懸臂式掘進(jìn)機(jī)自主定位導(dǎo)航技術(shù)研究與試驗(yàn)

崔建勇

（山西古縣西山登?？得簶I(yè)有限公司，山西 臨汾 042400）

引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是煤礦巷道掘進(jìn)的核心采掘設(shè)備，以人工操作為主，智能化水平和掘進(jìn)效率不高。懸臂式掘進(jìn)機(jī)在煤礦井下綜掘工作面使用時(shí)面臨的困難如下[1-3]：工作面工況復(fù)雜、粉塵濃度高、照明度差，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)駕駛員視野受限，巷道成型質(zhì)量差；掘進(jìn)時(shí)存在瓦斯超限、煤巖坍塌的風(fēng)險(xiǎn)；采、掘、支動作不匹配，掘進(jìn)效率低下。因此，懸臂式掘進(jìn)機(jī)的智能化、協(xié)同化發(fā)展是煤礦綜掘工作面設(shè)備發(fā)展趨勢。懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能掘進(jìn)時(shí)，機(jī)身位姿精確測量、軌跡自主導(dǎo)航成為關(guān)鍵問題。近年來，國內(nèi)外專家基于全站儀、慣性導(dǎo)航、電子羅盤、機(jī)器視覺、iGPS 定位、空間交匯測量、超寬帶技術(shù)、激光導(dǎo)向等理論和技術(shù)對懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿進(jìn)行測量，獲取姿態(tài)角和相對位置，以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動化、精準(zhǔn)化截割。實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，使用單一位姿檢測方法難以實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿精準(zhǔn)測量，實(shí)現(xiàn)完全的智能化、無人化掘進(jìn)存在一定的差距。本文以綜掘工作面懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對象，在介紹其工作特性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究基于雙目視覺與慣導(dǎo)相結(jié)合的掘進(jìn)機(jī)定位技術(shù)，并搭建、完成位姿試驗(yàn)平臺，驗(yàn)證所研究技術(shù)方案的可行性。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)定位需求分析

以懸臂式EBZ260 型掘進(jìn)機(jī)為例，其機(jī)械部件主要由截割部、回轉(zhuǎn)部、行走部、裝載部、智能定位系統(tǒng)及機(jī)架組成。懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中，機(jī)身需左右移動，截割臂帶動截割頭按照截割軌跡進(jìn)行截割，根據(jù)要求截割拱形、矩形巷道。截割過程中，機(jī)身位置固定不變，截割完一個(gè)既定軌跡后，機(jī)身按照實(shí)際工況左右移動[4]。因此，懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)的定位需求為：斷面截割時(shí)，機(jī)身需左右移動；負(fù)載運(yùn)行時(shí)，機(jī)身位置保持不變；行走時(shí)，為履帶式行走模式，移動速度較慢，但機(jī)身姿態(tài)及導(dǎo)航角變化頻繁。

2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)定位系統(tǒng)分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自主定位導(dǎo)航控制系統(tǒng)總體方案如圖1 所示，利用雙目視覺原理精確測量掘進(jìn)機(jī)位姿，構(gòu)建捷聯(lián)慣導(dǎo)自主定位控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)自主位姿精確測量。結(jié)合煤礦井下綜掘工作面實(shí)際工況，設(shè)置雙目相機(jī)內(nèi)參數(shù)，利用雙目相機(jī)采用張正友標(biāo)定法獲取巷道內(nèi)棋盤格圖像，采用880 nm紅外LED 標(biāo)靶表征掘進(jìn)機(jī)位姿圖像特征，并進(jìn)行畸變校準(zhǔn)。對完成畸變校準(zhǔn)的圖像進(jìn)行特征提取、特征匹配，利用高斯擬合方法獲取圖像光斑中心點(diǎn)坐標(biāo)，利用三角測量方法實(shí)現(xiàn)光斑中心點(diǎn)二維坐標(biāo)到三維坐標(biāo)的映射。最后利用迭代臨近點(diǎn)方案實(shí)現(xiàn)特征圖像的精確估計(jì)，即利用雙目視覺原理完成對掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿的精確估計(jì)[5-6]。捷聯(lián)慣導(dǎo)自主定位控制系統(tǒng)與懸臂式掘進(jìn)機(jī)剛性連接，利用捷聯(lián)慣導(dǎo)的三軸陀螺儀、三軸加速計(jì)分別獲取三軸角速度和三軸先加速度并進(jìn)行誤差補(bǔ)償和位姿初值初始化。對獲取的掘進(jìn)機(jī)位姿參數(shù)進(jìn)行指令解算、姿態(tài)角計(jì)算、速度位置計(jì)算，獲取精確的掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)位置、位姿、速度、加速度等信息并與雙目視覺單元獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)、濾波，最終輸出掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)位姿狀態(tài)。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)自主定位導(dǎo)航控制系統(tǒng)總體方案

3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)自主定位試驗(yàn)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自主定位試驗(yàn)分為位姿試驗(yàn)、導(dǎo)航試驗(yàn)兩部分，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建試驗(yàn)環(huán)境，驗(yàn)證基于雙目視覺、捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)相融合的掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)定位方案的可行性和正確性，并分析位姿誤差。

3.1 位姿試驗(yàn)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿試驗(yàn)方案如圖2 所示，分為靜態(tài)試驗(yàn)、動態(tài)試驗(yàn)兩部分，分別完成試驗(yàn)平臺的搭建、特征圖像獲取、特征圖像處理、試驗(yàn)結(jié)果分析及測量誤差分析。

圖2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)自主定位導(dǎo)航控制系統(tǒng)位姿試驗(yàn)方案

3.1.1 靜態(tài)試驗(yàn)

