巷道掘进机智能化技术研究现状及展望.pdf

工矿自动化 In dust r y a n d Min eAut oma t ion Vol .45 No.10 Oct .2019 第45卷第10期 2019年10月 ♦ “ w i ♦ 文章编号1671-251X2019 10-0023-06 DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x. 2019030031 巷道掘进机智能化技术研究现状及展望 刘送永，张德义 （中国矿业大学 机电工程学院江苏 徐州221116） 扫码移动阅读 摘要基于巷道掘进机智能化的目标是结合智能感知技术与自适应作业实现巷道断面自动精确成形，从 智能感知和自适应作业2个方面阐述了巷道掘进机智能化关键技术构架，其中智能感知包括位姿感知、成形 感知、状态感知，自适应作业包括自适应纠偏、自适应截割、自适应诊断。总结了掘进机位姿检测与纠偏、巷 道断面自动成形与自适应截割、掘进机安全运行保障等技术的研究现状捷联惯导/UWB组合定位技术在 井下受限空间中具有较强的适用性，目前掘进机俯仰位姿纠偏及定向行走等均已实现，但仍存在行走控制误 差大、纠偏控制准确性差等问题；将大面积煤秆石带避开的截割方法为自适应截割提供了 一种新的思路，但 是煤秆石带位置的确定及该种方法在实践中的应用效果有待进一步研究；在故障对象确定、故障原因清晰的 情况下，常用故障诊断方法具有一定适用性，但由于掘进机故障原因复杂多样，故障间相互影响，难以进行准 确有效的故障诊断。指出研究检测精度高、干涉少、跟随适用性优的导航定位方法，实现掘进机机体位姿偏 差动态补偿、煤岩特性与最佳截割参数匹配建模及掘进机全状态监测等是巷道掘进机智能化技术突破方向 关键词掘进机智能化；智能感知；自适应作业；位姿检测纠偏；断面自动成形；自适应截割；安全运 保 ； 导/ UWB 定 中图分类号TD421. 5 文献标志码A Resea r chst a t usa n dpr ospect of in t el ig en t iza t ion t echn ol og y of r oa dhea der LIU Son g y on g , ZHANG Dey i School of Mecha t r on ic En g in eer in g , Chin a Un iv er sit y of Min in g a n d Techn ol og y , Xuzhou 221116, Chin a Abstract The g oa l of r oa dhea der in t el l ig en t iza t ion is t o r ea l ize a ut oma t ic a ccur a t e f or min g of r oa dwa y sect ion by combin in g in t elig en t per cept ion t echn ol og y a n d a da pt iv e oper a t ion ,t he k ey t echn ol og y f r a mewor k of r oa dhea der in t elig en t iza t ion wa s expl a in ed f r om t wo a spect s of in t el ig en t per cept ion a n d a da pt iv e oper a t ion . In t el l ig en t per cept ion in cl udes pose per cept ion , sha pe per cept ion a n d st a t e per cept ion , a n d a da pt iv e oper a t ion in cl udes a da pt iv e r ect if ica t ion , a da pt iv e cut t in g a n d a da pt iv e dia g n osis. Resea r ch st a t usof t echn ol og ieswer esumma r izedsucha sposedet ect ion a n dr ect if ica t ion of r oa dhea der ,a ut oma t ic f or min g of r oa dwa y sect