战凯地下金属矿智能开采技术及装备智能采矿会.

地下金属矿智能开采技术及装备,2011年11月28日,战凯,提纲,总体目标和总体技术方案,一、研究的意义,党的十七大明确指出：“实现未来经济发展目标，关键要加快转变经济发展方式，坚持走中国特色新兴工业化道路，加快推进信息化和工业化融合。”胡锦涛总书记强调：“当今世界，各国都在积极追求绿色、智能、可持续的发展。智能发展就是要推进信息化和工业化融合，使人依靠机器生产产品变成机器围绕人生产产品成为可能。”,2010年10月10日，国务院发布关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定,明确了要加大培育资源能源环境和高端装备制造产业等七大战略新兴产业,并将智能装备制造列为了高端装备制造产业的重点方向。决定的出台对加快推进我国智能装备的开发和产业化带来了前所未有的发展机遇。,一、研究的意义,一、研究的意义,一、研究的意义,3、研究成果可加速矿山企业采矿装备与技术的升级换代，大大提高矿山企业的现代化管理水平,2、提高我国矿山企业和装备制造业的核心竞争力，带动相关产业发展,1、研究成果可使矿山数字化、智能化、无人化开采成为可能,芬兰智能矿山技术研究计划(IM)、实施研发技术计划（IMI）,加拿大采矿自动化项目五年计划（MAP）,瑞典“Grountecknik2000”战略计划,国家战略计划,AtlasCopco,ABB,企业策略,AutoMine,OptiMine,MineLan,Sandvik,提高了国家在矿业领域的竞争能力,提高了企业的核心竞争能力，由单一的设备供应商向技术解决方案提供商转变,二、国内外技术现状及趋势,Caterpillar,Minegem,1、国外研究现状,地下无人采矿设备高精度定位技术和无人操纵铲运机的模型,大型地下铲运设备的研制,关键配套采矿设备的研制,国家科研计划,企业开发的技术与装备,在某些方面已经取得一定进展,软件,Dimine3DmineGeos3D蓝光龙软,装备,通讯,T150潜孔钻机CSY50凿岩台车CY2/3铲运机DQ20井下汽车,KT25小灵通中兴PHS泄露通讯WI-FI无线通讯,二、国内外技术现状及趋势,2、国内研究现状,二、国内外技术现状及趋势,3、国内存在的问题,我国今后地下矿山向着自动化、智能化及无人化方向发展。,二、国内外技术现状及趋势,2006年,北京矿冶研究总院和北京科技大学共同承担了国家高技术研究发展计划（863计划）课题“地下无人采矿设备高精度定位技术和智能化无人操纵铲运机的模型技术研究”总体目标自主研究地下无人采矿设备的精确定位和导航技术，研究地下智能化铲运机的自主控制技术和智能化实现方法；初步建立我国智能采矿技术和装备的开发体系和技术平台，获得智能化采矿的关键技术和方法，为今后实现我国地下矿山智能提供技术支撑。,二、国内外技术现状及趋势,具体目标：1）开发具有自主知识产权的地下无轨设备的定位技术2）掌握井下电子地图的构建方法3）地下智能铲运机的设计理论和方法4）开发智能铲运机的自主导航技术5）智能化铲运机总体集成技术及设备铲、装、运各工况的全过程动态模拟技术6）可为今后建立工业应用集成系统提供技术支撑。,二、国内外技术现状及趋势,地面智能控制中心,通讯系统,三、智能开采的原理和核心内容,三、智能开采的原理和核心内容,智能开采的核心内容,四、总体目标和总体技术方案,初步建立我国地下金属矿智能开采技术体系,促进我国采矿技术向智能化方向发展，增强我国矿业行业的核心竞争能力,推进产学研相结合，形成我国地下金属矿智能开采技术创新团队和创新基地,凿岩台车,智能调度与控制,智能采矿爆破,井下无线通讯,精确定位与导航,泛在信息系统,潜孔钻机,地下铲运机,地下汽车,地下装药车,主体采矿装备,关键核心技术,四、总体目标和总体技术方案,五、预期成果,五大核心装备,五、预期成果,五大系统,获得国家专利50项以上，其中发明专利20项以上,软件著作权13项以上,学术论文220篇以上，其中SCI/EI/ISTP收录50篇以上,博士研究生20人以上、硕士研究生80人以上,形成我国地下金属矿智能开采领域的研发创