地下金屬礦鑿巖臺(tái)車自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜富瑞,張?jiān)?戰(zhàn) 凱

1.礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京 100160;2.礦冶過(guò)程自動(dòng)控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102628

金屬礦產(chǎn)資源為人類社會(huì)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)保障和能源保障,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活中扮演著不可或缺的重要角色[1]。近20年來(lái),隨著高強(qiáng)度開(kāi)采的持續(xù),已有大量的大中型露天礦轉(zhuǎn)入地下開(kāi)采。隨著越來(lái)越多新地下礦的開(kāi)發(fā),為了滿足未來(lái)礦山智能化、無(wú)人化[2-3]的發(fā)展要求,巷道開(kāi)拓掘進(jìn)技術(shù)及掘進(jìn)裝備的研究應(yīng)得到更多的重視。鑿巖臺(tái)車是地下金屬礦重要無(wú)軌采礦裝備,用于鉆爆法施工時(shí)炮孔或錨桿孔的穿孔。傳統(tǒng)的鑿巖臺(tái)車進(jìn)行作業(yè)時(shí),臺(tái)車駕駛員處于碎石迸濺、高溫潮濕的危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境下,勞動(dòng)強(qiáng)度大且存在一定的安全隱患。面對(duì)礦井惡劣工況,如何提高鑿巖臺(tái)車工作效率及安全性,是未來(lái)礦山發(fā)展需要解決的問(wèn)題。

本文以傳統(tǒng)有人駕駛鑿巖臺(tái)車為研究對(duì)象,利用自動(dòng)控制、高速通信網(wǎng)絡(luò)、井下空間三維建模等相關(guān)理論和技術(shù),構(gòu)建了鑿巖臺(tái)車遠(yuǎn)程遙控自動(dòng)控制系統(tǒng)。利用高速通信網(wǎng)絡(luò),操作員可以在地面監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鑿巖臺(tái)車工作狀態(tài),操作井下鑿巖臺(tái)車進(jìn)行鑿巖作業(yè),實(shí)現(xiàn)井下鑿巖臺(tái)車的遠(yuǎn)程“遙測(cè)、遙動(dòng)、遙控”。與傳統(tǒng)有人駕駛鑿巖臺(tái)車相比,遠(yuǎn)程遙控鑿巖臺(tái)車在鉆孔精確度、鉆孔效率、人員安全性、環(huán)保指標(biāo)等方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

1 鑿巖臺(tái)車車體結(jié)構(gòu)及工作流程

鑿巖臺(tái)車用于在地下金屬礦礦體掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中炮孔的布孔作業(yè),為了適應(yīng)井下狹窄受限空間作業(yè)環(huán)境,鑿巖臺(tái)車通常選擇鉸接式車體結(jié)構(gòu)。作為鉸接式車輛,鑿巖臺(tái)車由前后車體通過(guò)車體中間的鉸接銷軸連接組成,前車體主要由推進(jìn)梁、鑿巖機(jī)、大臂、操作臺(tái)、駕駛臺(tái)等構(gòu)成,后車體主要由液壓系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部分、供電系統(tǒng)等構(gòu)成,鑿巖臺(tái)車結(jié)構(gòu)如圖1所示。鉸接式車體結(jié)構(gòu)可以保證前車體與后車體既可以在同一水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),又可以在垂直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)改變布置在中央鉸接點(diǎn)處的液壓油缸中活塞桿形成的方式,鑿巖臺(tái)車實(shí)現(xiàn)前后車體“折腰式”相對(duì)運(yùn)動(dòng)。近年來(lái),隨著人工智能特別是智能礦山技術(shù)的發(fā)展,使得采礦無(wú)軌裝備智能化改造具備了技術(shù)基礎(chǔ)。通過(guò)加裝激光雷達(dá)、攝像機(jī)、慣導(dǎo)單元等智能感知系統(tǒng),可以使鑿巖臺(tái)車具備智能化作業(yè)功能。

