地下遥控铲运机关键技术研究

战　凯1,顾洪枢1,周俊武1,石　峰1,郭鑫1,刘　力2,冯茂林2
(1.北京矿冶研究总院,北京100044;　2.北京科技大学,北京100083)

摘要：详细分析和评述地下遥控铲运机的遥控技术和精确定位技术等相关领域的国内外研究现状、存在的问题及今后的发展趋势等,阐述在我国研发地下遥控铲运机的遥控技术和精确定位技术的必要性。通过对地下遥控铲运机的遥控技术和精确定位技术的深入研究,以数字矿山无线通信系统为平台,研究遥控铲运机的智能化实现方法,初步建立我国无人采矿设备的技术开发体系和技术平台,并可获得我国地下矿山的自动化采矿关键技术和方法,为今后实现地下矿山无人开采设备开发和建立工业应用集成系统提供技术支撑。

关键词：采矿工程;地下铲运机;无人采矿;遥控;定位

收稿日期:2008-11-19 
基金项目:国家“863”计划资助项目(2006AA06Z137) 
作者简介:战　凯(1962-),男,吉林九台市人,研究员,博士,博士生导师,主要从事车辆工程等方面的研究。

国外从20世纪70年代开始经过几十年的努力,充分利用各种先进科技技术,克服了地下远距离通信、定位与导航等难题,实现了地下采矿设备由人工直接操纵向远距离遥控发展,甚至无人操纵,实现全过程自主控制和无人开采。由于遥控和自主控制在采矿设备的使用,从而提高了采矿的生产率,降低了采矿成本,改善了采矿作业环境,特别是保证了现场作业人员的安全。

我国地下采矿设备,特别是大型采矿设备和无人采矿设备还基本处于研究阶段,成熟实用的大型采矿设备和无人采矿设备基本依赖进口,自动化、智能化、网络化等先进技术在设备上的应用研究也不多见,国产地下采矿设备与世界采矿业发达国家的差距非常大,严重影响了我国资源的高效开发和矿业技术的进步。

随着数字矿山技术的研究,数字矿山技术已成为矿业资源安全高效开发的基础,是采矿业改造与可持续发展的重要保障。数字矿山的最终表现为矿山的高度信息化、自动化、智能化与高效安全开采,以至于实现无人采矿和遥控采矿模式。数字矿山的建立,必须以大型无轨技术装备的自动化和遥控化为基础。

1.1　国外发展现状与趋势

随着地下矿开采增加,采矿条件愈来愈恶劣,对人的安全威胁也愈来愈大,遥控采矿技术应运而生。近年来世界采矿业兴旺发达,又加速采矿工业向着自动化、智能化方向发展。与露天矿相比,地下采矿要实现自动化,必须克服一系列独特的困难。露天矿可以利用全球定位卫星系统(GPS)为车辆导航,但地下无法收到GPS信号。为此,国外从20世纪70年代开始经过几十年的努力,基本克服了地下远距离通信、定位与导航等难题,实现了地下采矿设备由人工直接操纵向远距离遥控,甚至无人操纵,实现全过程自主控制,实现全过程无人采矿。遥控和自主控制在采矿设备的使用,而提高了生产率,降低了生产成本,改善了采矿作业环境,特别是保证了现场作业人员的安全。

地下铲运机遥控技术,国外已是成熟技术,并被大量采用。遥控采用数字和计算机技术,具有故障自我诊断、同步编解码传输,具备软件消除干扰、侦错、校正等功能,在井下恶劣环境条件下,仍能保证控制信号的可靠传输,此外,遥控器还设有安全钥匙开关、加强型看门狗自动停止装置、讯号搜寻及频偏自动追踪电路、防止电源突断对策、可编程式继电器输出等安全和方便设施,确保了井下遥控设备的安全高效使用。

