基于激光掃描技術(shù)的露天潛孔鉆機定位系統(tǒng)

李榮興

（中鐵十九局集團礦業(yè)投資有限公司，北京 100071）

0 引言

露天潛孔鉆機具有適用性強、鉆孔深、鉆孔效率高、鉆孔直徑大等諸多優(yōu)點，在水利、交通、國防、建筑、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及礦山開采中得到普遍應(yīng)用。根據(jù)作業(yè)地點，潛孔鉆機又分為露天潛孔鉆機和井下潛孔鉆機，其中露天潛孔鉆機在露天礦山開采中扮演者十分重要的角色。鉆孔作業(yè)作為露天煤礦開采的首道工序，鉆孔質(zhì)量的好壞對于爆破、破碎、采裝等工作具有重要影響，尤其是鉆孔定位的精度和速度，對于提升露天煤礦生產(chǎn)效率意義重大，因此，有必要對露天潛孔鉆機定位系統(tǒng)進行專項探討和研究[1-4]。

以實現(xiàn)露天潛孔鉆機自動定位為目地，基于激光掃描技術(shù)和DR（Dead Reckoning，航位推算）定位，設(shè)計一套潛孔鉆機自動定位系統(tǒng)，并通過現(xiàn)場實驗驗證該系統(tǒng)的有效性和可行性，以期能為露天潛孔鉆機的高效生產(chǎn)提供借鑒[5]。

1 露天潛孔鉆機

露天潛孔鉆機主要由鉆臂、推進器、換桿器、鑿巖機、底盤、柴油發(fā)電機、駕駛室、液壓控制系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、集塵器系統(tǒng)以及主電氣系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成（圖1）。西方國家在潛孔鉆機研制方面起步較早，經(jīng)過上百年的發(fā)展，已經(jīng)推出了多種系列的潛孔鉆機，較為常見的有瑞典阿特拉斯科普柯生產(chǎn)的ROC 系列，英格蘭索的CZ 和CM 系列，日本古河的PCR 系列。國內(nèi)潛孔鉆機起步較晚，直到20 世紀(jì)70 年代我國才研制出第一臺露天潛孔鉆機，但由于我國能源、礦山、國防以及水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，也推動著國內(nèi)潛孔鉆機向集約化、規(guī)?；椭悄芑l(fā)展，當(dāng)前最常用的國產(chǎn)露天煤礦潛孔鉆機有山河智能生產(chǎn)的SWDB120 型潛孔鉆機和湖南有色重型機器公司生產(chǎn)的CS225D 型潛孔鉆機[6]。

為了提升工作性能，目前潛孔鉆機的研究主要集中在5 個方向：

（1）向一體化、小型化液壓潛孔鉆機發(fā)展。

（2）開發(fā)智能化潛孔鉆機，實現(xiàn)自動定位和鉆孔。

（3）開發(fā)與負(fù)載向適應(yīng)的功率匹配系統(tǒng)和動力推進裝置，降低能耗，提高鉆孔質(zhì)量。

（4）研發(fā)高性能閥、泵和其他液壓元件，提升其使用壽命。

（5）針對不同巖層設(shè)計和研發(fā)獨立的調(diào)頻功能，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

本文將主要針對潛孔鉆機自動定位、鉆孔進行探討。

2 激光掃描定位系統(tǒng)設(shè)計

2.1 鉆機定位方案

常用的定位方法包括GPS 定位、機器視覺定位、激光掃描定位、DR 定位以及多種傳感器融合定位等。激光掃描定位是近幾年得到大力發(fā)展的基于人工路標(biāo)的全局定位方法，具有無累計誤差、抗干擾能力強、定位精度高等特點，但由于露天煤礦野外作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，存在激光被遮擋的情況，可能會導(dǎo)致激光掃描系統(tǒng)無法正常工作，因此，在激光掃描技術(shù)基礎(chǔ)上，再結(jié)合DR定位進行過渡，即采用多傳感器組合定位的方式對潛孔鉆機的定位系統(tǒng)進行設(shè)計，鉆機定位方案總體框架見圖2。

圖2 鉆機定位方案總體框架

2.2 激光定位系統(tǒng)

激光定位系統(tǒng)是整個鉆機定位系統(tǒng)最主要的結(jié)構(gòu)，主要由激光測距儀、自動云臺、數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊以及定位計算模塊等四大核心部件構(gòu)成。激光掃描系統(tǒng)定位原理：在鉆孔區(qū)域內(nèi)事先設(shè)置人工標(biāo)桿，然后使?jié)摽足@機沿著工作區(qū)域邊界行走一遍，通過激光掃描系統(tǒng)記錄工作區(qū)域邊界和標(biāo)桿的相對位置，當(dāng)進行鉆孔定位時，只需要確定潛孔鉆機與人工標(biāo)桿的相對位置就可以得到鉆孔的實際位置（坐標(biāo)），從而實現(xiàn)精準(zhǔn)定位鉆孔。工作原理：當(dāng)自動云臺帶動激光測距儀掃描到路標(biāo)后，會生成測距信息，這些測距信息由PLC 模塊讀取后傳遞給上位機的定位計算單元，經(jīng)上位機數(shù)據(jù)處理和定位計算，可得到潛孔鉆機相對于路標(biāo)坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)和方位角，從而指揮潛孔鉆機移動，到達設(shè)定好的位置處進行鉆孔施工。激光定位系統(tǒng)工作原理見圖3。

