基于虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)字孿生技術(shù)的綜采工作面直線度求解

閆澤文， 謝嘉成，3， 李素華， 沈衛(wèi)東， 王怡榮， 王學(xué)文

（1. 太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2. 煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；3. 新加坡國(guó)立大學(xué) 設(shè)計(jì)與工程學(xué)院，新加坡 119077）

0 引言

國(guó)家八部委聯(lián)合發(fā)布的《加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中明確指出，應(yīng)將新一代信息技術(shù)與煤炭行業(yè)深度融合，為煤礦智能化快速發(fā)展提質(zhì)增效。綜采工作面是煤礦智能化的核心場(chǎng)景，仍面臨著裝備連接關(guān)系復(fù)雜、全方位傳感數(shù)據(jù)獲取難度大、作業(yè)流程繁瑣、難以在先驗(yàn)信息缺失的地質(zhì)環(huán)境中整體協(xié)同推進(jìn)、透明化地質(zhì)保障技術(shù)精度不足等系列復(fù)雜技術(shù)難題亟待解決[1-4]。

直線度問(wèn)題是綜采工作面智能化建設(shè)的卡脖子問(wèn)題之一，解決該問(wèn)題的關(guān)鍵在于刮板輸送機(jī)或者液壓支架群的位姿獲取。在獲得裝備精確位姿的基礎(chǔ)上，可對(duì)綜采工作面的直線度進(jìn)行判斷，在確定的調(diào)直基準(zhǔn)下進(jìn)行調(diào)直工作。刮板輸送機(jī)位姿檢測(cè)方法包括直接在中部槽電纜槽下方安裝位姿傳感器[5]、基于光纖光柵應(yīng)變傳感器[6]的直接測(cè)量方式及基于采煤機(jī)位姿反演的間接獲取方式[7]，這些方法可較好地獲得刮板輸送機(jī)位姿信息，但由于傳感器成本及裝備結(jié)構(gòu)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)比較困難。液壓支架位姿信息獲取同樣有較大難度，激光測(cè)距傳感器[8]、架間行走機(jī)器人[9]、視覺(jué)和點(diǎn)云測(cè)量裝備[10]等為液壓支架位姿檢測(cè)提供了新的解決方案，但是在目前條件下成本較高，且在井下惡劣環(huán)境中使用存在較大限制。

近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）與數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）技術(shù)在綜采裝備領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展探索[11-12]證明了兩者不僅可以進(jìn)行培訓(xùn)教學(xué)展示，還可為復(fù)雜裝備的運(yùn)行仿真與計(jì)算提供平臺(tái)[13]。利用 VR 技術(shù)接入實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)DT 虛擬鏡像已成為研究熱點(diǎn)，對(duì)裝備的動(dòng)態(tài)配套關(guān)系、作業(yè)過(guò)程、運(yùn)行態(tài)勢(shì)和綜采工作面三維地質(zhì)模型等精準(zhǔn)呈現(xiàn)正逐步成為工作面常規(guī)技術(shù)手段。葛世榮等[14]提出了DT 智采工作面的技術(shù)架構(gòu)，并將其與工作面自主截割等技術(shù)相融相通，指出VR 技術(shù)是DT 技術(shù)應(yīng)用的底層關(guān)鍵技術(shù)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)兩者的應(yīng)用提供了頂層方案指導(dǎo)。毛善君等[15]提出了透明化礦山的概念、核心內(nèi)容及構(gòu)建透明化礦山需要遵循的5 個(gè)原則，為礦山的透明化遠(yuǎn)程管控提供了參考。任懷偉等[10]給出了智能開(kāi)采“環(huán)境裝備?仿真模擬?反向控制”運(yùn)行體系下的智能決策過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)工作面裝備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反向控制。張旭輝等[16]實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面物理空間與掘進(jìn)信息虛擬空間的深度融合與交互，驗(yàn)證了DT 技術(shù)的應(yīng)用可以解決工作面復(fù)雜問(wèn)題。