以加拿大国际镍公司为代表的国外发达采矿技术已初步实现了遥控采矿,利用现代的新技术,包括地下通讯、定位、信息处理、监测和控制系统,去操作采矿设备和系统。从20世纪90年代研究遥控采矿技术的目标是实现整个采矿过程的遥控操作。2000年已研制出样机,实现了从地面对地下矿山进行实时控制。芬兰也于1992年提出了自己的智能采矿技术方案,涉及采矿过程实时控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等领域。1996年澳大利亚开展地下铲运机专用传感器的选择和控制研究,利用航位推测法、地下地图和激光扫描仪开发传感器和控制系统,实现机车的控制和路标、路障的探测,并将上述系统集成到工业样机中,开发地下自主铲运车。

目前,采矿设备主要遥控操作方式有视距控制、视频遥控、远程控制。

总之,发达国家的矿山20世纪90年代初就进入了信息时代,随着计算机运算速度、图形处理能力和网络通讯速度的迅速提高,矿山信息技术的应用水平不断提高,自动化程度也不断提高,如遥控铲装、无人驾驶、自动导航等技术已完成实验,进入应用阶段。同时,地下采矿设备正向集成化、智能化、网络化、模块化方向发展。

1.2　国内发展现状与趋势

我国无轨采矿装备的研制始于20世纪70年代中期,通过技术引进和消化吸收,重大技术装备的攻关研究取得了一批科研成果,大大提高了有色矿山的技术装备水平,成功地研制开发了0.76,1,2,3的柴油及电动铲运机,2及5t通用底盘,8,10,12,15, 25地下自卸汽车,小型锚喷支护车辆和露天矿装药台车以及一些单台的无轨辅助设备已在国内的一些矿山运用。然而,纵观我国矿山全局,技术装备两极分化,总体落后。地下设备的开发主要集中在机械化、大型化、系列化的研究开发和完善等方面,设备自动化、智能化的研究尚处于起步阶段。

上世纪80年代,北京矿冶研究总院与武山铜矿及白银公司小铁山铜矿等联合进行了地下遥控铲运机的消化和国产化研究。主要采用模拟信号技术,进行视距范围的遥控技术的研究,由于当时计算机技术、信息技术等发展水平有限,再加上地下环境恶劣,导致信号经常受到干扰,设备动作可靠性不高,影响了操作效率。后来这方面工作开展得不多,国内遥控铲运机的技术研究至今没有进一步发展。国内也出现了KT18,KT23,KJ69,KJ155等地下无线通信系统和地下人员设备的定位系统,并在阳煤集团新景矿、安徽淮北桃园矿等地下矿山投入使用,对地下作业人员的集中监控管理和灾难救护提供有力保障。然而这些系统对地下人员设备的定位精度还达不到无人采矿的要求。

从20世纪80年代中期起,计算机在我国矿山得到应用,经过科学研究和学术界与工业界近20年的努力,取得了不小进展。露天矿的信息化和自动化程度较高,如我国江西铜业公司德兴铜矿和辽宁祁大山铁矿等已应用GPS系统对所有露天设备进行管理,效果明显。目前,广东凡口铅锌矿从Sandvik Tamrock公司引进了两台遥控铲运机和两台遥控凿岩台车用于井下深部开拓。国内开展地下无人采矿和设备定位跟踪管理的研究还不多,与国外先进技术的差距越来越大,应加速发展矿业领域的高新技术,占领科技的制高点。

总之,以铲运机为核心的配套无轨采矿工艺及其设备是当今地下采矿技术的发展趋势。围绕着提高效率、降低成本这一核心,国外地下矿山技术装备的发展趋势是已从加大设备规格,转向优化性能,提高适应能力、运转可靠性、安全性和舒适性,增设微机控制和设备故障预测与诊断,设备运转对环境的污染程度的降低和对作业人员护卫能力的提高。

