和角速度，構(gòu)建了采煤機在慣性坐標系中的導(dǎo)航方程；2015年，應(yīng)葆華等[79]又針對捷聯(lián)慣導(dǎo)定位系統(tǒng)在采煤機的定位誤差隨時間累積的問題，提出了1種利用無線傳感器網(wǎng)的捷聯(lián)慣導(dǎo)補償校準方法，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)位置對捷聯(lián)慣導(dǎo)的位置進行周期性校正，采煤機X和Y軸的平均定位誤差為0.118 m和0.268 m，能夠得到采煤機實時可靠的位置和姿態(tài)。

2016年，李昂等[80]提出了基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與軸編碼器組合的采煤機定位方法，利用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測出采煤機的實時姿態(tài)，軸編碼器測出采煤機的位移增量，該方法不僅能自主實時確定采煤機三維位置，而且有效減小純慣性導(dǎo)航的累積誤差，定位裝置搭載MG1000/2660-WD電牽引采煤機進行了井下試驗，實測運行軌跡如圖16所示；2018年，王世佳等[81]提出了動態(tài)零速修正誤差方法，可使采煤機在行進和截深方向的定位精度提升30%；2019年，魯程等[82]設(shè)計了1種多套慣導(dǎo)系統(tǒng)冗余定位算法，基于3套慣導(dǎo)位置的定位信息，建立采煤機多慣導(dǎo)冗余定位擴展卡爾曼濾波模型，仿真結(jié)果表明采煤機在單一慣導(dǎo)定位時，隨著采煤機運行距離增加，東北坐標和北天坐標內(nèi)的累計定位誤差為0.83 m，而冗余慣導(dǎo)定位的東北坐標定位累計誤差為0.28 m、北天坐標定位累計誤差為0.12 m。

圖16 國產(chǎn)慣導(dǎo)定位裝置檢測采煤機運行軌跡

4 工作面測直技術(shù)

采煤機的行走軌跡若不成直線將會產(chǎn)生3個問題：一是截割煤壁不直，導(dǎo)致頂板支護質(zhì)量不高，頂板垮落造成采煤機和其他設(shè)備損壞；二是工作面角度控制不好，向巷道一側(cè)傾斜，導(dǎo)致刮板輸送機和液壓支架向巷道滑移，增加了姿態(tài)調(diào)整的停產(chǎn)時間；三是工作面直線度不高，增大了刮板輸送機調(diào)直難度和耗費時間，減緩了采煤機推進速度。戴瑞克·肯斯·巴漢等[83]指出，每臺采煤機約有10%的產(chǎn)煤量損失是源于滾筒截割寬度沒有得到充分利用，也就是說，來自采煤機行走軌跡與煤壁直線度的偏差所致。高質(zhì)量的綜采工作面應(yīng)達到“三直二平”標準， 即煤壁、刮板輸送機和支架均為平面或直線，刮板輸送機和支架平穩(wěn)牢靠，要求直線度偏差不超過±50 mm，角度定位精度達到0.01°。這對測直技術(shù)提出了很高的要求，因此智采工作面都把采煤機測直和刮板輸送機調(diào)直技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)檢測基點不同，工作面測直方法可分為3種：以采煤機軌跡為基線的測直方法；以刮板輸送機中心線為基線的測直方法；以液壓支架中心線為基線的測直方法。

4.1 基于采煤機軌跡的測直方法

1975年，英國研發(fā)了1種被稱為“工作面測量員”的采煤機直線度檢測裝置，其原理如圖17所示，它由1個裝在采煤機上的紅外線發(fā)射和接收儀及微型計算機組成，可不斷地對液壓支架或刮板輸送機上的反射線進行三角位置測量，由此確定采煤機的行走軌跡。地面試驗表明，該裝置行走200 m的直線度測量誤差為0.5 m。該裝置1980年裝在英國安德森公司生產(chǎn)的滾筒采煤機上進行了井下試驗。2003年，里德(REID D C)團隊開發(fā)出采煤機位置實時測量系統(tǒng)，可測得井下采煤機行走軌跡的直線度。2005年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院推出以慣導(dǎo)技術(shù)為核心的LASC系統(tǒng)，迄今已在近澳大利亞近70%的井工采煤機工作面應(yīng)用。2017年，神華寧夏煤業(yè)集團紅柳煤礦在I-010305綜采工作面采煤機上使用了LASC技術(shù)，采煤機直線度檢測和調(diào)直誤差為±500 mm[84]。

圖17 英國提出的“工作面測量員”紅外定位原理

2015年，葛世榮等[85]提出了基于煤層地理信息系統(tǒng)(MGIS)的采煤機姿態(tài)檢測技術(shù)，經(jīng)過現(xiàn)場工作面試驗證明，這種方法可實時測量采煤機行走軌跡、截割軌跡及其與煤層頂?shù)装尻P(guān)系， 是1種有前途的輔助智能化采煤機自動駕駛的精準感知技術(shù)；2017年，王世博等[86]研究了基于采煤機行走軌跡追蹤的刮板輸送機測直調(diào)直方法，可實現(xiàn)在綜采工作面不停機情況下的刮板輸送機連續(xù)調(diào)直，通過數(shù)值仿真和試驗，證明所提出的方法可有效減小刮板輸送機的直線度偏差，使刮板輸送機的直線度誤差穩(wěn)定在 6倍的刮板輸送機測直誤差和液壓支架推移偏差范圍內(nèi)。