筆者所在團(tuán)隊(duì)致力于VR 與DT 技術(shù)在綜采工作面煤機(jī)裝備智能化發(fā)展中的應(yīng)用研究，已對(duì)綜采工作面煤層與裝備耦合模型[17]、虛實(shí)交互通道[18]、裝備位姿監(jiān)測(cè)[19]、分布式協(xié)同運(yùn)行[20]、人機(jī)交互[21]、智能預(yù)測(cè)和反向控制[22]等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了全面研究，建立了集仿真、感知、預(yù)測(cè)、決策與控制為一體的復(fù)雜綜采工作面DT 系統(tǒng)。本文在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用VR 與DT 技術(shù)求解綜采工作面直線度問(wèn)題，以期為綜采工作面直線度問(wèn)題提供新的解決方案。

1 綜采工作面直線度求解框架

基于VR 與DT 技術(shù)的綜采工作面直線度求解主要分為機(jī)理解析、模型構(gòu)建、融合推演、重構(gòu)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)控制5 個(gè)步驟，如圖1 所示。根據(jù)物理場(chǎng)景中真實(shí)的地質(zhì)模型與裝備建立對(duì)應(yīng)虛擬場(chǎng)景，建立集雷達(dá)、傾角傳感器等于一體的DT 系統(tǒng)；根據(jù)實(shí)時(shí)獲得的傳感數(shù)據(jù)及虛擬場(chǎng)景中得到的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行融合推演，實(shí)現(xiàn)虛擬監(jiān)測(cè)；在虛擬場(chǎng)景中對(duì)保證直線度所需的推移行程進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將其反饋至物理場(chǎng)景中進(jìn)行直線度控制。

圖1 基于VR 與DT 技術(shù)的綜采工作面直線度求解框架Fig. 1 A framework for solving the straightness of fully mechanized working face based on VR and DT technology

1） 機(jī)理解析：依據(jù)物理綜采工作面裝備的運(yùn)行機(jī)理，對(duì)裝備結(jié)構(gòu)視情簡(jiǎn)化，進(jìn)一步對(duì)其運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行分析。綜采工作面“三機(jī)”運(yùn)行過(guò)程中，綜采支運(yùn)裝備相對(duì)位置關(guān)系分析的關(guān)鍵在于連接液壓支架底座與刮板輸送機(jī)的浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)，本文根據(jù)浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性將其簡(jiǎn)化為機(jī)器人模型[23]，進(jìn)行正逆向運(yùn)動(dòng)解析。

2） 模型構(gòu)建：以理論分析結(jié)果為基礎(chǔ)構(gòu)建虛擬應(yīng)用模型，進(jìn)而描述實(shí)際運(yùn)行過(guò)程。本文通過(guò)對(duì)浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)機(jī)器人模型正向解析，依據(jù)真實(shí)的煤層環(huán)境[24]，在Unity3D 中建立基于關(guān)節(jié)的綜采支運(yùn)裝備運(yùn)動(dòng)仿真模型，構(gòu)建VR 場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射。

3） 融合推演：在VR 技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，原始獲得的傳感數(shù)據(jù)往往不能滿足解決復(fù)雜問(wèn)題的需求，需要加入非接觸式的視覺(jué)傳感器來(lái)增強(qiáng)信息，提供更高精度的虛實(shí)映射數(shù)據(jù)。本文加入非接觸式傳感器，利用浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)機(jī)器人模型正向解析，實(shí)現(xiàn)綜采支運(yùn)裝備位姿檢測(cè)。

4） 重構(gòu)監(jiān)測(cè)：在完成虛擬仿真系統(tǒng)搭建后，利用虛實(shí)交互技術(shù)，聯(lián)合真實(shí)的物理場(chǎng)景構(gòu)建DT 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采工作面的虛擬監(jiān)測(cè)。本文通過(guò)構(gòu)建綜采支運(yùn)裝備DT 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣機(jī)系統(tǒng)的虛擬監(jiān)測(cè)。