采用的雙目相機(jī)為D1000-IR-120/Color 及其配套軟件、EBZ260 型4∶1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)模型、紅外LED 標(biāo)靶為SE347-003。試驗(yàn)時(shí)，利用雙目相機(jī)圖像處理軟件獲取紅外LED 標(biāo)靶圖像，距離范圍為1～7m，每增加1 m 獲取一次圖像，一共為7 張紅外LED 圖像，雙目相機(jī)保持靜止?fàn)顟B(tài)。記錄7 張紅外LED 圖像的俯仰角、航向角、橫滾角、深度數(shù)據(jù)，以及X 軸、Y 軸、Z 軸的誤差值并形成圖3 及圖4 關(guān)系圖。由圖3、圖4 可知，靜態(tài)測量時(shí)，測量距離為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m 及7 m 時(shí)，橫滾角、航向角、俯仰角測量誤差逐漸增加，橫滾角的最小測量誤差為0.236°，最大為2.105°；航向角的最小測量誤差為0.204°，最大為1.745°；俯仰角的最小測量誤差為0.051°，最大為1.029°。在X 軸、Y 軸、Z 軸方向上的測量誤差逐漸增加，X 軸最小測量誤差為1.665 mm，最高為73.231 mm；Y 軸最小測量誤差為1.255 mm，最高為60.510 mm；Z 軸最小測量誤差為0.150 mm，最高為15.370 mm。

圖3 姿態(tài)誤差與測量距離關(guān)系

圖4 位置誤差與測量距離關(guān)系

3.1.2 動態(tài)試驗(yàn)

采用的雙目相機(jī)為MYEYEN120 及配套軟件，其他試驗(yàn)設(shè)備與靜態(tài)試驗(yàn)相同。試驗(yàn)時(shí)，將雙目相機(jī)固定于高精度的橫向位移平臺，紅外LED 標(biāo)靶固定于相機(jī)后方2 m 處。試驗(yàn)過程中，保持紅外LED 標(biāo)靶靜止，雙目相機(jī)等間隔50 mm 移動并獲取圖像信息。記錄每一張圖像的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)并對掘進(jìn)機(jī)俯仰角、航向角、橫滾角，以及X 軸、Y 軸、Z 軸數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)上述各參數(shù)測量誤差都優(yōu)于靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，有效實(shí)現(xiàn)了對靜態(tài)試驗(yàn)累積誤差的抑制，滿足掘進(jìn)機(jī)實(shí)際工況使用要求。

3.2 導(dǎo)航試驗(yàn)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航試驗(yàn)方案如圖5 所示，分為靜態(tài)試驗(yàn)、動態(tài)試驗(yàn)兩部分，分別完成試驗(yàn)平臺的搭建、靜置、導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及試驗(yàn)結(jié)果分析。

圖5 懸臂式掘進(jìn)機(jī)自主定位導(dǎo)航控制系統(tǒng)導(dǎo)航試驗(yàn)方案

3.2.1 靜態(tài)試驗(yàn)

采用的捷聯(lián)慣導(dǎo)型號為TransducerM9 及其配套數(shù)據(jù)采集軟件，固定于水平載物臺。

試驗(yàn)時(shí)，保持捷聯(lián)慣導(dǎo)靜止，采集時(shí)間T 內(nèi)捷聯(lián)慣導(dǎo)的輸出數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。發(fā)現(xiàn)：X 軸向位移漂移值為2 m、Y 軸向位移漂移值為2.5 m、Z 軸向位移漂移值為2.1 m。掘進(jìn)機(jī)俯仰角誤差在±0.06°以內(nèi)，航向角誤差在±0.05°以內(nèi)，橫滾角誤差在±0.08°以內(nèi)。

3.2.2 動態(tài)試驗(yàn)

將捷聯(lián)慣導(dǎo)裝置固定在高精度三軸轉(zhuǎn)臺上，通過控制轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)對捷聯(lián)慣導(dǎo)裝置的動態(tài)控制并利用配套數(shù)據(jù)采集軟件采集捷聯(lián)慣導(dǎo)姿態(tài)輸出數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)，三軸轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)動角度為2°，并保持30 s。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：捷聯(lián)慣導(dǎo)航向角解算結(jié)果與實(shí)際航向角線性跟隨性較好，最大誤差為0.3°。

3.3 融合定位試驗(yàn)

將雙目相機(jī)位姿測量與捷聯(lián)慣導(dǎo)位姿測量技術(shù)進(jìn)行融合，驗(yàn)證該方案的穩(wěn)定性和測量精度。試驗(yàn)時(shí)，將雙目相機(jī)、捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)固定于懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的合適位置，按照設(shè)置雙目相機(jī)/捷聯(lián)慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)采樣頻率、機(jī)身運(yùn)動路徑規(guī)劃，按路徑移動機(jī)身、同步采集圖像和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理、試驗(yàn)結(jié)果分析、誤差分析的步驟進(jìn)行試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)：該融合定位方案抑制了掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵點(diǎn)上測量的穩(wěn)定性，未發(fā)生漂移，抑制了累計(jì)誤差，增強(qiáng)了對掘進(jìn)機(jī)俯仰角、航向角、橫滾角，以及X 軸、Y 軸、Z 軸測量數(shù)據(jù)的精確性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）由雙目相機(jī)、捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)融合方案實(shí)現(xiàn)的對懸臂式掘進(jìn)機(jī)自主定位，能夠有效抑制單一定位方案的累計(jì)誤差，抑制在X、Y、Z 軸的位移偏移。

2）提高了懸臂式掘進(jìn)機(jī)自主位姿測量精度，有效保障了懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自主行進(jìn)、自動截割及智能化、無人化的發(fā)展。