中國報告大廳網(wǎng)訊，在地下金屬礦開采深度不斷加深的當下，人員工作環(huán)境愈發(fā)惡劣。各大礦山紛紛加大對無人化、智能化設(shè)備的投入，地下鏟運機作為地下礦山開采的主力設(shè)備，其自主鏟裝技術(shù)的突破對實現(xiàn)作業(yè)全流程無人化意義重大。它不僅能保障地下人員作業(yè)安全，還能提升地下作業(yè)經(jīng)濟效益。
2008年，國內(nèi)開啟了地下智能鏟運機研發(fā)的征程。當時，相關(guān)單位聯(lián)合依托 “十一五科技支撐計劃”，對國產(chǎn)鏟運機進行智能化改造，實現(xiàn)了視距遙控功能。通過采用前視激光雷達、鉸接角傳感器、里程計、側(cè)視信標雷達等多傳感器融合方式，首次在地表實現(xiàn)了地下鏟運機智能行駛，為鏟運機智能化發(fā)展邁出了關(guān)鍵的第一步。
到了2014年，基于 “十二五國家 863 計劃”，進一步開發(fā)了地下智能鏟運機。借助智能鏟運機本體、地下通訊網(wǎng)絡(luò)、UWB 及激光雷達的定位方式，成功實現(xiàn)了地表遠程遙控鏟裝以及井下自主智能行駛的功能，讓鏟運機在智能化道路上又前進了一大步。
2022年，新一代地下智能鏟運機自主研發(fā)成功。此次研發(fā)依托 “十三五國家重點研發(fā)計劃”，利用多傳感器融合技術(shù)，實現(xiàn)了地下鏟運機車體姿態(tài)實時感知、巷道環(huán)境實時感知、料堆形狀實時建模。不僅實現(xiàn)了自主行駛，還首次達成了自主鏟裝作業(yè)，使鏟運機作業(yè)全流程邁向自動化及智能化，并在工業(yè)現(xiàn)場進行了示范應(yīng)用。
《2025-2030年中國鏟運機行業(yè)市場分析及發(fā)展前景預(yù)測報告》指出，要讓鏟運機實現(xiàn)自主鏟裝，一系列關(guān)鍵功能必不可少。這依賴于車身姿態(tài)實時感知與控制、鏟裝環(huán)境及動作實時感知與控制、精確的定位與導航以及巷道環(huán)境的精確感知，這些功能構(gòu)建起了自主鏟裝的堅實基礎(chǔ)。
在這個系統(tǒng)中，鏟運機通過里程計實時檢測車輛的車速，發(fā)動機 ECU 監(jiān)測發(fā)動機轉(zhuǎn)速，變速箱 APC120 反饋變速箱擋位，轉(zhuǎn)角傳感器感知鉸接角，油溫傳感器和油壓傳感器分別檢測油溫與油壓。同時，車載 PLC 對油門、剎車、轉(zhuǎn)向油缸、大臂油缸、轉(zhuǎn)斗油缸的動作進行實時控制。如此一來，便能實現(xiàn)對鏟運機車輛本體姿態(tài)的實時精準感知與控制。
鏟運機運用 UWB、多線激光雷達及里程計的多傳感器融合定位方式，實現(xiàn)實時精確定位。車載計算機對全局及局部路徑進行規(guī)劃，依靠精確定位系統(tǒng)，引導鏟運機按照預(yù)定軌跡行駛，確保其在復(fù)雜的地下環(huán)境中也能準確行進。
多線激光雷達對料堆進行實時掃描，通過檢測大臂油缸伸縮量及轉(zhuǎn)斗油缸伸縮量，結(jié)合車身姿態(tài)系統(tǒng)，對鏟裝動作進行精確控制。同時，通過實時檢測車體垂直傾角、舉升油壓、轉(zhuǎn)斗油壓，對鏟裝物料進行精確稱重，以保證滿斗率，提升鏟裝作業(yè)的質(zhì)量和效率。
通過巷道攝像頭，鏟運機可對巷道環(huán)境進行監(jiān)測;固定通訊模塊實現(xiàn)車體和外界的實時通訊;固定的 UWB 模塊及事先標定的絕對坐標，用于實現(xiàn)對車體的實時定位;通訊模塊和遠程駕駛模塊，則能實現(xiàn)對車輛狀態(tài)的遠程監(jiān)測和控制，讓操作人員隨時掌握鏟運機的工作狀況。
完成上述實車改造后的第三代地下智能鏟運機，具備了更強大的功能，為自主鏟裝作業(yè)提供了有力支持。
地下鏟運機以多線車載激光雷達及自身車輛位置信息為基礎(chǔ)，對料堆進行實時掃描，構(gòu)建料堆三維模型，從而確定鏟裝中心位置。料堆掃描系統(tǒng)以車輛為搭載平臺，利用三維激光雷達進行料堆掃描。結(jié)合車輛定位信息對掃描信息進行實時編碼處理，隨后進行點云數(shù)據(jù)濾波、配準、點云分割，得到礦石料堆的三維深度信息，進而精準確定鏟裝中心點。