圖3 激光定位系統(tǒng)工作原理

2.3 DR 定位系統(tǒng)

作為一種相對定位技術(shù)，DR 定位系統(tǒng)的誤差會隨著路程和時間的增長而逐漸累積，因此，這種方法并不適用于長時間和長距離的定位施工，僅能作為絕對定位技術(shù)的輔助技術(shù)結(jié)合使用，從而獲得更加精確的位姿估計。DR系統(tǒng)中最重要的結(jié)構(gòu)部件是里程儀，通常分為機械式、磁電式和光電式三種，由于光電式里程儀具有成本低、響應(yīng)快、分辨率高、輸出信號無滯后現(xiàn)象等特點，因此采用光電式里程儀作為DR 定位系統(tǒng)的傳感器。DR 定位系統(tǒng)工作原理：當(dāng)激光測距儀無法工作時，DR 系統(tǒng)開始啟動，里程儀測量得到潛孔鉆機的行駛距離，然后將其轉(zhuǎn)換為脈沖次數(shù)，PLC 將讀取到的數(shù)據(jù)傳送至上位機，上位機通過脈沖次數(shù)與里程刻度儀因子相乘可以計算得到車輛走過的總路程，然后通過航位推算及激光掃描失效時潛孔鉆機的位姿信息，從而計算得到當(dāng)前潛孔鉆機的位姿。

3 實驗分析

3.1 實驗設(shè)備

激光測距傳感器選用Leica DISTO A6 型，其有效測距范圍0.05～200 m，測距精度為±1.5 mm，測距儀具有無線藍牙功能，可將數(shù)據(jù)實時傳遞至計算機；角度編碼器選用DGS 型增量編碼器，分辨率為2500 P/r，測量精度為45/N°；控制器選用PCM-3370 型嵌入式主板模塊控制器，利用CAN 線與上位機連接；位移傳感器選用RS43-6 型傳感器。

3.2 實驗步驟

（1）在實驗場地設(shè)立人工標(biāo)桿。

（2）將激光掃描儀依次放置于定位位置1,2，……處，進行坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集和定位計算。

（3）將定位坐標(biāo)與理想坐標(biāo)對比，計算得到定位誤差。

（4）在鉆孔區(qū)域內(nèi)隨機選取10 個點，然后進行鉆孔施工，得到實際鉆孔坐標(biāo)與理想孔位的定位誤差。

3.3 誤差分析

實驗得到的激光測距儀的定位實驗誤差情況見圖4（圖中虛線表示場地對稱軸線）。從圖中可以看到：對稱軸線兩側(cè)的定位誤差基本呈對稱變化趨勢，越遠(yuǎn)離對稱軸，定位誤差越大，是因為定位半徑越小，定位夾角誤差對定位誤差的影響越??；左側(cè)的定位誤差略大于右側(cè)的定位半徑誤差，是由于定位夾角誤差對軸線左側(cè)的定位圓心影響較大。從全部86 個定位點誤差情況分析得出，定位誤差最大值為27 mm，處于精度規(guī)范要求的30 mm 內(nèi)，可見激光掃描定位系統(tǒng)及其定位算法具有較高的定位精度。

圖4 激光掃描定位誤差

為了進一步驗證采用激光掃描定位技術(shù)后，露天潛孔鉆機的鉆孔定位精度，在工作區(qū)域隨機選取10 個點作為鉆孔孔位，并利用搭載激光掃描系統(tǒng)的鉆機進行工作機構(gòu)定位控制，得到實際鉆孔孔位與理想鉆孔孔位的誤差（圖5）。從圖中可以看到：在10 個鉆孔孔位現(xiàn)場測試結(jié)果中，誤差最大的為3 號孔，誤差值為28 mm，最小的為2 號孔，誤差值為10 mm，10 個鉆孔的平均定位誤差為18.4 mm，定位誤差均控制在30 mm 以內(nèi)，能夠滿足露天潛孔鉆機的定位精度要求。

圖5 鉆孔定位誤差

4 結(jié)論

針對露天潛孔鉆機，設(shè)計一套基于激光掃描技術(shù)的定位系統(tǒng)，并利用DR 進行過渡定位。通過現(xiàn)場實驗，驗證了露天潛孔鉆機基于激光掃描技術(shù)定位的可行性和合理性，同時激光掃描定位誤差和鉆孔定位誤差均滿足不大于30 mm 的精度要求，表明本文提出的定位方案定位效果較好、精度較高、可在實際工程中運用。