2.1　无人采矿设备通讯平台开发

开发基于数字矿山无线通信管理系统的井下无人采矿设备通讯平台,实现井下设备初级定位。运用当前最先进的无线局域网络技术以及扩展频谱通信技术,为数字化矿山设计建立一套地下设备控制、精确定位和管理系统通讯平台。“数字矿山无线通信管理系统”在基本网络系统基础结构上,可方便的集成井下人员、设备和车辆的定位系统,无线/有线的语音通信系统,无线/有线的视频监控系统,无线/有线的设备监测、控制系统,紧急呼救系统,短消息指令收发系统和生产管理系统等功能系统。

数字矿山无线通信管理系统基础网络架构由智能基站,网络交换机,基站控制器地面服务器和数据电缆构成,通过智能基站、网络交换机、基站控制器就可将网络终端的所有设备定位和控制的数据传给地面服务器,只要在车辆、设备中安装无线定位终端即可实现对井下车辆和设备的初级定位。

通过智能基站、网络交换机、基站控制器将网络终端的所有设备定位和控制的数据传给地面服务器,通过在地下车辆、设备中安装无线定位终端来实现对地下车辆和设备的初级定位。

2.2　系统平台的硬件组成

系统平台的硬件主要包括地面部分、地下部分和车辆三个方面。地面部分有服务器(计算机)、基站控制器、电源系统。地下部分为基站,交换机、传输电缆,红外发射接收器。车辆方面包括激光测距、陀螺定位、速度计、五轮仪测距、信标器、无线数据收发器、无线摄像头。

2.3　地下铲运机采集和控制数据传输方案

2.3.1　数据上传。车辆与基站通讯定位数据由车载收发装置和基站交换信息,计算出车辆相对每一个基站的距离,误差范围是5m。此数据作为车辆的初级定位数据上传,定义出车辆处于哪两个基站之间的具体位置,给精确定位提供相对基准。车载位置姿态传感器数据获取自速度传感器、陀螺定位激光测距,五轮仪测距,视频模式识别。

2.3.2　数据下传。程序控制指令数据,按照数字地图和车辆位置信息,按照一定的程序模式给车辆下达动作指令,包括加速、减速、转向、回位、停车、举升、下降等控制信息。

由服务器或者操纵指令发生器按照既定程序发出动作指令信息,按照参数控制车辆动作。姿态调整指令数据,根据车载姿态传感器的实时上传数据,这些传感器包括激光测距、陀螺定位、速度计、五轮测距、视频模式识别等,计算对比车辆的实时状态,包括精确定位、航向偏移、预判动作、随机障碍识别等数据,给出动作指令。紧急指令数据,根据上传信息中危险数据的识别以及其他来源的危险信息,以紧急方式下达指令数据。这三类数据在指令执行上具有优先级分类。

2.4　构建环境数字地图

2.4.1　信息数据数字化及输入。通过数字化仪将空间信息从模拟式转换到数字式,通过扫描仪对现有图像等信息进行扫描、处理,然后通过矢量追踪,确定实体的空间位置等手段将各类图像、测绘等各种类型的空间数据转换为数字数据,输入到MAPGIS系统。

2.4.2　数据处理。通过编辑修改矢量结构的点、线、区域的空间位置及其图形属性、增加或删除点、线、区域边界,并适时自动校正拓扑关系,对图形数据库中的图形进行编辑、修改、检索、造区等,从而使输入的图形更准确、更丰富、更美观。

2.4.3　数据库管理。MAPGIS数据库管理分为网络数据库管理、地图库管理、属性库管理和影象库管理四个子系统。基于MAPGIS的图形数据库管理系统创建、维护地图库,在图幅进库前建立拓扑结构,对输入的地图数据进行正确性检查,实现图幅配准、图幅校正和图幅接边。建立动态属性库能够实现定时更新。