4.2 基于刮板輸送機中心線的測直方法

1997年，里德(REID D C)和海茵沃思(HAINSWORTH D W)[74]提出了利用采煤機來進行刮板輸送機的直線度測量，通過跟蹤采煤機運動軌跡、位置和姿態(tài)信息，直接表征出刮板輸送機的直線度形態(tài)。2017年，劉鵬坤等[87]提出了基于刮板輸送機的機器視覺檢測工作面直線度方法，將梯形窗口、灰度識別和特征搜索等視覺算法用于實時測量刮板輸送機的形態(tài)，建立視覺相機測量直線度的局部坐標系，把測量的結(jié)構(gòu)光點像素值轉(zhuǎn)換為設(shè)定直線度的偏差距離，從而計算出以刮板輸送機節(jié)點為測量標志點的工作面直線度。試驗表明，視覺檢測的工作面直線度最大偏差為49 mm。2019年，方新秋等[88]研究了采用光纖光柵檢測刮板輸送機直線度技術(shù)，設(shè)計了光纖光柵三維曲率傳感器，可用于感知正交方向上離散點的曲率信息，該傳感器是由在柔性基材表面正交方向上刻槽， 且分別粘貼有光纖光柵串的礦用橡膠管組成，內(nèi)置光纖光柵傳感器的膠管與刮板輸送機貼合，在地面模擬刮板輸送機三維彎曲形態(tài)進行檢測，各坐標軸方向的監(jiān)測誤差小于±15 mm。

4.3 基于液壓支架中心線的測直方法

2013年，宋宏雷等[89]介紹了1種以定線拉繩作為基準進行定位移架的拉線定位方法，它在兩端支架的定線板之間拉緊1條基準繩，每個支架定線板內(nèi)設(shè)有標尺定位孔，通過標尺確定和調(diào)整支架推進行程，該方法在北宿煤礦1674綜采工作面對107臺液壓支架進行了定位移架操作。2014年，李俊士[90]設(shè)計了1種利用多種傳感器對工作面找直方法，如圖18所示。其角度傳感器精度為±0.3°，行程傳感器精度為±5 mm，找直傳感器精度為±5 mm。2015年，牛劍峰[91]設(shè)計了1種基于液壓支架激光對位檢測的工作面測直系統(tǒng)，在每臺液壓支架上安裝激光對位傳感器。在井下試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的液壓支架直線度控制誤差小于30 mm。2019年，白晉銘等[92提出了1種行走機器人檢測液壓支架直線度方法，用巡檢機器人測量液壓支架底座的橫向偏移、縱向偏移、橫向斜角和縱向傾角等多維位置偏移信息，對150 m工作面的直線度檢測誤差小于100 mm，傾角檢測誤差小于8°。

1-刮板輸送機;2-支架控制器;3-液壓支架;4-找直傳感器;5-角度傳感器圖18 液壓支架直線度檢測的多種傳感器布置

5 結(jié)語

環(huán)境感知是采煤機智能運行的“視覺”“聽覺”和“嗅覺”，這方面能力的不足將致使采煤機摸不清方向、找不準位置、看不到障礙，只能依賴采煤機司機的跟機觀測與操作。早期的采煤機對環(huán)境感知要求不高、重視不夠，但進入自動化開采和智能化開采時代，需要采煤機具備“眼明耳聰”的敏銳環(huán)境感知能力。

當前的自動駕駛汽車技術(shù)已經(jīng)成熟，車上搭載了4個全景攝像頭、1個前置攝像頭(測距5～100 m)、12個超聲波雷達(測距3～5 m)、1個毫米波遠程雷達(測距大于200 m)、4個毫米波中程雷達(測距100～200 m)、1個激光雷達等多種環(huán)境感知傳感器，如圖19所示。這種多信息融合架構(gòu)形成了全方面、立體化的自動駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)，是智能采煤機環(huán)境感知能力提升可借鑒的模式。

圖19 自動駕駛汽車環(huán)境傳感器布置

基于機載環(huán)境感知系統(tǒng)，研發(fā)采煤機SLAM技術(shù)，使之能在復(fù)雜環(huán)境中實現(xiàn)智能化運行，可解決最核心的定位、建圖、導(dǎo)航(包括路徑規(guī)劃和跟蹤)、執(zhí)行反饋4個感知問題，進而把采煤機行走避障、定位、調(diào)直、調(diào)姿等多項任務(wù)融為一體，構(gòu)建采煤機運行數(shù)字孿生系統(tǒng)。

致謝：謹以此文向為我國采煤機感知技術(shù)發(fā)展做出卓越貢獻的前輩們致敬！作者致謝為本文索引資料提供便利的中國知網(wǎng)、百度咨詢、360百科等信息平臺。本文述及的采煤機相關(guān)技術(shù)研發(fā)時間可能有偏差，請讀者幫助校正和補充。