5） 預(yù)測(cè)控制：根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及推演結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)綜采裝備的控制，解決實(shí)際問(wèn)題。本文通過(guò)虛擬推演預(yù)測(cè)推溜移架過(guò)程中刮板輸送機(jī)的推移量，指導(dǎo)綜采裝備的調(diào)直，解決直線度問(wèn)題。

2 綜采工作面直線度求解方法

2.1 機(jī)理解析

2.1.1 浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)化

浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)由推移油缸、推移桿和連接頭等部件組成，如圖2（a）所示。每個(gè)部件又含有多個(gè)自由度，其姿態(tài)受到多個(gè)因素影響。首先應(yīng)考慮在推溜移架時(shí)連接頭在銷耳間隙的不同狀態(tài)，為了便于研究，將其簡(jiǎn)化為推溜點(diǎn)和移架點(diǎn)2 個(gè)狀態(tài)，如圖2（b）所示。其次是忽略其他運(yùn)動(dòng)部件的間隙量，對(duì)浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，便于虛擬場(chǎng)景的搭建。在液壓支架推溜移架的過(guò)程中，將浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為機(jī)器人模型進(jìn)行研究，能夠準(zhǔn)確表達(dá)其各關(guān)節(jié)在空間中的運(yùn)動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)各部件的定量分析，如圖2（c）所示。

圖2 浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化Fig. 2 Simplification of floating connection mechanism

在分析浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的機(jī)器人模型時(shí)，首先要建立D?H 坐標(biāo)系，以區(qū)分不同關(guān)節(jié)的自由度。將液壓支架的底座作為初始基準(zhǔn)，連接頭與刮板輸送機(jī)的連接銷軸作為機(jī)械手的末端關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的正逆向解析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)與液壓支架底座相對(duì)位姿的分析，為編輯Unity3D底層腳本與物理仿真提供參考。

2.1.2 浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)正逆向運(yùn)動(dòng)解析

根據(jù)活塞桿的伸長(zhǎng)量、各部件隨連接銷軸的偏轉(zhuǎn)角建立各關(guān)節(jié)的變換矩陣，再根據(jù)各部件的變換矩陣建立浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)綜合變換矩陣，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采支運(yùn)裝備相對(duì)位姿的定量分析。 但是，由于浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，在井下難以對(duì)其各部件實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，所以需要對(duì)轉(zhuǎn)換得到的機(jī)器人模型進(jìn)行逆向解析，確定關(guān)節(jié)變量。

浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)機(jī)器人模型正逆向運(yùn)動(dòng)解析的實(shí)現(xiàn)，為虛擬仿真過(guò)程中基于物理的浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的搭建提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，針對(duì)浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)在井下移動(dòng)隨機(jī)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，可以基于Unity3D 的物理仿真引擎來(lái)驗(yàn)證逆解過(guò)程中的最優(yōu)解。

2.2 模型構(gòu)建

實(shí)現(xiàn)虛擬仿真系統(tǒng)與實(shí)際開(kāi)采過(guò)程深度結(jié)合、建立物理綜采工作面高度映射的關(guān)鍵在于以下方面：首先需要建立仿真度較高的虛擬系統(tǒng)，在虛擬系統(tǒng)中，虛擬綜采支運(yùn)裝備除了要符合真實(shí)裝備的外形尺寸及各裝備之間的配合關(guān)系外，還要融合浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，使仿真達(dá)到“形似”且“內(nèi)在機(jī)理”與真實(shí)情況一致的水平。