ion a n d a da pt iv e cu tin g , a n d sa f e oper a t ion g ua r a n t ee of r oa dhea der . In er t ia l n a v ig a t ion /UWB combin ed posit ion in g t echn ol og y ha s st r on g a ppl ica bil it y in un der g r oun d con f in ed spa ce. Pit ch pose r ect if ica t ion a n d dir ect ion a l wa l k in g of r oa dhea der ha v e been r ea l ized,b ut t her e a r e st il 收稿日期收稿日期2019-03-11;修回日期修回日期2019-09-06;责任编辑责任编辑胡娴。 基金项目基金项目国家自然科学基金面上项目（51975570）。 作者简介作者简介刘送永（1981 ）男，河北石家庄人，教授，博士，博士研究生导师％主要研究方向为矿山智能采掘技术与装备,E-ma illSy cumt 163. com。通信作者张德义（1989 ）,男，江苏徐州人，博士研究生，主要研究方向为智能高效采掘装备与技术,E-ma il dey il 108 126. com。 引用格式引用格式刘送永，张德义巷道掘进机智能化技术研究现状及展望工矿自动化2019,45（10）23-28. LIU Son g y on g, ZHANG Dey i. Resea r ch st a t us a n d pr ospect of in t el l ig en t iza t ion t echn ol og y of r oa dhea der [J In dust r y a n d Min e Aut oma t ion 201945（10）23-288 ・24・ 工矿自动化 45 pr obl ems such a s l a r g e con t r ol er r or a n d poor a ccur a cy of r ect if ica t ion con t r ol . The cut t in g met hod of a v oidin g l a r g e-a r ea coa l g a n g ue bel t pr ov ides a n ew idea f or a da pt iv e cut t in g , but posit ion det er min a t ion of coa l g a n g ue b l a n d a ppl ica t ion ef f ect of t he met hod in pr a ct ice n eed f ur t her st udy . Common f a ul t dia g n osis met hod ha s cer t a in a ppl ica bil it y in t he ca se t ha t f a ul t object is det er min ed a n d f a ul t ca use is cl ea r , howev er , due t o t he compl exit y a n d v a r iet y of t he f a ul t s of r oa dhea der , a n d t he f a ul t s in t er a ct wit h ea ch ot her , it is dif f icul t t o per f or m a ccur a t e a n d ef f ect iv e f a ul t dia g n osis. In t el l ig en t t echn ol og y br ea k t hr oug h dir ect ion of r oa dhea der is poin t ed out r esea r ch on n a v ig a t ion a n d posit ion in g met hod wit h hig h det ect ion pr ecision , l ess in t er f er en ce a n d excel l en t a ppl ica