1—推進(jìn)梁;2—推進(jìn)梁轉(zhuǎn)角馬達(dá);3—推進(jìn)梁翻轉(zhuǎn)馬達(dá);4—推進(jìn)梁調(diào)平臂;5—大臂;6—仰俯油缸;7—大臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu);8—操作臺(tái);9—駕駛臺(tái);10—前機(jī)架;11—中央鉸接;12—液壓系統(tǒng);13—車體定位部分;14—后機(jī)架;15—發(fā)動(dòng)機(jī);16—交流供電系統(tǒng);17—鑿巖機(jī);18—前攝像頭;19—激光雷達(dá);20—慣導(dǎo)單元;21—后攝像頭;22—轉(zhuǎn)角傳感器;23—測(cè)速傳感器。圖1 鑿巖臺(tái)車結(jié)構(gòu)

在地下金屬礦鉆爆法施工中,利用鑿巖臺(tái)車制作炮孔裝填炸藥進(jìn)行爆破作業(yè)。為了保證巖體爆破效果,需要做炮孔布孔設(shè)計(jì),如圖2所示。布孔設(shè)計(jì)是根據(jù)不同的爆破參數(shù)在巷道斷面上布置相應(yīng)的炮孔,爆破參數(shù)需要根據(jù)礦體巖石性質(zhì)及巷道工作面尺寸設(shè)定。根據(jù)功能和位置的不同,炮孔可分為周邊孔、掏槽孔和輔助孔[4-5]。周邊孔是工作面最外一圈沿巷道輪廓布置的炮孔,故又稱輪廓孔,其作用是控制巷道斷面爆破之后的輪廓,使斷面形狀和方向符合設(shè)計(jì)要求。掏槽孔的目的是在一個(gè)工作面上首先爆破出一個(gè)槽腔,合理的掏槽孔設(shè)計(jì)可以為爆破創(chuàng)造有利條件。常用的掏槽形式可分為直孔掏槽、斜孔掏槽和混合掏槽;輔助孔的作用是進(jìn)一步加大爆破量和掏槽體積,需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況和經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)設(shè)計(jì)調(diào)整。

圖2 炮孔布置

2 系統(tǒng)組成

鑿巖臺(tái)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)主要由云計(jì)算系統(tǒng)、地面遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)及車載智能控制系統(tǒng)組成,系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。云計(jì)算系統(tǒng)通過(guò)云服務(wù)器進(jìn)行臺(tái)車狀態(tài)數(shù)據(jù)管理、自動(dòng)布孔設(shè)計(jì)、鉆爆結(jié)果評(píng)估優(yōu)化及作業(yè)數(shù)據(jù)三維可視化,操作員可以通過(guò)電腦客戶端、手機(jī)客戶端登錄云服務(wù)器進(jìn)行操作,云計(jì)算系統(tǒng)可以與礦山生產(chǎn)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)接共享。地面遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)采用中心式監(jiān)控模式,主要由監(jiān)控上位機(jī)構(gòu)成,操作方式通常為一對(duì)一操作,即一臺(tái)操作裝置對(duì)應(yīng)一臺(tái)臺(tái)車;在特殊工況下,可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多切換操作。遠(yuǎn)程操作平臺(tái)采用與車載操作設(shè)備類似的操作接口,包含顯示屏幕、鍵盤鼠標(biāo)、操作手柄、功能按鈕等設(shè)備;可以展示車載攝像機(jī)圖像和車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)、布孔圖設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。地面遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)利用手柄及按鈕,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制鑿巖臺(tái)車行駛、支腿固定、臂架動(dòng)作等功能。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)用于鑿巖臺(tái)車與地面監(jiān)控平臺(tái)之間的遠(yuǎn)程通信。通信系統(tǒng)硬件主要由車載式無(wú)線通信終端、工作區(qū)域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)AP、長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)、地面監(jiān)控平臺(tái)通信終端等組成。鑿巖臺(tái)車在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍工作區(qū)域內(nèi)可以自由移動(dòng),通過(guò)車載無(wú)線通信終端接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò),使得臺(tái)車可以與監(jiān)控中心遠(yuǎn)程通信。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用高速Wi-Fi組網(wǎng),在井下臺(tái)車工作范圍內(nèi)每隔一段距離布置一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)AP,多個(gè)AP通過(guò)無(wú)線橋接連接,通過(guò)多個(gè)AP組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)用于有線連接工作區(qū)域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與地面監(jiān)控平臺(tái),以保障網(wǎng)絡(luò)通信的高速和低時(shí)延。地面監(jiān)控平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)和操作裝置分別與通信終端相連。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)軟件主要包含臺(tái)車端通信軟件、地面監(jiān)控平臺(tái)端通信軟件,以及網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)控制軟件。

