悬臂式掘进机导航技术现状及其发展

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　　摘  要：文章主要以悬臂式掘进机导航技术发展现状以及发展趋势为中心，首先介绍了悬臂式掘进机发展背景，其次对导航技术研究问题进行阐述，最后从几个角度研究了导航定位技术的应用与未来发展趋势。目的在于进一步提高悬臂式掘进机导航定位准确性。
　　关键词：悬臂式掘进机;导航定位;巷道截面;动态监测
　　中图分类号：TD632.2       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）14-0160-02
　　Abstract： In view of the present situation and development trend of the navigation technology of the cantilever roadheader， this paper first introduces the development background of the cantilever roadheader， and then expounds the research problems of the navigation technology. Finally， the application and future development trend of navigation and positioning technology are studied from several angles. The purpose is to further improve the accuracy of navigation and positioning of the cantilever roadheader.
　　Keywords： cantilever roadheader; navigation and positioning; roadway section; dynamic monitoring
　　悬臂式掘进机是掘进机中的一种，悬臂式掘进机导航技术研究，首先需要了解悬臂式掘进机施工方式。掘进机施工主要通过巷道断面的方式进行施工作业，具体作业方式分为两种，首先是全断面掘进机、其次是部分断面掘进机。当前我国应用最频繁的为部分断面掘进机，其中悬臂式掘进机最为关键。悬臂式掘进机导航技术研究一直在不断深入，其中不乏吸收国外先进技术，并且结合我国近些年的工作经验，但是导航技术研究却一直进步缓慢，并没有获得显著的成效。悬臂式掘进机在我国的正式应用，主要从1979年开始，作为引进设备，为我国掘进机发展推向全新进程。悬臂式掘进机导航定位研究，以导航定位问题逐渐总结全新的导航定位技术，推动我国悬臂式掘进机发展。
　　1 悬臂式掘进机发展背景
　　悬臂式掘进机技术的发展，我国最初出现是在20世纪60年代中期，当时的建设与发展对悬臂式掘进机需求极大，积极引进国外先进掘进机技术，并且通过对国产掘进机技术研究的经验积累，初步提出悬臂式掘进机研究设计理念。其中主要从小功率掘进机角度出发，设定功率为30-50kW，整体研究规模较小，当然研究成果并不是很显著。引进国外100多台掘进机，其中包括佳木斯煤机厂引进日本S-100型掘进机、淮南煤机厂引进奥地利AM50型掘进机等[1]。积极吸收国外先进掘进机技术，并且联系我国掘进机研究，使得我国掘进机技术研究更上一个阶层，同时这也为悬臂式掘进机导航技术的发展奠定了扎实的基础。图1为悬臂式掘进机结构图。
　　2 悬臂式掘进机导航技术研究问题
　　悬臂式掘进机导航技术研究中，因为导航技术具有特殊性，所以在发展中出现一些问题，困扰悬臂式掘进机导航技术发展。悬臂式掘进机本身以悬臂回转、俯仰的方式完成煤岩切割，并且实际工作中对机身、巷道底板依赖性非常大，这期间的摩擦力与截割位置阻力变化是保证悬臂式掘进机平衡的关键，只有悬臂式掘进机保持平衡的基础上，才能够真正实现底板相对静止，掘进机导航技术持续工作。悬臂式掘进机导航技术应用中，侧向截割阻力如果与巷道底板摩擦力不平衡，则悬臂式掘进机自身会出现失衡情况，直接影响到导航技术的参数变化，甚至出现偏转或者侧滑等情况。
　　相较于传统掘进机施工工艺，悬臂式掘进机采取激光指向仪的方式，及时投射出激光束，从而在巷道断面做出指示，准确对断面进行测量与截割，不仅可以确保悬臂式掘进机工作方向与巷道设计始终一致，同时还可以保证悬臂式掘进机导航准确。当然这其中需要在截割期间不断进行测量，测量过程中需要将悬臂式掘进机停机。悬臂式掘进机截割期间，因为巷道地质情况，出现大量粉尘，并且操作期间会发出噪音，这些都是威胁掘进机导航技术发展的关键安全隐患，尤其限制悬臂式掘进机自动导航发展[2]。自动导航技术可以帮助悬臂式掘进机实现远程控制，并且自动对巷道断面进行监视与截割，是掘进机自动化发展的标志。
　　但是悬臂式掘进机实际施工中，机身控制度不够，频繁出现偏转、侧滑等问题，掘进机姿态变化直接影响到位置参数与形态，因此想要实现自动导航，就必须随时对掘进机进行实时、动态定位。掘进机导航技术应用中，三维定位、三维姿态检测等，都是导航技术研究的关键。悬臂式掘进机如果以悬臂末端截割部位对巷道断面加以控制，并且精确悬臂式掘进机位置，科学预防在悬臂式掘进机姿态出现偏差。一旦这种情况得不到有效控制，就会导致巷道界面截割位置错位，影响掘进机运行准确性。悬臂式掘进机对于坡度控制，偏差必须≤±1‰。悬臂式挖掘机装配精良，即便在恶劣天气下依然能够持续工作。但是悬臂式掘进机工作精度会受到周围天气与环境的影响，导致其精准度下降[3]。
