基于视觉导航的掘锚一体机定向掘进技术研究

基于视觉导航的掘锚一体机定向掘进技术研究

高参天

陕煤集团神木红柳林矿业有限公司    陕西榆林 719000

摘要：掘锚一体机是一种掘进和锚杆支护可以平行作业的机器，随着智能矿山建设的日益推进，掘进工作面智能掘进系统需求日益明显，本文基于视觉导航系统在掘锚一体机工作面快速掘进系统的应用实践进行介绍，通过该无源导航和有源监控相结合，实现掘锚一体机自主识别自身系统的运行状态，实现自主掘进作业，技术优势明显，推广应用前景广阔。

1视觉导航系统原理分析

随着煤矿对巷道掘进速度要求越来越高，为了提高巷道的掘进速度，掘锚一体机被大力研制并逐步发展完善。矿用激光指示器固定于巷道顶部的特定位置（标靶正后方），将激光束调整到平行于设计线。激光靶安装于掘锚机侧后边，根据光斑在激光靶上的水平和垂直偏移量来计算出机器的水平和垂直偏移量和姿态角，并结合无线测距仪测得的距离计算出机器的实时里程。可实时获取掘锚机的偏差、姿态角和趋向；系统调试完成后，无需再进行任何人为测量操作；系统都采用有线通讯，稳定性好，抗干扰能力强；系统采用特殊的光斑处理技术，抗杂光能力强；系统硬件安装方便，软件操作简单易用。

实时显示掘锚机前端和尾端相对于计划线水平和垂直偏差；实时显示掘锚机的里程、趋向；实时显示掘锚机滚动角、俯仰角、方位角；历史数据查询功能，可查询不同时段的测量信息；不同用户权限管理，保证不同人群使用的数据安全性。

激光靶安装在掘锚机左、右侧板后端（避免风筒，保证测量通道），通过根据机型定制的安装支架固定，电源箱和工控机根据现场激光靶安装位置，安装到支架下方或者旁边，移动端UWB 安装到激光靶安装支架上。后端测量指示激光需要配合地测人员，将激光安装到与原来巷道指示激光平行，并且激光器光点需射入激光靶前端屏幕。前端接电只需将电源箱输入端接入 127V，需要从掘锚机供电箱接入。后端激光器以及UWB 由自带匹配电源进行供电（各备有两块电池，方便充电更换）。

2视觉导航系统功能介绍

该装置发出一束激光代表巷道的前进方向，随着巷道的延伸，指引装置不断前移。掘锚机司机一般都是根据经验，以掘进面上的激光斑点在截割面所处的位置，大概估计截割头在截割时的外周边界。这种导航方式，无法实现掘锚机的自动截割。掘进工作面还有粉尘大，掘锚机振动大，环境光线差等特点，因此视觉导航的环境适应性强，导航精度高，并且当环境湿度大时，精度下降也不大。

掘锚机上的导航系统，需要用一定的方法，定期进行自我校准，以判断自身的测量精度状态，并上传诊断结果，给出是否需要维护的信息。这样能够有效的保证使用的正确性，和导航系统输出精度，以避免出现大的偏差导致掘进面超差的情况。

掘锚机智能导航系统不仅使用无源导航系统作为导航的主要技术方案，为了配合更复杂工况下的可靠性和灵活性，需要对滚筒的高度或者截割臂的空间位置进行测量。视觉导航系统可以融合多种传感器信息，综合应用，对掘锚机进行全面的位姿测量，从而使得掘进工作可以有更多的灵活性。

3应用实践

智能矿山中很重要的一部分就是装备的智能化，而智能掘进和智能综采是矿山智慧化的重要基础之一，只有实现了单机设备的智能化，进而实现融合设备智能化的管理和协同，才能最终实现智慧矿山，掘锚机最后的发展方向是掘锚机器人。为此需要分三步实现这个目标：第一步是实现远程遥控；第二步是实现自动截割加远程监控；第三步是实现智能截割加远程监控。远程遥控的实现说明了数据通讯链路的畅通和掘锚机动作可控性的实现。自动截割的实现说明了掘锚机位姿检测的可信度和控制精度的达标。智能截割的实现意味着随着自动截割可靠运行和开采效率的提升，在掘进工艺的适应性改进前提下，掘锚机器人可以根据实际地质与环境状况，调整掘进速度兼顾安全与效率，并且正常情况下无需人为干涉。

针对突破掘锚一体机高精度导航、关键位置自主检测、远程多机协同控制等难题，公司研发了掘锚一体机－锚破运一体机－桥式皮带转载机的智能化快速掘进系统，并通过千兆网络系统、视频监控系统、组合导航系统、多机协同控制系统实现了远程多机协同和自动导航，解决了掘锚一体机整机工况参数监测、工作面视频监控、掘锚一体机关键位置自主检测、人员安全预警、机身自主定位导航、远程可视化控制等问题。

4结论

目前我们提供的智能导航系统使用测距加惯性导航系统的方案，实现截割头空间位置的检测功能，配合掘锚机的远程遥控系统，可以实现对掘锚机的远程数字化精确控制。同时公司可以根据每个掘进工作面的实际情况，进行适应性参数调整，以达到最优的截割方式，在满足开采安全性的同时，提高开采效率。

参考文献：

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