bil it y , r ea l izin g of dy n a mic compen sa t ion of pose dev ia t ion of r oa dhea der , ma t chin g model of coa l r ock pr oper t ies a n d t he best cut t in g pa r a met er s, a n d st a t e mon it or in g of r oa dhea der . Key words r oa dhea der in t el l ig en t iza t ion; in t el l ig en t per cept ion; a da pt iv e oper a t ion; pose det ect ion a n d r ect if ica t ion; a ut oma t ic f or min g of r oa dwa y sect ion; a da pt iv e cut t in g; sa f et y oper a t ion; in er t ia l n a v ig a t ion /UWBcombin edpoit ion in g 0引言引言 掘进作业是煤炭开采中最重要、最危险的前端 生产环节之一。随着煤炭开采深度和巷道掘进量越 来越大，掘进工作面冒顶、突水、瓦斯爆炸等灾害现 象也越来越严重。同时，掘进巷道恶劣环境（高温、 高湿、高噪声及高浓度粉尘）极大地威胁着井下工人 的身体健康。解决这些问题的有效途径是推动巷道 掘进自动化与智能化，这也是煤炭行业转型升级的 必然选择中国制造2025-能源装备实施方 案和煤炭工业发展“十三五”规划均把巷道高效 快速掘进列为重点发展目标。 巷道掘进机作为综掘工作面机械化掘进的关键 设备,承担煤岩截割、装载、转运等重要任务,其技术 及装备水平直接关系到煤矿巷道掘进的效率和安 全。目前巷道掘进机自动化与智能化程度仍然偏 低，导致采掘比失衡，严重影响了煤炭开采效率⑷。 研究掘进机位姿检测与纠偏、自适应截割等理论及 技术,对提升巷道掘进智能化水平具有重大意义。 1巷道掘进机智能化关键技术构架巷道掘进机智能化关键技术构架 巷道掘进机主要作业内容包括前向掘进、摆动 截割、后退收煤等，整个过程涉及前行一纠偏一 掏槽一定位一截割一刷帮一扫底一收煤等环节。巷 道掘进机智能化的目标是结合智能感知技术与自适 应作业实现巷道断面自动精确成形，其技术构架如 图1所示。智能感知包括位姿感知、成形感知、状态 知 ， 适 作 业 包 括 适 、 适 、 适应诊断,5- o 位姿感知是巷道掘进机智能化的关键，包含机 体位姿全参数智能感知、动态载荷下机体位姿响应 规律及位姿纠偏。在机体位姿全参数智能感知方 ， 研究 定 位 ， 过 导 位 差及测量误差的补偿与修正，实现位姿全参数精确 掘进机机体位姿 全参数智能感知 动态载荷下机体 位姿响应规律 掘进机位姿 _ “检测与纠偏技术广 （自适应纠偏） 掘进机机体位姿 自主纠偏与控制 巷道断面成形误差 分析及修正 断面自动成形与 自适应截割技术- 截割/牵引耦合下 截割头自适应截割 （自适应截割） 截割头轨迹规划 及循迹跟踪控制 1 1 1 1- 掘进机全状态监测 及故障诊断 n 1 1 1 1 1 1 1 1 1 安全运行保障与 容错技术■ - 信号失效下掘进机 容错组合定位策略 （自适应诊断） 1 1 - 极端服役下掘进机 动态位姿容错控制 - 图1巷道掘进机智能化关键技术构架 Fig .1 Key t echn ol og y f r a mewor k of r oa dhea der in t elig en t iza t ion 感知。在动态位姿感知方面，建立掘进机截割过程 中位姿的动力学模型，研究截割载荷、截割臂摆角及 巷道倾角等因素对位姿变化的影响规律。在位姿纠 偏方面，针不同掘进机位姿,研究定向行走及俯仰 位姿纠偏控制方法，实现掘进机机体位姿自主纠偏 与控制。 成形感知是巷道掘进机智能化的核心，包括断 面成形误差分析及修正、截割头自适应截割及截割 头轨迹规划及循迹跟踪控制。在断面成形误差分析 及修正方面,基于激光测距技术和数字测角技术，检 测断面各特征点位置，构建巷道成形断面与标准断 面误差模型，获取断面轮廓误差及位置，实现巷道断 面成形精确检测。在自适应截割方面，建立截割系 统状态空间模型，研究截割头自适应截割控制策略， 在线调整截割运动参数，实现截割头自适应截割。 