機(jī)載智能控制系統(tǒng)的硬件主要由機(jī)載計(jì)算平臺(tái)、車輛專用控制器、人機(jī)交互平臺(tái)、激光雷達(dá)、油缸長(zhǎng)度傳感器、馬達(dá)角度傳感器等組成,如圖4所示。機(jī)載計(jì)算平臺(tái)主要負(fù)責(zé)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)算法的運(yùn)行,包含巷道三維模型生成、臂架位姿計(jì)算及臂架運(yùn)動(dòng)指令計(jì)算。車輛專用控制器主要負(fù)責(zé)根據(jù)計(jì)算平臺(tái)的指令和傳感器反饋控制電液比例閥,使油缸和馬達(dá)運(yùn)動(dòng)到指令要求位置,為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的執(zhí)行層。人機(jī)交互平臺(tái)主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互,主要功能包括顯示鑿巖孔位及車輛工作狀態(tài)、各種工作參數(shù)輸入、故障診斷顯示和運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄。激光雷達(dá)及各種傳感器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和位置監(jiān)控,為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的感知層。機(jī)載智能控制系統(tǒng)的軟件主要包含巷道激光雷達(dá)掃描軟件、三維模型生成軟件、臂架位姿計(jì)算軟件、臂架多關(guān)節(jié)計(jì)算軟件、油缸位置閉合控制軟件、馬達(dá)位置閉合控制軟件、人機(jī)界面軟件等,分布于系統(tǒng)各個(gè)硬件中。

圖4 車載控制系統(tǒng)

3 系統(tǒng)功能

鑿巖臺(tái)車自動(dòng)控制系統(tǒng)具有巷道三維建模、炮孔自動(dòng)布置、地面遠(yuǎn)程遙控、臂架自動(dòng)控制、底盤自動(dòng)駕駛、鉆爆結(jié)果評(píng)估、數(shù)據(jù)三維可視化及數(shù)據(jù)云服務(wù)是等功能,主要功能如下:

(1)巷道三維建模功能的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)3D激光雷達(dá)和建模軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)3D激光雷達(dá)對(duì)巷道進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描,利用掃描數(shù)據(jù)通過(guò)建模軟件來(lái)實(shí)時(shí)生成巷道三維模型。巷道三維模型的主要用途是感知巷道空間結(jié)構(gòu),為布孔設(shè)計(jì)和臂架自動(dòng)運(yùn)行提供感知數(shù)據(jù),它是鉆孔作業(yè)自動(dòng)化的基礎(chǔ),所有自動(dòng)化無(wú)人化功能都建立在巷道三維模型上,如圖5所示。

圖5 井下三維空間建模

(2)自動(dòng)布孔設(shè)計(jì)的主要目的是生成布孔圖。通過(guò)巷道三維模型,提取掌子面實(shí)體,形成掌子面圖形,在該掌子面圖形上,根據(jù)爆破模式和鉆孔策略自動(dòng)生成布孔圖。布孔圖生成后,在顯示屏上顯示處理以供操作人員檢驗(yàn)審核。在特定條件下,由于環(huán)境的復(fù)雜性和策略的多樣性,生成的孔位可能存在不合理性,操作人員可手動(dòng)更改不合理的孔位。布孔圖設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程,與工程施工經(jīng)驗(yàn)是否豐富、鉆爆數(shù)據(jù)是否充足、巖石和鉆爆模型是否合理及設(shè)計(jì)算法是否先進(jìn)等多種因素相關(guān)。自動(dòng)布孔設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 自動(dòng)布孔

(3)自動(dòng)控制的鑿巖臺(tái)車最終能否精準(zhǔn)定位,有賴于鉆臂能否精準(zhǔn)到達(dá)預(yù)定位置,而鉆臂的精準(zhǔn)到達(dá)依賴于電氣液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定、快速工作[6-7]。臂架自動(dòng)控制分為決策層和執(zhí)行層。決策層的主要目的是自主選擇目標(biāo)孔位,并根據(jù)孔位和系統(tǒng)多傳感器感知融合計(jì)算結(jié)果得到的臂架實(shí)際位置,計(jì)算臂架運(yùn)行軌跡,并根據(jù)運(yùn)行軌跡計(jì)算各臂架的目標(biāo)位置,將各目標(biāo)位置發(fā)送給執(zhí)行層。執(zhí)行層收到目標(biāo)位置后,根據(jù)實(shí)際位置反饋,通過(guò)PID閉環(huán)控制計(jì)算比例閥電流大小,控制比例閥開(kāi)口度。由于鑿巖臺(tái)車的臂架為多關(guān)節(jié)多自由度系統(tǒng),因此傳感器感知融合、臂架運(yùn)行軌跡和各臂架目標(biāo)位置計(jì)算都必須通過(guò)非常復(fù)雜的軟件算法才能實(shí)現(xiàn)。