新团队和创新基地,五、预期成果,提出国家或行业标准12项,预期成果,六、技术路线,七、进度计划,八、可行性分析,6,团队构成,科研院所,大专院校,装备制造企业,矿山企业,北京矿冶研究总院（牵头单位）长沙矿山研究院,北京科技大学中南大学东北大学,湖南有色重机合肥工大高科北京华诺维,铜陵有色梅山铁矿山东黄金,九、前期研发基础,团队构成,2006年,北京矿冶研究总院和北京科技大学共同承担了国家高技术研究发展计划（863计划）课题“地下无人采矿设备高精度定位技术和智能化无人操纵铲运机的模型技术研究”总体目标自主研究地下无人采矿设备的精确定位和导航技术，研究地下智能化铲运机的自主控制技术和智能化实现方法；初步建立我国智能采矿技术和装备的开发体系和技术平台，获得智能化采矿的关键技术和方法，为今后实现我国地下矿山智能提供技术支撑。,九、前期研发基础,具体目标：1）开发具有自主知识产权的地下无轨设备的定位技术2）掌握井下电子地图的构建方法3）地下智能铲运机的设计理论和方法4）开发智能铲运机的自主导航技术5）智能化铲运机总体集成技术及设备铲、装、运各工况的全过程动态模拟技术6）可为今后建立工业应用集成系统提供技术支撑。,九、前期研发基础,（一）、井下电子地图构建技术研究,在ARCGIS地理信息平台基础上进行二次开发，建立以巷道某层面特性为基础的巷道电子地图。已知巷道环境平面图纸扫描后，将数据输入ARCGIS进行矢量化，未知巷道的数据采集可采用激光雷达扫描系统扫描得出。通过巷道区域对铲运机形态区域的叠加分析、区域专业属性分析和空间查询实现GIS系统空间分析，同时实现精确的位置显示和报警。,（一）、井下电子地图构建技术研究,某井下巷道横断面图实验室走廊环境二维电子地图,（一）、井下电子地图构建技术研究,实现了电子地图的缩小、放大、漫游；采矿设备的实时位置在电子地图上的标识；实时坐标数据的显示；设备的轨迹路线跟踪功能；实现图层动态添加修改删除等功能；,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,铲运机位置：铲运机在二维电子矿图中的绝对位置坐标，或铲运机相对于井下巷道内某已知位置的相对位置；分为横向位置和纵向位置。铲运机姿态：偏离角：前进方向和巷道中轴线夹角前后铰接夹角角度：前后车体夹角,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,横向位置：铲运机的定位中心点离巷道壁的相对距离（铲运机的定位中心点定义为铲运机后桥中心连线的中点）。巷道壁为坑坑洼洼，凹凸不平，相对于巷道壁的距离测量必须采用激光扫描系统对巷道壁平面扫描的方式后进行拟合确定。,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,纵向位置：激光扫描测量系统定位、航迹推算、无线电定位等组合定位方式来实现铲运机的高精度定位在巷道内每间隔一定距离设置一个节点（大于45度的转弯角也设置为节点），节点与节点之间的定位主要依靠无线电定位、装载于铲运机的里程计及车载惯性导航单位进行信息融合计算得到，在每个节点对航迹推测的定位结果进行修正。,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,在巷道两侧墙壁上安装ZigBee路由节点，每个路由节点间隔5秒向其子节点进行一次广播通信。目标收到父节点的广播通信后，首先确认发射源，并读取器信号强度RSSI值来确认发射源与自己的位置，最终将自己的位置信息发送至最近的的ZigBee节点，由该节点将目标位置传送给铲运机车载单元。,无线电定位：基于ZigBee网络的无线定位系统,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,将铲运机的运动看作是二维平面上的运动，因此如果已知铲运机的起始点和初始航向角，通过实时测量铲运机的行驶距离和航向角的变化，就可以实时推算出铲运机的位置。