2.4.4　空间分析。通过空间叠加分析方法、属性分析方法、数据查询检索来实现GIS对地理数据的分析和查询,通过离散数据网格化、数据插密、绘制彩色立体图、专业分析等建立路面分析数字高程模型,利用MAPGIS提供的三维交互地形可视化环境,生成近实时的二维和三维透视景观。

3.1　系统组成和测量机理

地下无人采矿设备精确定位系统由无线通讯网络系统、车载环境感知、导向定位系统等硬件和信息采集、信息融合、模式识别、导向定位算法、环境数字地图构建等软件组成。

导向定位系统由传感器、通讯网络基站信标组成。无线通讯网络平台可实现与井巷电子地图系统、导向定位系统等的通讯和双向连接,能够实现对地下设备的初级定位,已知精确位置的智能基站可作为定向定位系统的特征信标和标定信标。

传感器系统主要包括视频传感器、超声波测距仪、或激光测距仪,激光罗盘,里程计以及光电五轮仪等。

无线通讯网络中的智能基站作为定位的特征信标和传感器精确定位的标定信标在井巷中的精确位置是已知的。通过无线通讯网络系统本身可以确定车辆距某一基站信标沿井巷轴向的相对位置,其定位精度可以达到5m范围,更精确的井巷轴向定位就依据建立在里程计上的航位推算法进行测量定位。里程计在测量过程中产生的累计误差可以采用每过基站信标重新标定后对里程计进行清零的方式来消除。车辆运行的方向坐标可以通过罗盘和车辆不同轮子里程计的相互关系测量确定。

3.2　定位机理

系统车辆定位是根据无线通讯网络系统和传感器提供的数据计算车辆的姿态(包括位置和运动方向)实现的。为了提高车辆定位精度,减小采用单一的航迹推算产生的累计误差,以相对定位技术和横向绝对定位技术相结合的定位方法进行定位,形成基于多传感器融合的定位方法和技术,以获得地下设备高精度定位。(www.xing528.com)

3.2.1　相对定位。是在基于地下无线通讯定位系统中以装有红外测距仪或激光测距基站或沿巷道布置的信标测点为精确定位标定点,车辆通过该信标测点时,通过无线通信系统向该车辆传送位置标定校准信号。采用车载的方向计(罗盘)和里程计,通过航位推算法等计算车辆相对于前一时刻的位置状态,如果己知车辆前一时刻的位置状态,可根据车辆驱动轮的运动特性,计算出车辆当前时刻的位置状态,来确定当前位置,为了减少累计误差,采用短距离范围内(基站信标之间)的清零标定法,以提高定位精度。

3.2.2　横向绝对定位。是铲运机在井巷中运行时其横向绝对定位(车辆与两侧井壁信标之间的相对位置关系)完全依据采用超声、视觉、激光扫描等的绝对定位方法进行测量定位。通过测量铲运机与环境的相对位置,环境的位置如两侧井壁信标的精确位置是已知的,经过定位计算,获得铲运机绝对定位信息,来实现横向绝对定位。即应用测距仪测量铲运机相对于两侧井壁信标之间的距离,用罗盘和四个轮子上的里程计相对关系测量和计算铲运机的位置和方向。

3.2.3　在相对定位和横向绝对定位的基础上确定铲运机定位。铲运机的定位系统采用技术上成熟并在导航系统中普遍采用的卡尔曼滤波方法,同时考虑测量元件(罗盘、里程仪)的物理特性建立相应的物理模型,通过卡尔曼滤波和补偿滤波的方法实时校正系统的误差(元件误差、定位误差等),保证系统的稳定性并使之具有较高的定位精度,同时通过接口函数与地图匹配模块进行数据交换。

3.3　定位误差的补偿与消除

精确定位系统中传感器测量的累计误差将是影响测量精度及系统是否成功的关键,因此,研究补偿与消除的方法和技术将是必须要研究解决的主要问题之一。在系统精确定位过程中存在由于轮胎气压不均、车辆载重、滑移、信号干扰等造成的累计误差,将在测试系统和计算方法这两个方面采取措施来解决。

