掘進(jìn)機(jī)器人截割機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)研究

靳華龍

(西山煤電 建筑工程集團(tuán)有限公司 礦建第一分公司，山西 太原 030053)

0 引言

根據(jù)中國(guó)工程院專家預(yù)測(cè)，我國(guó)的煤炭消費(fèi)在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍然將位于全球首位，火力發(fā)電仍然是我國(guó)的主要能源來(lái)源。在煤炭開(kāi)采工藝環(huán)節(jié)中，巷道掘進(jìn)位于最前端，目前我國(guó)應(yīng)用的巷道掘進(jìn)技術(shù)為鉆爆法和綜掘法，而其中綜掘法的經(jīng)濟(jì)性和安全性較好，隧道和巷道掘進(jìn)中的核心設(shè)備是掘進(jìn)機(jī)。而目前掘進(jìn)工作面工作環(huán)境惡劣，事故多發(fā)，掘進(jìn)機(jī)操作人員的安全難以保障，因此未來(lái)掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)檫h(yuǎn)程化和智能化。為了實(shí)現(xiàn)國(guó)家安監(jiān)總局的“自動(dòng)化減人”目標(biāo)，本文以煤礦掘進(jìn)機(jī)器人為控制對(duì)象，研究了其截割機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，對(duì)綜掘自動(dòng)化具有重要意義。

1 截割機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合設(shè)計(jì)要求，截割機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的主要功能有：采集液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)、測(cè)量掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位置和姿態(tài)、測(cè)量截割頭姿態(tài)、規(guī)劃和跟蹤截割路徑、與地面控制室進(jìn)行遠(yuǎn)程通信、掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示等。

由上述功能可知，掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)的功能復(fù)雜，計(jì)算量大。為了提高控制系統(tǒng)的擴(kuò)展性、降低維護(hù)成本，控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能和控制功能由數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)，具體包括機(jī)身位姿計(jì)算、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤等；控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)由防爆計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，具體包括圖像預(yù)處理、特征提取、空間坐標(biāo)計(jì)算、姿態(tài)角計(jì)算、卡爾曼濾波、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和可視化顯示等。截割機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 截割機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)總體方案

截割機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)工作過(guò)程如下：通過(guò)安裝在掘進(jìn)機(jī)上的傳感器采集油缸位移、壓力、流量和電機(jī)電流等數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后存入數(shù)字信號(hào)處理器DSP中；安裝在掘進(jìn)機(jī)上的捷聯(lián)慣導(dǎo)和激光傳感器通過(guò)RS485通信接口將慣導(dǎo)數(shù)據(jù)發(fā)送給DSP，DSP由慣導(dǎo)數(shù)據(jù)計(jì)算出掘進(jìn)機(jī)的位姿信息；視覺(jué)傳感器拍攝掘進(jìn)機(jī)截割頭圖片，通過(guò)RJ45接口傳送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的圖像信息進(jìn)行一系列解析，分析出截割頭的姿態(tài)信息；計(jì)算機(jī)結(jié)合掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿、截割頭姿態(tài)和液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程得到截割頭位姿信息；工作人員通過(guò)設(shè)置巷道信息、掘進(jìn)機(jī)信息和截割工藝，幫助DSP控制器規(guī)劃截割路經(jīng)；DSP控制器根據(jù)截割路徑和軌跡自動(dòng)計(jì)算控制量，通過(guò)輸出不同大小的電流從而改變電液比例閥的開(kāi)度；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)訪問(wèn)計(jì)算器數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重構(gòu)巷道環(huán)境和掘進(jìn)機(jī)工況，除了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，控制人員還可以通過(guò)修改數(shù)據(jù)庫(kù)的方式對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字量采集電路設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和測(cè)距數(shù)據(jù)輸出格式為數(shù)字量，捷聯(lián)慣導(dǎo)傳感器和激光測(cè)距傳感器均采用RS485進(jìn)行串口通信，其特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)多傳感器輪詢且通信速率高。該電路采用DSP內(nèi)部集成的SCIB模塊與MAX485芯片進(jìn)行串行通信，最高通信速率可達(dá)10 Mb/s，數(shù)字量采集電路如圖2所示。

圖2 數(shù)字量采集電路

2.2 模擬量采集電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求，所需模擬量采集通道16路，包括回轉(zhuǎn)臺(tái)油缸、抬升油缸、伸縮油缸、左右液壓馬達(dá)的油壓、流量和位移等。本文所選擇的DSP2812控制芯片內(nèi)部集成了16通道12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。工業(yè)傳感器的輸出信號(hào)一般有0 V～10 V電壓和4 mA～20 mA電流，考慮到電壓信號(hào)容易受到外界信號(hào)干擾，所以采用電流型傳感器。將傳感器輸出的電流信號(hào)進(jìn)行光電隔離、電流電壓轉(zhuǎn)換，本文采用的電流電壓轉(zhuǎn)換芯片為RCV420，得到0 V～3 V的電壓信號(hào)后，才能由DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采集。

2.3 控制量輸出電路設(shè)計(jì)