,航迹推算法定位：,需要实时测量铲运机的航向角和行驶速度,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,实时速度：里程计和惯性导航单元融合确定实时航向角：陀螺仪直接测量,航迹推算法定位：,依据编码信标识别的位置修正，利用激光扫描测量系统扫描条码信标，得出绝对位置信息。,航迹推算法定位修正：,信标工作原理及实物,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,信标安装示意,编码信标识别流程图,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,姿态确定技术：转向角：铲运机采用铰接车架液压动力转向，转向时，根据活塞杆的相对位移来确定转向夹角，活塞杆的相对位移大小和车体转向角度一一对应。可以将转向角的测量转化为测量活塞杆的位移。在铰接处安装编码器，通过读取编码器信息也可以得到转向角大小。,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,姿态确定技术：偏离角：前进方向和巷道中轴线夹角,四个顶点：A,B,C,D四测距仪：1,2,3,4顶点距离：S1,S2,S3,S4定位中心点：O中心偏离角：中心偏离位移：OE（d）测距仪1，4距离后车轮中心的距离AD、DH：L1、L2根据图示三角关系可得：,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,自主导航技术研究：地下无轨采矿设备为了适应井下低矮、狭窄、多弯巷道环境，将车身设计成低矮、细长、铰接式车体结构。地下2立方铲运机的长度一般为7米，宽度1.8米，高2.0米，铲运机车身两侧外廓与巷道壁的距离一般仅为0.9米左右，这么长的车体要在狭窄、多弯的巷道内行驶，其难度是可想而知的，即使是经过培训的铲运机司机，驾驶铲运机时刮蹭巷道壁也时有发生。因此，对地下采矿设备自主导航技术需要进行深入研究。,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,自主导航控制器的设计构想：决定铲运机轨迹的最重要控制输入变量为转向角和转向角的变化速率。在一定车速下对转向角和转向角变化率的控制即是对铲运机轨迹的控制。而对转向角和转向角变化率的控制依据，应该包含铲运机当前的横向位置偏差、航向角偏差、航向角变化率偏差、车速及车体结构参数，由这些变量按照上述规律组合在一起，来决定转向角的控制规律。下面对这种控制规律进行分析研究。然后构建出用来导航地下铲运机的导航控制器。,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,以巷道内路面为坐标平面建立X-Y坐标系,P来代表铲运机的位置,曲线A为预先规划好的目标路径，曲线B为铲运机实际跟踪轨迹。Kg为跟踪轨迹在P点的曲率，Km为目标路径在P点的曲率，Rm为其曲率半径，Sm为目标路径曲线的弧长。a为铲运机转向角，行驶车速为Vg，车速与轨迹曲线B相切，其目标路径上P点投影车速为Vm。,铲运机轨迹曲线和轨迹参数定义,1、铲运机路径跟踪轨迹特性研究：,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,（1）投影车速与铲运机车速的函数关系（2）横向位置偏差与航向角偏差的函数关系（3）航向角与曲率及车速的函数关系,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,（4）铲运机跟踪轨迹航向角与曲率、转向角、车速的函数关系（5）航向角偏差、横向位置偏差、转向角、目标路径曲率、车速、铲运机结构参数之间的函数关系,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,（6）地下铲运机跟踪轨迹推算模型：上述铲运机路径跟踪轨迹特性研究，揭示出轨迹偏差与车辆结构尺寸、转向角、转向角速率、车速、路径曲率的函数关系（微分方程组），为地下铲运机导航控制器设计提供了理论依据。