在截割头轨迹规划及循迹跟踪控制方面，以煤岩识 2019年第10期刘送永等巷道掘进机智能化技术研究现状及展望・25・ 为 为策略，进行截 规划，提出掘进机循 制与位 适 整策略％ 断 动成形。 状 知 掘进机智能 安全保障，包 含掘进机全状 及故 断、信号失 定位策略及 机制。在全状 及故 断方面％ 信息 ，对截 、 行 、 位 进 行 ， 掘 进 机 全状 。在信号失 定位策略方 ，研究导航定位技 中的影响因 素，进而探寻定位过程中 差及 失情 ，实现信号失效情 掘进机 定位。 匚 表1常用导航; Ta b l e1 Adv a n t a g esa n ddisa dv a n t a g esof 错机制方面，研究系统失稳因素，建立系统失稳风险 规则， 制方案，分析 机制 棒 性％ 掘进机的安全保障。 2巷道掘进机智能化技术研究现状巷道掘进机智能化技术研究现状 2. 1 位姿检测与纠偏技术 掘进机作业 受限空间中进行的，其定 位 技术属于 导航定位 。 信号 不同，常用定位技术包括机器视觉定位技术「I、 超声波定位技术「8切、 定位技术「10「11-、 标 定位技术［12-13-.惯性导航定位技术「⑷等，各种技 优缺点分析 1 ［技 优缺点 mon n a v ig a t ion a n dposit ion t echn ol og ies 方法优点缺点 机器视觉定位技术 能够准确判定目标位置，具有较宽的光谱响应范 围，可以长时间工作 超声波定位技术 定位系统结构简单，易于实现，巷道断面表面光 洁度较高时检测效果好 受巷道环境粉尘影响，易产生误判，精度较低 检测速度慢，易受巷道噪声影响，对巷道断面平整度 要求较高 标 定位技 目前掘进机定位检测应用最成熟的方法，测量实 好 成本高，依赖大量专业人员熟练操作测量装置，工序 复杂 定位技 定位系统可通过网路共享，传输协议成熟，易于 集成 信号易受干扰，定位精度低，难以满足巷道定位要求 惯性导航定位技术环境适应性强，可实现高速、实时、动态测量 由于巷道空间狭小，惯性导航无标定参考，惯性器件 存在定位累积误差，影响定位精度 受 及掘进机运动 影响，单一 定 位技 掘 进 机 定 位 度 掘进机位 动 。国 学者开 掘 进机 定位 技 相关研究，其中 导/ UWB（Ul t r a Wideba n d，超宽带）组合定位技术不会 产生累积误差，在受限空间中具 强的适用 「15皿。图2 导/UWB 定位原 -定位 4个移动UWB基站、4个固定 UWB基站及安 掘进机机 导组 成。 标系原点，固定掘进机后方 4 进行三维坐标标定，同时利 距 标定 机 标 ， 方程， 掘 进机机 点坐标 掘进机位姿。 掘进机位 差对断面成形质 重要影 响，在行走和 过程中一旦发生偏差， 续作 业中进行 。目前 掘进机位 研究多集 中于不 载 掘进机位姿响应、掘进机 J 位 及定向行走等方面，其中 位 差可 过 前铲板液压缸和后支撑液压缸来 ，定 向行 过 液压 来 「18如。但 掘进机行走位 制及 方面，仍然存 行走控制误差大、纟 制准 差等 。 （里UWB固定基站 屮UWB移动基站 。定位终端 9捷联惯导 ”--、 截割臂伸獄、 位移传感器 操作界面 信号处理及控制系统 图2捷联惯导/UWB组合定位原理 Fig 2 Pr in cipl eof SINS/UWBin t eg r a t edposit ion in g 2.2 断面成形与自适应截割技术 断 状通常设计为 、梯形或半拱形, 为 保证断 状的前 工作 ，一般 三维激光扫描仪 将截割头的截割路径设计为类S形。 断面自动 成形原理如图3所示，根据掘进机机 位姿状 断 标系中的相对位姿， 规划 断 成 图 进 行 差 分 析， 进 而 规 划 轨 行走轨迹，实现断 动成形。断 c ・26・工矿自动化45 割工艺包含扫底、类S路径截割及刷帮。其中，扫底 是为了便于掘进机行走及断 ％ 板煤 积而产生 差类S 保证 断 度和高度 值，将误差控制在成形质量标准范 。 图3巷道断面自动成形原理 Fig .3 Pr in cipl eof a ut oma t icf or min g of r oa dwa y ect ion 断 动成形技术研究方面，文献,1］设计 了巷道断 动截割成 动 制方法, 研制了掘进机 制 。文献,2］开发了 煤矿 度和质 动 〕 规划 。 适 研究方面，为了实时 整 保证截割载荷的平 ，基于人工 神经网络 动 制、基于PID神经元 网络 适 制等方 沆。 