電液比例閥的開(kāi)度需要控制量輸出電路進(jìn)行控制，電液比例閥的控制量有電壓控制和電流控制兩種，考慮到電流信號(hào)的抗干擾能力較電壓信號(hào)強(qiáng)，本文采用電流信號(hào)作為控制量。選用的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為DAC0832，能夠?qū)PIOA的8位數(shù)字量變成相對(duì)應(yīng)的模擬量，電液閥所需的控制電流信號(hào)為4 mA～20 mA。掘進(jìn)機(jī)截割部的3個(gè)電液比例控制閥一共需要6路模擬控制信號(hào)，采用數(shù)據(jù)端口共用方案，采用片選芯片SN7442AN對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行片選，能夠完成各控制量輸出控制。

2.4 通信電路設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的巷道信息和掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)信息需要轉(zhuǎn)換為DSP方便接收的格式，DSP據(jù)此執(zhí)行相關(guān)的算法，如果計(jì)算機(jī)需要查詢掘進(jìn)機(jī)的工況信息，則向DSP發(fā)出查詢指令，DSP收到查詢指令后向計(jì)算機(jī)發(fā)送特定格式的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)通過(guò)通信協(xié)議進(jìn)行解碼、存儲(chǔ)和顯示。以上通信過(guò)程均能夠通過(guò)串行數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)，具體的設(shè)計(jì)包括接口電路設(shè)計(jì)和通信協(xié)議設(shè)計(jì)，所傳輸?shù)男畔?巷道配置信息、掘進(jìn)機(jī)器人配置信息、控制指令、截割臂姿態(tài)角信息、掘進(jìn)機(jī)工況信息和報(bào)警信息等)需要設(shè)計(jì)成通信幀格式。巷道配置數(shù)據(jù)格式如表1所示，RS232接口電路原理圖如圖3所示。

表1 巷道配置數(shù)據(jù)格式

圖3 RS232接口電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 DSP/BIOS操作系統(tǒng)

TMS320系列的DSP具有一個(gè)專用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS，在這個(gè)操作系統(tǒng)中，不同任務(wù)、線程和中斷的管理都是通過(guò)調(diào)用底層函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)搶占式的運(yùn)行機(jī)制，不同功能的程序模塊根據(jù)控制要求和執(zhí)行時(shí)間配置在優(yōu)先級(jí)不同的線程內(nèi)。

掘進(jìn)機(jī)器人截割機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的DSP軟件流程如圖4所示。主程序開(kāi)始后，依次進(jìn)行DSP初始化、外設(shè)初始化、變量初始化，初始化完成后啟動(dòng)操作系統(tǒng)BIOS，進(jìn)入空閑線程IDL_LOOP，通過(guò)定時(shí)器內(nèi)的中斷程序?qū)崿F(xiàn)傳感器定時(shí)查詢；通過(guò)軟件中斷對(duì)各類傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)工況解析，掘進(jìn)機(jī)機(jī)載計(jì)算機(jī)和控制器DSP之間的數(shù)據(jù)交互通過(guò)通信程序?qū)崿F(xiàn)，這些數(shù)據(jù)包括巷道信息、掘進(jìn)機(jī)電機(jī)信息和參數(shù)等，截割頭軌跡計(jì)算和截割頭路徑規(guī)劃在任務(wù)(TSK)中完成，任務(wù)中生成的控制命令輸出相應(yīng)的控制量，完成對(duì)截割臂的實(shí)時(shí)控制。

圖4 基于DSP/BIOS系統(tǒng)的軟件流程

3.2 子程序設(shè)計(jì)流程

數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效是保障控制性能的基礎(chǔ)，因此模擬量和數(shù)字量采集程序應(yīng)放在優(yōu)先級(jí)最高的中斷中，硬中斷中執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，采集到數(shù)據(jù)后進(jìn)入軟中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。對(duì)于運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、所需工況參數(shù)多的運(yùn)動(dòng)軌跡程序，放在任務(wù)線程中執(zhí)行。

模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷子程序通過(guò)事件管理器EVA的定時(shí)器T1啟動(dòng)，定時(shí)器T1的周期設(shè)置為10 ms，即系統(tǒng)每隔10 ms采集一次模擬量，ADC設(shè)置為級(jí)聯(lián)模式，當(dāng)讀取到5個(gè)數(shù)據(jù)后進(jìn)行一次平均值濾波處理，以減小各類干擾帶來(lái)的影響。求取真實(shí)值指的是對(duì)模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字量的電流電壓轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)引入的系數(shù)進(jìn)行處理，模擬量采集程序流程如圖5所示。

圖5 模擬量采集程序流程圖

數(shù)字量的采集也是通過(guò)系統(tǒng)定時(shí)器T1觸發(fā)SCIA發(fā)送，接收到傳感器的命令后，SCIB采用響應(yīng)硬中斷的形式，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和字頭，調(diào)用與之相對(duì)應(yīng)的解析函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)后存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器中，數(shù)字量采集程序流程如圖6所示。

圖6 數(shù)字量采集程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

掘進(jìn)機(jī)器人截割機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)截割臂姿態(tài)的精確測(cè)量，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和跟蹤掘進(jìn)路徑。掘進(jìn)機(jī)控制工作可以逐步由現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移至井下控制室，甚至未來(lái)可以轉(zhuǎn)移至地面等安全區(qū)域，提高了綜掘工作面的自動(dòng)化水平，為煤礦實(shí)現(xiàn)少人操作甚至是無(wú)人操作奠定了基礎(chǔ)。