2.2.1 虛擬裝備及煤層3D 模型構(gòu)建

在虛擬仿真系統(tǒng)中，煤層作為支撐整個(gè)仿真模型的運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)，其精度決定了DT 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)真實(shí)綜采工作面地質(zhì)探測(cè)數(shù)據(jù)，建立精度較高的初始煤層，在虛擬綜采工作面裝備運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)采煤機(jī)的截割軌跡，應(yīng)用插值算法對(duì)截割底板進(jìn)行平滑處理，對(duì)初始煤層模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，保證虛擬裝備的正常運(yùn)行。對(duì)于綜采支運(yùn)裝備的仿真，通過(guò)CAD，UG 等軟件保證虛擬模型與實(shí)際工作面裝備的結(jié)構(gòu)和尺寸一致。

2.2.2 虛擬應(yīng)用模型構(gòu)建

建立反映液壓支架、浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)與刮板輸送機(jī)之間關(guān)系的裝備模型（圖3（a）），基于浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)機(jī)器人模型，在各部件間添加對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)類型（圖3（b）），并依據(jù)真實(shí)場(chǎng)景，限制各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍，保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程能夠模擬真實(shí)的物理狀態(tài)。最后，利用C#編輯底層腳本，通過(guò)對(duì)推移油缸添加力來(lái)實(shí)現(xiàn)推溜和移架過(guò)程，使模型運(yùn)動(dòng)更加符合實(shí)際情況（圖3（c））。

圖3 虛擬應(yīng)用模型構(gòu)建Fig. 3 Construction of virtual application model

2.3 融合推演

2.3.1 非接觸式視覺(jué)傳感器技術(shù)

由于浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)需求解的未知參數(shù)較多，通過(guò)液壓支架底座傾角傳感器、推移行程傳感器及采煤機(jī)反演獲取刮板輸送機(jī)的位姿?？梢敕墙佑|式的視覺(jué)傳感器（如雷達(dá)和深度相機(jī)等）來(lái)獲取裝備之間的相對(duì)信息。將雷達(dá)安裝在液壓支架的電液控制器上，通過(guò)雷達(dá)點(diǎn)云圖分析刮板輸送機(jī)與液壓支架底座間的相對(duì)位置關(guān)系。液壓支架底座的姿態(tài)數(shù)據(jù)依靠液壓支架傾角傳感器與推移機(jī)構(gòu)的行程傳感器獲得，刮板輸送機(jī)位姿數(shù)據(jù)通過(guò)推移前采煤機(jī)反演得到。利用Matlab 仿真及浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)解析，實(shí)現(xiàn)對(duì)浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)姿態(tài)的初步求解。

2.3.2 虛擬傳感器技術(shù)

通過(guò)物理空間中的雷達(dá)實(shí)現(xiàn)信息增強(qiáng)后，能獲得浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的初始信息，但由于信息準(zhǔn)確度不高，仍可能出現(xiàn)無(wú)解情況。因此，本文借助DT 虛實(shí)融合的理念，在虛擬空間中構(gòu)建物理空間傳感器的數(shù)字孿生體，依靠虛擬應(yīng)用模型的高保真度，通過(guò)虛實(shí)信息融合進(jìn)一步求解浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)。

以在虛擬仿真系統(tǒng)中引入虛擬雷達(dá)為例，利用RaycastHit 組件實(shí)現(xiàn)虛擬雷達(dá)的激光射線，通過(guò)碰撞監(jiān)測(cè)獲得與物理雷達(dá)測(cè)量結(jié)果一致的點(diǎn)云圖。

2.3.3 虛實(shí)融合技術(shù)

通過(guò)對(duì)比及融合物理場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景中采集的數(shù)據(jù)及點(diǎn)云圖，結(jié)合浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)解析，在Matlab 中求解綜采支運(yùn)裝備的相對(duì)位姿。為了模擬真實(shí)綜采工作面信息采集環(huán)境，可以通過(guò)腳本為傳感器加上噪聲。同時(shí)，對(duì)Matlab 與Unity3D 進(jìn)行雙向耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)推移行程的準(zhǔn)確計(jì)算，用于控制綜采工作面直線度。