,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,2、自主铲运机导航控制器的构建：（1）绝对定位和相对定位相结合的导航控制方法1）在绝对定位中利用激光雷达扫描安放在巷道壁已知位置的信标，来感知外部环境信息，进行准确位置识别和计算，并给出相对定位所需要的初始位置偏差和初始航向角偏差，消除相对定位过程中航位推算产生的累积误差，恢复其定位精度。2）在相对定位中应用转角传感器、陀螺仪、里程计对铲运机的位姿进行测量，由导航控制器推算出跟踪轨迹与目标路径的偏差来进行导航控制。,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,每隔一定距离在巷道壁已知位置安放信标（绝对定位），来提供准确的定位测量数据，消除相对定位（轨迹推算）过程中的累积误差，特别是在一些关键地点（节点），如转弯处、避障处、起点、终点等，更是需要信标的准确定位数据。,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,（2）导航控制器多偏差融合反馈借鉴人类在处理跟踪问题的智慧及路径跟踪轨迹特性研究成果，将导航控制器设计成三偏差融合反馈的导航控制器，其中三偏差融合反馈计算公式为：多偏差融合反馈形成三种反馈控制作用的相互制约，避免了单一反馈控制的局限性，使得导航控制具有预测性和前瞻性，通过改变反馈系数，可以改变三项偏差在反馈中的权重，方便地调节导航控制系统总的响应特性，实现快速与稳定的均衡。,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,（3）地下铲运机多偏差导航控制器结构框图,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,地下铲运机PID多偏差导航控制器的算法框图,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,3、PID多偏差导航控制器的计算机仿真a）跟踪正弦路径时轨迹仿真（多偏差导航控制器）,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,4、目标路径的规划目标路径规划是自主铲运机导航与控制的基础。由于井下巷道狭小，铲运机车身外廓距巷道壁只有0.9米左右，容易发生碰撞事故，因此，规划好自主铲运机目标路径具有重要意义。由上面路径跟踪轨迹仿真分析可知，由该PID多偏差导航控制器，只要知道初始的车辆状态和初始的横向位置偏差和航向角偏差，就可以推算出后续的一系列控制作用和与该控制作用相对应的一系列轨迹偏差的变化值，这样有了该PID多偏差导航控制器就可以作为全工况模拟机，模拟出各种路径情况下的跟踪轨迹情况。,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,5、铲运机局部避障的导航控制方法在铲运机行驶时，为了实现局部避障，可以事先规划出避障路径，但是这种避障路径计算公式很复杂，难于求解，还需要事先存储该路径数据，导致实际使用很不方便。经研究发现，可以在避障过程中，人为向导航控制器中添加一个避障阶跃值（如-1m），经导航控制器计算后，输出转向控制电压，使车辆向右避让1m距离，通过障碍物后，再加上一个反向的阶跃值（1m），使车辆左转回到原来的目标路径上。直巷道时局部避障仿真图见下图。,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,直巷道时局部避障仿真图：红色线为铲运机定位参考点的轨迹，粉色线为铲斗尖的轨迹，蓝色线为发动机所在后车体左右两端顶点的轨迹。该方法省去了复杂的避障路径规划，简单易行，计算速度快，系统响应快。,（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究,6、紧急停机及报警区域设置：地下铲运机在相对定位轨迹推算导航过程中，由于测量计算误差及打滑等因素影响，铲运机可能会偏离预定的轨迹，在井下狭小的空间里，铲运机如发生轨迹偏离很可能会造成设备碰撞损坏，因此，有必要利用激光扫描测量光束在铲运机周边设置报警区和停机保护区。