于 断 煤肝石等， 过程中会产生 载荷突变，对于 积煤肝石 断面，可以 过改 度 度来 适割， 而对于含大面积煤肝石 断面，则应避开煤肝 石带， 煤岩「26］。 种将大面积煤肝石带 避开 方法为自适 供了一种新 1 路，但是煤肝石带位置 定及该种方法在实践中 果有待进一步研究。 2. 3 安全运行保障技术 掘进机安全运行保障技术包含远程监测与故障 诊断两方面。在掘进机远程 技术方面，王苏或 等,7］设计掘进机远程 掘进机掘 进过程定向、定位和定 视 程控制及掘进 机运行状 ，具 程故 I 断和报警等功能， 果良好。在掘进机故 I 断技术方面，实现方法包括声发射法,8］、主成分分 析法,9］、神经网络法［30-31］、故 ,2］等，表2 , 不同故 断方 原理及适 。 方法 针对掘进机单一部件和机构故 好 断效 果，在故 定、故障原 情 具有一 定适 。但掘进机 ，各零部件之间相互 ，故障原 样，故障间相互影响，去 学 述，难以进行准 故障 诊断。 表2常用故障诊断方法原理及适用场合 Ta bl e 2 Pr in cipl es a n d a ppl ica t ion occa sion s of common f a ul t dia g n osis met hods 方法原适用场合 声发射法 在掘进机局部受到较大载荷作用的情况下，会产生摩擦 或者裂纹发生扩展运动，从而释放出能量较大的应力波 掘进机行走机构故障、截割头故障、主轴承密封故障、液 压系统压力低、液压管路发生噪声和振动故障 主成分析法 掘进机故障正交向量反映了故障变量差异，依据各变量 偏离正常状态的幅度及变量关联性，可找出异常的故障 变量 油泵电动机电流与温度、截割电动机电流与温度、液压油 温度及压力等状态参数监测 神经网络法 用已获取的特征数据和已知故障结果对构建的BP神经 网络进行训练和网络自学习，利用训练成功的BP神经 网络进行故障诊断 截割部故障，包括截割电动机故障、截割臂振动过大等 故障树法 用图形方式表示顶事件与子事件之间的逻辑关系，定性 定量分析系统可靠性涉及的各因素，寻找导致顶事件发 生的因素，从而实现故障诊断 截割系统故障，包括截割头不转、截割臂振动过大、截割 臂摆动故障等；掘进机液压系统故障，包括电液比例多路 换向阀故障、平衡阀故障、油缸故障等 3巷道掘进机智能化技术突破方向巷道掘进机智能化技术突破方向 1巷道掘进机位姿参数的自动测量与获取已 基本实现，但 机器视觉、激光标靶、惯性导航 等导航定位技术受 尘、 及安装方式 等 影响， 度仍然较低。 ，研究一种 度高、干涉少、跟随适 优的导航定位方法 掘进机智能化技术的一个重要研究方向。 2 通过导航定位技术可减小巷道掘进机初始 位姿偏差，通过 、前铲板、力支 等 ’ 初始位 。但 过程中产生的动态位姿 策略有待进一步研究。 过程中，可通过 机 掘进机机体位 差进行动 。 3 通过 动 、断 动成形等技术的 研究 ， 已 过 程中 、 转 动 整，但不 质的煤 i 2019年第10期刘送永等巷道掘进机智能化技术研究现状及展望-27 - 最佳截割参数之间匹配关系仍未建立，同时截割过 程中煤岩特性变化的智能感知尚未实现。为此，必 须加快研究掘进过程的作业感知，建立煤岩特性与 最佳截割参数匹配模型。 4巷道掘进机截割过程中需要监测的数据较 多，软件失效及软硬件交互故障是巷道掘进机控制 系统的主要故障，现有基于硬件状态的监测机制无 法实时感知系统状态。获得掘进机传感信息，构建 失效情况下的软硬件冗余切换，从而实现巷道掘进 机全状态监测，是巷道掘进机智能掘进的重要保障。 此外，掘进工艺一体化、掘进作业机器人化、掘 进过程自动灭尘等技术的发展对实现巷道智能掘进 均有重要作用。 4结语 1 掘进机智能化是一个系统性工程，融合了 自主导航与定位、位姿检测与纠偏、煤岩自适应截 割、断面自动成形、安全运行保障等技术，是无人化 巷道掘进的基础。 2 巷道掘进机智能化的关键是位姿智能感知 及协调控制，核心是自主循迹和自适应截割，而安全 容错机制是技术保障。 3 实现巷道掘进机智能化需在导航定位方 法、位姿偏差动态补偿、煤岩特性与最佳截割参数匹 配建模及全状态监测等方面予以突破。 参考文献References [1-杨仁树我国煤矿岩巷安全高效掘进技术现状与展望 [J-煤炭科学技术 2013,4191823. 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