根據(jù)確定的鏟裝中心位置及鏟運機當前位置，同時識別墻壁，規(guī)劃向料堆中心的行駛軌跡。由于鏟運機車身不規(guī)則且前后車體鉸接，在巷道中行駛軌跡復(fù)雜，轉(zhuǎn)彎時更是難控制。加之地下巷道狹窄，巷道壁表面凹凸不平，軌跡偏差計算難度大，這些因素都增加了行駛控制的難度。因此，基于鏟運機的鉸接結(jié)構(gòu)及運行軌跡特點，結(jié)合規(guī)劃路徑和精確定位信息，采用橫向位置偏差、航向角偏差、航向角偏差變化率的三偏差融合算法，使鏟運機能夠按照預(yù)定軌跡朝鏟裝點行駛。
鏟運機到達鏟裝點后，依據(jù)構(gòu)建的三維料堆信息，以鏟裝滿斗率為目標規(guī)劃鏟裝軌跡。具體而言，依靠激光點云數(shù)據(jù)擬合得到的實時料堆輪廓曲線，結(jié)合鏟入階段的鏟入深度，規(guī)劃鏟裝曲線，得到鏟斗鏟尖的位移軌跡曲線。再依據(jù)鏟運機工作機構(gòu)位置構(gòu)建的運動學方程，對鏟尖的位移軌跡曲線進行逆求解，得出與鏟尖位移軌跡曲線對應(yīng)的鏟運機舉升缸和轉(zhuǎn)斗缸的實時位置。
根據(jù)實際鏟裝車速，結(jié)合鏟尖位移軌跡曲線的逆求解結(jié)果，得到舉升缸和轉(zhuǎn)斗缸的精確理論行程。通過車載計算機和車載 PLC 實現(xiàn)對兩根油缸的精確控制，利用轉(zhuǎn)角傳感器和拉線傳感器實現(xiàn)對兩根油缸實時行程的實時反饋，實現(xiàn)舉升缸和轉(zhuǎn)斗缸的精確閉環(huán)控制。進而實現(xiàn)對鏟裝的精準控制，確保鏟運機按照預(yù)定鏟裝軌跡進行鏟裝，保證一次鏟裝的滿斗率。
通過對鏟運機行業(yè)工作機構(gòu)特性的研究，建立稱重模型，設(shè)計高精度動態(tài)稱重系統(tǒng)。在一次鏟裝完成后，對礦石進行自動稱重。若滿斗率達標，鏟運機退出鏟裝，進入自主行駛，前往卸載點;若滿斗率不達標，則返回上一步，進行二次鏟裝。
上述系統(tǒng)搭建完成后，首先進行功能及可靠性測試。之后開展人工鏟裝測試，記錄司機端的操作，并結(jié)合三維料堆信息進行綜合分析，以此改進鏟裝策略。經(jīng)過一系列測試，得到了具體的試驗參數(shù)及效果。例如，在稱重數(shù)據(jù)校驗方面，對不同實際重量的礦石進行計算重量的測試，偏差百分比在一定范圍內(nèi)，驗證了稱重系統(tǒng)的準確性。在鏟斗軌跡空載跟蹤效果、地下鏟運機路徑跟蹤效果以及試驗鏟裝效果等方面，也都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)和圖表展示，為系統(tǒng)的優(yōu)化提供了依據(jù)。
地表廠內(nèi)試驗完成，鏟運機本體所有系統(tǒng)測試完畢后，進入井下實車測試。地下鏟運機進入巷道后，與通訊系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、UWB 定位系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)。全部系統(tǒng)打通后，開始試驗。經(jīng)過多輪改進，鏟運機鏟斗能夠較好地跟蹤規(guī)劃曲線，達到理想的鏟裝效果。第三方測試顯示，一次鏟裝滿斗率達到 97.3%，詳細的鏟裝數(shù)據(jù)進一步證明了系統(tǒng)的有效性。
針對地下鏟運機鏟裝作業(yè)特性，綜合考慮工況因素影響，對地下鏟運機自主鏟裝作業(yè)展開深入研究。搭建的自主鏟裝系統(tǒng)，通過廠內(nèi)試驗打通了車輛本體所有系統(tǒng)并完成測試。在井下巷道與通訊系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、UWB 定位系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后，完成最終測試，一次鏟裝滿斗率達 97.3%。測試結(jié)果表明，完善的系統(tǒng)開發(fā)、合理的傳感器布置以及有效的程序控制，是實現(xiàn)無人化鏟裝的可行途徑。該研究成果為地下鏟運機全流程自主化作業(yè)提供了重要參考，有望推動鏟運機行業(yè)在智能化、無人化方向上取得更大發(fā)展，提升地下礦山開采的整體效率和安全性。
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