,（三）、无人操作铲运机模型技术研究,为验证铲运机的自主位置和姿态确定技术，研究组人员加工制作一台铲运机的模型样车，样车分前后两个车体，铰接转向，车架由槽钢焊接制作，四轮独立驱动，动力分别由四个直流无刷电机经过一级减速的齿轮箱传递到车轮，转向机构采用电动推杆，加装了传感器的模拟样机如图,（三）、无人操作铲运机模型技术研究,模型样机传感器分布：,（三）、无人操作铲运机模型技术研究,超视距遥控系统：操作台包括3个二位旋钮开关，4个按钮，三个指示灯，两个手柄，两个踏板，共有16路数字量，4路模拟量，可以实现启动、停止、手动/自动，大臂举升，大臂下降，铲斗反转，铲斗收起，前进/后退，左转向/右转向，紧急停止，喇叭，制动，油门等。,（三）、无人操作铲运机模型技术研究,电子地图显示系统：通过RS232接收操作台上发送的控制命令(控制命令包括：启动、熄火、手动/自动切换、急停、喇叭、驻车、举臂、放臂、前进、后退、转向、加速及制动等)，并将控制命令信息显示于状态区（见图4-2-2-11），同时将控制命令通过以太网以UDP方式发送给模拟样机，实现超视距遥控功能,（三）、无人操作铲运机模型技术研究,走廊环境定位实验结果：,（三）、无人操作铲运机模型技术研究,定位实验结果分析：,（三）、无人操作铲运机模型技术研究,走廊环境导航实验结果：模型样机的导航试验分为两部分独立进行：1）模型样机的沿墙走试验，即模型样机自主完成从起点到终点再回到起点的过程，此过程中不指定行进路线，以不碰墙壁为第一准则；2）模型样机的沿规划路径行走试验，即模型样机要根据给定的规划好的路径自主完成行走。上述两实验取得圆满成功。走廊环境视频链接,（四）、智能化铲运机总体集成技术研究,按照课题任务书要求完成了两立米遥控铲运机的三维模型建立、液压控制系统、遥控控制系统、传感器检测系统、智能化控制器的开发；并成功制造出满足课题需求的两立方米智能化铲运机，实现预期目标。,（四）、智能化铲运机总体集成技术研究,首先利用专业三维建模软件PRO-Engineer（简称PRO/E）对铲运机进行三维建模。,（四）、智能化铲运机总体集成技术研究,电液比例转向控制系统：电液比例转向控制系统主要由转向油泵、液控换向主阀、转向液压缸、手动转向先导阀、遥控转向先导阀块等组成。该转向系统采用手动先导和遥控先导并联的结构，既可以由手动操纵，也可以由遥控操纵。,（四）、智能化铲运机总体集成技术研究,电液比例转向控制系统框图：,（四）、智能化铲运机总体集成技术研究,（四）、智能化铲运机总体集成技术研究,无线网络系统：主要包括主干通信系统、智能基站、分路器和通信电缆。,（四）、智能化铲运机总体集成技术研究,遥控系统：遥控面板指令示意,（四）、智能化铲运机总体集成技术研究,铲运机总体控制结构图,（五）、智能化铲运机自主导航定位实验,导航控制单元完成自主导航试验。采集主控单元传输过来的各个传感器信号，并在导航程序中进行运算得出相关控制指令。另外实时接收主控单元传输的各种传感器检测信号。所有单元之间通过CAN总线方式进行数据传输，CAN通讯中的数据传输协议为自主制定，可以随便更改，保证系统的灵活性。,（五）、智能化铲运机自主导航定位实验,巷道环境模拟：针对井下巷道壁凹凸不平的特点，以油布为道具，设计了一条带转弯的“随风摆动”巷道，用以模拟井下凹凸不平的墙壁。同时放置了定位所需的信标。,（五）、智能化铲运机自主导航定位实验,实验结果：跟踪直线轨迹实验设定初始航向角为0度，初始航向偏差为0度，初始位移偏差为0米，多次实验的数据如表所示：,（五）、智能化铲运机自主导航定位实验,实验结果：跟踪直线轨迹实验设定初始航向角为5度，初始航向偏差为5度，初始位移偏差为0.5米。多次实验的数据如表所示：,（五）、智能化铲运机自主导航定位实验,实验结果：跟踪圆轨迹实验设定初始航向角为0度，初始航向偏差为0度，初始位移偏差为0米，多次实验的数据如表所示：设定初始航向角为5度，初始航向偏差为5度，初始位移偏差为0.5米，多次实验的数据如表所示：,（五）、智能化铲运机自主导航定位实验,实验结果分析：实验中，反馈的数据是车体前后的实时夹角和陀螺仪