2.4 重構(gòu)監(jiān)測(cè)

針對(duì)綜采支運(yùn)裝備位姿檢測(cè)及調(diào)直問(wèn)題，搭建綜采支運(yùn)裝備的DT 系統(tǒng)，如圖4 所示，具體包括物理樣機(jī)系統(tǒng)、虛擬仿真系統(tǒng)及DT 檢測(cè)系統(tǒng)。

圖4 DT 系統(tǒng)Fig. 4 Digital twin system

2.4.1 物理樣機(jī)系統(tǒng)

由于井下條件復(fù)雜，為了更好地模擬井下條件，根據(jù)綜采工作面裝備的協(xié)同運(yùn)動(dòng)關(guān)系，按照一定比例搭建物理樣機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)綜采工作面的運(yùn)行模擬。搭建綜采工作面樣機(jī)，對(duì)綜采支運(yùn)裝備調(diào)直過(guò)程進(jìn)行模擬，可以有效提高分析效率，為綜采工作面的直線度控制提供建設(shè)性意見(jiàn)。

為了保證虛實(shí)映射的準(zhǔn)確度，要根據(jù)煤層的初始探測(cè)信息，按照同樣的比例搭建樣機(jī)煤層實(shí)驗(yàn)臺(tái)，與虛擬環(huán)境中煤層形成映射，煤層的準(zhǔn)確度直接影響虛實(shí)場(chǎng)景映射程度?；谡鎸?shí)液壓支架底座的浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)模型，搭建樣機(jī)推移模型，保證虛擬場(chǎng)景中的關(guān)節(jié)組件與樣機(jī)場(chǎng)景中的結(jié)構(gòu)能夠一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)場(chǎng)景運(yùn)行過(guò)程的高度一致性。同時(shí)，可以模擬綜采工作面調(diào)直過(guò)程易出現(xiàn)的各種問(wèn)題，利用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行調(diào)直預(yù)演。

2.4.2 虛擬仿真系統(tǒng)

虛擬仿真系統(tǒng)不僅可以反映真實(shí)的綜采工作面，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與虛擬推演功能，在得到物理樣機(jī)系統(tǒng)的綜采支運(yùn)裝備位姿數(shù)據(jù)后，在虛擬仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)煤層與裝備運(yùn)行狀態(tài)重構(gòu)。根據(jù)重構(gòu)得到的裝備位姿，利用虛擬數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析直線度，控制虛擬綜采支運(yùn)裝備推進(jìn)，完成推演，再對(duì)其直線度進(jìn)行評(píng)估。將數(shù)次推演結(jié)果傳輸至DT 系統(tǒng)中分析。

2.4.3 DT 檢測(cè)系統(tǒng)

DT 檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)物理樣機(jī)系統(tǒng)和虛擬仿真系統(tǒng)中綜采支運(yùn)裝備的位姿數(shù)據(jù)、虛擬綜采工作面的虛擬推演數(shù)據(jù)、煤層更新數(shù)據(jù)、裝備直線度等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，驅(qū)動(dòng)物理樣機(jī)系統(tǒng)和虛擬仿真系統(tǒng)迭代運(yùn)行及虛擬檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)更新，將綜采支運(yùn)裝備的直線度檢測(cè)方法及調(diào)直程序編入數(shù)據(jù)系統(tǒng)底層，根據(jù)虛擬仿真系統(tǒng)推演得到的最優(yōu)方案控制樣機(jī)系統(tǒng)推移，從而實(shí)現(xiàn)直線度檢測(cè)，解決運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的直線度問(wèn)題。