　　纵观悬臂式掘进机导航技术发展，虽然掘进机导航目标精准，但是因为检测技术与各种限制条件的影响，无法利用导航技术对巷道断面进行成型控制，这样一来就直接影响到悬臂式掘进机的导航定位准确性。悬臂式掘进机导航定位技术，必须以巷道为基础，沿着巷道的走向进行角度控制，以直线型巷道控制为主。悬臂式掘进机导航定位技术中，包括空间位置定位检测、姿态定位检测。必须彻底解决悬臂式掘进机导航定位控制问题，才能为悬臂式掘进機自动导航发展奠定基础[4]。 　　3 悬臂式掘进机导航技术实际应用分析
　　悬臂式掘进机导航技术，主要包括三个类型，第一为光电原理下悬臂式掘进机导航技术，第二为惯性元件原理下悬臂式掘进机导航技术，第三为多信息融合原理下悬臂式掘进机导航技术。悬臂式掘进机导航技术，从基准传递方面，依赖激光指向仪与地理信息。
　　3.1 悬臂式掘进机全站仪导航定位检测
　　光电原理下，悬臂式掘进机全站仪导航定位，通过光信号传递的方式，检测光电传感器发射的信号，将悬臂式掘进机固定到巷道侧壁位置，并且以若干棱镜组成悬臂式挖掘装备机。连接悬臂式掘进机与全站仪，及时检测悬臂式掘进机位置与基准，确保悬臂式掘进机的基准能够与巷道设计基准保持一致，根据空间位置计算悬臂式掘进机的机身，掌握悬臂式掘进机姿态[4]。必须保证全站仪位置与检测时间，改变传统检测中只能检测单个棱镜位置，真正实现动态检测。
　　3.2 悬臂式掘进机线结构光动态定位检测
　　对于线结构光动态定位检测，首先需要掌握掘进机的位置参数，根据位置参数进行掘进测量，主要以结构光激光指向仪为载体，帮助悬臂式掘进机实现导航定位。其次是根据线结构光位置检测系统，调整结构光投影，将其方向固定到光敏元件位置，及时记录光敏元件面对不同巷道情况输出的信号内容，统计与整理相关数据，根据数学描述原理进行计算，确定悬臂式掘进机机身偏移量以及偏转角位置。
　　3.3 悬臂式掘进机机器视觉角度的空间定位检测
　　悬臂式掘进机机器视觉角度导航定位技术应用，依靠激光指向仪、图像处理系统、摄像机等设备，通过摄像机与激光指向仪实现悬臂式掘进机导航定位的刚性连接，随后将两者固定到规定巷道位置，随即在悬臂式掘进机后方巷道位置，固定光靶。这样一来跟随悬臂式掘进机的移动，摄像机随时采集光靶图像，并且对图像进行系统处理，确定导航准确位置，并且明确悬臂式掘进机姿态，提高悬臂式掘进机导航准确性的同时，进一步保证悬臂式掘进机操作妥当。
　　3.4 悬臂式掘进机双十字激光图像处理导航技术应用
　　双十字激光图像处理导航技术在悬臂式掘进机中的应用，准确测定掘进机位置，明确悬臂式掘进机空间。抓住激光器、激光标靶所发出的信息，计算掘进机位姿空间模型。结合具体导航数据，以空间矩阵变换方法，准确计算偏离位移情况，实现悬臂式掘进机的自动导航与实时检测。
　　3.5 悬臂式掘进机导航中空间交汇測量技术应用
　　悬臂式掘进机导航技术应用中，空间交汇测量技术主要体现在悬臂式掘进机自主测量方面。通过激光发射器的连接，及时在巷道中发射出旋转激光束，激光接收器接收到激光束之后，及时将激光发射器位置与信息等进行记录，帮助悬臂式掘进机获得激光信息，确定巷道准确坐标位置，进而导航出掘进机状态，并且结合掘进机具体要求完成操作。
　　4 悬臂式掘进机导航技术发展趋势分析
　　 对于悬臂式掘进机导航技术发展，信息化是主要发展方向。信息技术的融合，要求悬臂式掘进机必须进行数据技术的融合，不断升级悬臂式掘进机传感器，帮助其获取更多导航对象，全面了解作业环境，并且将收集到的数据信息完整统计。其中最为突出的便是光电导航技术，其本身具备高精度优势，当然在实际应用中本质特性相对较差，所以需要注意此方面的应用完善，这也是光电导航技术未来发展的主要方向。惯性导航技术，本身具备超强的环境适应性，并且能够高精度的检测悬臂式掘进机姿态，但是却存在定位精度误差问题，因此该导航技术发展需要从此方面加以完善。悬臂式掘进机导航定位技术，未来发展中基准传递过程是主要发展与研究的重点，朝着信息融合方向深入探索，增强悬臂式掘进机的鲁棒性。
　　5 结束语
　　综上所述，悬臂式掘进机导航定位研究与未来发展，直接关系到我国掘进机操作与升级发展。从导航定位的时长、精度以及动态等角度出发，综合当前先进的导航定位技术，增强定位技术的环境适应性与检测精准性，并且及时排除其中的安全隐患，为悬臂式掘进机自动化导航检测发展创造良好条件。
　　参考文献：
　　[1]周旭.矿用悬臂式掘进机电气控制技术的现状与发展[J].机电产品开发与创新，2017，30（06）：16-18.
　　[2]田原.悬臂式掘进机导航技术现状及其发展方向[J].工矿自动化，2017，43（08）：37-43.
　　[3]张建广.悬臂式掘进机智能截割控制技术发展现状及关键技术探讨[J].煤炭工程，2015，47（02）：89-91.
　　[4]王学成.悬臂式掘进机现状及发展浅析[A].中国煤炭工业协会.第七次煤炭科学技术大会文集（下册）[C].中国煤炭工业协会：中国煤炭工业协会，2011：4.
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