由于轮胎行驶中的滑移和气压的不均衡,会产生轮胎实际行程和里程计测得的里程的误差,为此,里程计不适合作长距离精确测量,为了减小这一误差,可以通过设立多个标定信标的方法进行校正,即在智能基站(智能基站精确坐标位置已知)上安装激光标定信号,当铲运机经过标定信标时,里程计清零,重新开始计数测量,并且对两信标之间的测量误差进行记录,经多个信标重新记录之后,经过误差补偿计算,可以有效解决里程计不适合作长距离精确测量的问题。为了提高校正精度,可适当缩短标定信标的距离,也即增加标定信标的数量。

由于里程计是安装在铲运机的四个轮子上,通过对四个里程计测量值的计算,一方面可以确定车辆的位置和姿态,另一方面可以进行误差的相互校正和识别。

3.4　传感器的选择与布置

传感器是实现井下车辆精确定位的关键元件,传感器在导向中主要起目标和障碍物探测的作用,是系统与环境建立联系的途径。用于车辆定位导航的传感器主要有CCD摄像机、超声波传感器、红外传感器、激光传感器、里程计、电子罗盘等。每种传感器都有其特点及局限性。

对于传感器本身性能来讲,超声波传感器使用方便且价格较低的优势,但探测波束角过大,方向性差,反射目标点的准确方位难以精确确定,往往只能获得目标的距离信息,不能提供目标的边界信息,超声波在空气中传播时有较大的能量衰减,容易发生镜面反射,导致测距误差大,同时信号采集周期长,影响实时性。针对这些缺陷造成的后处理困难的问题,可以通过建立模型进行改善。激光传感器探测视角小,方向性强一些,测量精度也有所提高。视觉传感器(CCD摄像机)可获得的环境信息丰富,数据量大,可精确估计目标边缘信息,但计算量较大。

传感器在车辆上的布置,要求能够获得足够的环境信息,传感器信号之间不能产生干涉。

3.5　多传感器融合方法

由于现有传感器普遍存在着上述优、缺点,单一的传感器往往只能提供外界的部分信息,很难依此做出合理的判断。而且,受自身性能和环境干扰因素的影响,单一传感器提供的信息往往是不完备的,带有很大的不确定性,有些是伪信号。因此,常采用里程计、罗盘、视觉、声、红外和激光等多传感器来获得环境信息来确定车辆在井巷中的位置。这些信息在时间、空间、可信度、表达方式上不尽相同,侧重点和用途也不完全一样。然而,这些信息都是同一环境下目标不同侧面的反映,因而存在一定的相关性。所以,实际应用中往往采用多种传感器共同工作,并采用多传感器融合技术对检测数据进行分析、综合和平衡,利用数据间的冗余和互补特性进行容错处理,以便正确及时地获取精确定位、导向所需的全部信息。

在多传感器系统中,由于信息表现的多样性、信息关系的复杂性、要求信息处理的实时性以及多传感器系统所研究内容的广泛性,因此,利用计算机技术对按时序获得的若干传感器的观测信息在一定准则下加以分析、处理、辨识及优化综合等,以实现实时信息处理。

定位导向多传感器的融合,属于位置和属性的融合,是根据系统的物理模型(由状态方程和量测方程描述)和系统模型及传感器噪声的统计特性的假设,将量测数据映射到状态空间的。来自多传感器的数据首选要进行数据预处理,将各传感器的输入数据通过坐标变换、单位变换而转换到同一坐标系中(导航坐标系),亦将属于同一状态的数据联系起来,再根据建立的描述车辆的运动规律的系统状态方程及测量物理性质的数学模型,在一定的最优估计准则下进行最优估计,从而使状态向量与量测向量达到最优拟合,以获得状态向量的最优估计值。