2.5 預(yù)測(cè)控制

2.5.1 調(diào)直原理

采用以刮板輸送機(jī)為基準(zhǔn)的綜采工作面調(diào)直方法，即在保證刮板輸送機(jī)直線度的前提下，對(duì)液壓支架群的直線度進(jìn)行調(diào)整。這樣不僅可避免部分誤差累計(jì)，還可保證調(diào)直過(guò)程的方向性。液壓支架和刮板輸送機(jī)的調(diào)直重點(diǎn)在于浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的推移量控制。首先，獲取重構(gòu)的綜采支運(yùn)裝備的狀態(tài)，根據(jù)其直線度誤差確定推移量，根據(jù)采煤機(jī)截割軌跡對(duì)底板進(jìn)行修正，控制浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)完成刮板輸送機(jī)的虛擬推演，液壓支架按照獲得的推移量進(jìn)行刮板輸送機(jī)直線度調(diào)整；其次，對(duì)液壓支架群進(jìn)行直線度分析，通過(guò)精準(zhǔn)控制推移量，實(shí)現(xiàn)液壓支架群直線度控制，使虛擬場(chǎng)景中綜采工作面的直線度符合要求。

2.5.2 調(diào)直架構(gòu)

基于DT 系統(tǒng)的綜采工作面調(diào)直架構(gòu)如圖5 所示。首先基于采煤機(jī)和傳感器數(shù)據(jù)獲得刮板輸送機(jī)和液壓支架的位姿信息，作為先驗(yàn)信息實(shí)現(xiàn)綜采支運(yùn)裝備的虛擬重構(gòu)，在虛擬仿真系統(tǒng)中完成直線度檢測(cè)，解析出初始刮板輸送機(jī)調(diào)直及后續(xù)液壓支架群調(diào)直各自所需要的推移量。在虛擬推演過(guò)程中，根據(jù)DT 系統(tǒng)實(shí)時(shí)解算結(jié)果，結(jié)合非接觸式傳感器和煤層的實(shí)時(shí)修正信息，在虛擬場(chǎng)景中對(duì)推移量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。經(jīng)過(guò)推演后確定最優(yōu)推移方案，指導(dǎo)真實(shí)場(chǎng)景中的推溜移架。

圖5 基于DT 系統(tǒng)的綜采工作面調(diào)直架構(gòu)Fig. 5 Straightening architecture for fully mechanized working face based on DT system

在下一刀采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)綜采支運(yùn)裝備位姿信息對(duì)虛擬重構(gòu)場(chǎng)景中的綜采支運(yùn)裝備進(jìn)行修正，以避免出現(xiàn)累計(jì)誤差。

3 結(jié)論

1） 提出融合VR 與DT 技術(shù)解決綜采工作面直線度問(wèn)題，搭建了綜采工作面直線度求解框架，主要分為機(jī)理解析、模型構(gòu)建、融合推演、重構(gòu)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)控制5 個(gè)步驟。

2） 指出綜采支運(yùn)裝備相對(duì)位置關(guān)系分析的關(guān)鍵在于連接液壓支架底座與刮板輸送機(jī)的浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)，將浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)作為關(guān)鍵部件進(jìn)行簡(jiǎn)化、建模和正逆向運(yùn)動(dòng)解析，構(gòu)建VR 場(chǎng)景，結(jié)合非接觸式視覺(jué)傳感器、虛擬傳感器、虛實(shí)融合等技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景中的位姿重構(gòu)，通過(guò)搭建綜采支運(yùn)裝備的DT 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)控制。

3） VR 與DT 技術(shù)的應(yīng)用能夠解決綜采工作面直線度問(wèn)題，為解決綜采工作面其他實(shí)際應(yīng)用難題提供解決思路，為煤炭行業(yè)智能化發(fā)展提供支持。本文研究仍存在部分不足，下一步研究主要集中在以下方面：① 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)論證，驗(yàn)證物理綜采工作面調(diào)直完成后的直線度與虛擬綜采工作面推演結(jié)果的一致性。② 提高虛擬綜采工作面與物理場(chǎng)景信息交互的時(shí)效性。③ 進(jìn)一步探索虛擬環(huán)境中液壓支架與刮板輸送機(jī)位姿的準(zhǔn)確求解方法。