(4)鑿巖臺(tái)車遠(yuǎn)程遙控操作是利用遠(yuǎn)程操作裝置和無(wú)線通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程操作井下鑿巖臺(tái)車。通過(guò)安裝在臺(tái)車上的多個(gè)攝像頭將視頻信號(hào)實(shí)時(shí)傳回到監(jiān)控中心并顯示在屏幕上,操作人員根據(jù)視頻圖像發(fā)出遠(yuǎn)程控制指令,鑿巖臺(tái)車根據(jù)控制指令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。井下環(huán)境多粉塵且潮濕,攝像機(jī)鏡頭容易被粉塵遮蓋擋住視線,需要攝像機(jī)旁邊增加清洗裝置。操作人員不僅要觀察攝像頭畫面,還需要觀察激光雷達(dá)實(shí)時(shí)掃描出的實(shí)時(shí)點(diǎn)云圖遠(yuǎn)程駕駛臺(tái)車行駛。當(dāng)臺(tái)車距離巷道壁太近時(shí),遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào),并在達(dá)到設(shè)定的限制值時(shí)強(qiáng)制停車。鑿巖臺(tái)車遠(yuǎn)程遙控如圖7所示。

圖7 地面遠(yuǎn)程遙控

(5)鉆爆結(jié)果評(píng)估及設(shè)計(jì)再優(yōu)化是臺(tái)車自動(dòng)控制系統(tǒng)的高級(jí)功能,具有自學(xué)習(xí)功能。通過(guò)評(píng)估及再優(yōu)化,自動(dòng)控制系統(tǒng)將對(duì)爆破后掌子面進(jìn)行分析,根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化巖石和爆破模型參數(shù),布孔設(shè)計(jì)根據(jù)優(yōu)化的參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的布孔圖,根據(jù)優(yōu)化后的布孔圖爆破后重復(fù)本過(guò)程,不斷循環(huán)迭代優(yōu)化。

(6)作業(yè)數(shù)據(jù)三維可視化是將各種實(shí)時(shí)采集的作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并三維展示。各種作業(yè)數(shù)據(jù)未經(jīng)三維可視化處理前,可讀性差。利用三維可視化技術(shù),爆破后的巷道三維模型可以直觀的呈現(xiàn)出來(lái),并且在三維模型上可以識(shí)別出爆破后效果較差的部分并突出顯示。三維可視化數(shù)據(jù)可以作為智能礦山其他系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),例如建立智能礦山巷道模型。作業(yè)數(shù)據(jù)三維可視化如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)三維可視化

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)有人駕駛鑿巖臺(tái)車,存在勞動(dòng)強(qiáng)度大及安全風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題。如何在井下惡劣工況中提高鑿巖臺(tái)車工作效率及安全性、降低勞動(dòng)強(qiáng)度,是制約井下采礦的瓶頸問(wèn)題。以傳統(tǒng)有人駕駛鑿巖臺(tái)車為研究對(duì)象,創(chuàng)建了由云計(jì)算系統(tǒng)、地面遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)及車載智能控制系統(tǒng)構(gòu)成的鑿巖臺(tái)車自動(dòng)控制系統(tǒng),系統(tǒng)具備巷道三維建模、自動(dòng)布孔、臂架自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程遙控、底盤自動(dòng)行駛、鉆爆結(jié)果評(píng)估、作業(yè)數(shù)據(jù)三維可視化等功能。使用智能化鑿巖臺(tái)車,除了具有打孔速度快、安全,能夠改善環(huán)境條件的優(yōu)點(diǎn)外,還具備鉆孔質(zhì)量好[8-10]、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低[11-12]的優(yōu)勢(shì)。礦山智能化是未來(lái)礦山發(fā)展方向,智能化鑿巖臺(tái)車是智能礦山的重要裝備支撐。