地下遥控铲运机主要由铲运机本体、电液转换装置、机载控制系统和无线遥控控制器等部分组成。无线遥控控制器通过机载控制系统和电液接口系统对铲运机本体进行控制。

(1)发动机的监测与控制研究。主要包括发动机机油压力、机油温度、冷却液温度、发动机转速、柴油油位、油门位置、风扇皮带断带报警、机油滤清器堵塞报警、发动机的预热、启动、停止、发动机转速控制等。

(2)底盘行走传动系统和制动系统的监测与控制研究。主要包括液力系统油温监测、液力系统油压监测、变速箱换档控制、变速箱换向控制、制动压力的监测与控制等。

(3)工作装置控制研究。包括工作机构的各个动作运动速度、运动位置的控制。

(4)机载式无线遥控装置研究。遥控装置向手提式无线遥控控制器发射设备监控信号,并接受遥控控制器指令。机载式无线遥控装置主要由数据采集模块、微处理器模块、双向无线收发模块和功率放大模块等组成。

(5)手提式无线遥控控制器研究。手提式无线遥控控制器用于接收、处理设备监控信息并发出控制指令。手提式无线遥控控制器主要由双向无线收发模块、微处理器模块、操作指令输入模块、显示模块等组成。

操作工人远离危险环境,站在相对安全的地方操纵铲运机,实现视距内地下铲运机的遥控操作。另外,通过研究全面掌握井下设备的视距遥控技术,为将来进行视频遥控及半自主、自主控制研究打下坚实基础。

紧紧围绕当前困扰我国大型地下矿产资源开发所面临的关键技术难题,研究内容代表了当前和今后一段时间地下采矿技术发展方向,是我国大型紧缺固体矿产资源开发和利用急需解决的重大关键问题之一。自主研究地下无人采矿设备的导向技术和定位技术,研究智能化铲运机自主控制技术和模型技术,以数字矿山无线通信系统为平台,研究无人铲运机的智能化实现方法。初步建立我国无人采矿设备的技术开发体系和技术平台,并可获得自动化采矿的关键技术和方法,为实现地下矿山无人开采设备开发和建立工业应用集成系统提供技术支撑。使地下矿山数字化,智能化成为可能。对井下采矿设备的状态进行定位、监测和诊断,实现预知维修,从而使采矿设备的管理真正走向数字化的现代化管理。通过进一步开发,进行生产力转化,将直接应用于矿产资源开发领域。使得矿山能够改进现有的采矿方法,采用更加安全、更加经济的新方法,实现无人采矿。

参考文献:

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[5]刘　荣,李事捷,卢才武.我国金属矿山采矿技术进展及趋势综述[J].金属矿山,2007,(10):14-17.

[6]李　枳,冯茂林.无线遥控地下铲运机的发展及液压系统改进[J].冶金设备,2008,(2):54-57.

Abstract

The current international situation,existing problemsand trends in the future of the remote controlling and precision positioning technologieson the underground remote-controlled scrapers are analyzed and reviewed in detail,and the necessity for the relative technologies development in China is described.The intelligent method to remote control the scrapers is investigated with the digital wireless communication system based on the extensive study on the remote controlling and precision positioning technologies.The preliminary development system and technical platform for the unmanned mining equipment are established,and the key technology and method for the mining automation are achieved.The research resultswill lay a foundation for the development of unmanned mining equipment and the establishment of the integrated industrial system in the future.

Remote Controlling and Precision Positioning Technologies of Underground Remote-controlled Scrapers

ZHAN Kai1,GU Hong-shu1,ZHOU Jun-wu1,SHI Feng1,GUO Xin1,LIU Li2,FENG Mao-lin2
(1.Beijing General Research Institute of Mining&Metallurgy,Beijing 100044,China; 2.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

Keywords：mining engineering;underground scraper;unmanned mining;remote control;positioning

中图分类号：TD422.4

文献标识码：A

文章编号：1001-0211(2009)01-0107-06