特大型矿用挖掘机挖掘阻力感知与仿真研究.pdf

第1 9 卷第5 期 2 0 2 1 年1 0 月 中国工程机械学报 C H I N E S EJ O U R N A LO FC O N S T R U C l l 0 NM A C H I N E R Y V 0 1 ．1 9N o ．5 0 c t ．2 0 2 1 特大型矿用挖掘机挖掘阻力感知与仿真研究 李运华，牛天昊 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京1 0 0 1 9 1 摘要特大型矿用挖掘机由于缺少力反馈，操作员很难感知挖掘阻力信息和选择合适的操作功率模式。针对这 个问题，提出基于所测取的物料参数进行挖掘阻力仿真模拟的方法。首先，为了获取物料参数中矿石粒径这一 重要参数，利用图像处理技术处理无人机航拍矿山得到的矿石图像，再用分水岭算法对其分割，获取矿石粒径大 小并统计分布情况；其次，在仿真软件E d e m 中，结合已知的物料参数建立挖掘机工作装置模型与矿山模型，模 拟挖掘动作，利用离散元素法计算出挖掘阻力。该方法能准确地获得挖掘机在指定区域内作业时的阻力信息， 并作为重要信息辅助操作人员进行功率模式选择。 关键词特大型矿用挖掘机；分水岭算法；矿石图像分割；挖掘阻力感知；离散元素法 中图分类号T D4 ；T D6 7文献标志码A文章编号1 6 7 2 ．5 5 8 1 2 0 2 1 0 5 ．0 4 0 3 ．0 6 S t u d y o np e r c e p t i o no fe x c a v a ‘‘ n1． I s i m u l a t i o n1 0 rS U p e r - n U g em i n i n ge x c a v a t o r L IY u n h u a ，N I UT i a n h a o S c h o o l o f A u t o m a t i o n S c i e n c ea n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，B e i h a n g U n i v e r s i t y ，B e i j i n g1 0 0 1 9 1 ，C h i n a A b s t r a c t D u et ot h el a c ko ft h ef o r c ef e e d b a c k 。i ti sd i f f i c u l tf o rt h eo p e r a t o rt op e r c e i v ee x c a v a t i o n r e s i s t a n c ei n f o r m a t i o na n dc h o o s et h ea p p r o p r i a t ee n g i n ep o w e rp a r a m e t e r sw h e nt h es u p e r h u g e m i n i n ge x c a v a t o ri so p e r a t i n gi nt h em i n e ．T oa d d r e s st h i si s s u e ，am e t h o dt os i m u l a t et h ee x c a v a t i o n r e s i s t a n c eb a s e do nt h em e a s u r e dm a t e r i a lp a r a m e t e r si sp r o p o s e d ．F i r s t ，i no r d e rt oo b t a i nt h eo r e p a r t i c l es i z ew h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e r ，t h i sa r t i c l eu s e si m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt o p r o c e s st h eo r ei m a g eo b t a i n e db yd r o n ea e r i a lp h o t o g r a p h y ，a n dt h e nu s e sw a t e r s h e da l g o r i t h mt o s e g m e n ti tt oo b t a i nt h eo r ep a r t i c l es i z ea n ds t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o n ．S e c o n d l y ，i nt h es i m u l a t i o n s o f t w a r eE d e m ，c o m b i n e dw i t ht h ek n o w nm a t e r i a lp a r a m e t e r s ，t h ee x c a v a t o rw o r k i n gd e v i c em o d e l a n dt h em i n em o d e la r ee s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h ee x c a v a t i o na c t i o n ，a n dt h ed i s c r e t ee l e m e n t m e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h ee x c a v a t i o nr e s i s t a n c e ．T h es c h e m ep r o p o s e di nt h i sp a p e rC a n a c c u r a t e l ya c q u i r et h er e s i s t a n c ei n f o r m a t i o no ft h ee x c a v a t o rw h e nw o r k i n gi nt h ed e s i g n a t e da r e a ， a n da s s i s tt h eo p e r a t o ri nt h eo p e r a t i o na si m p o r t a n ti n f o r m a t i o n ． K e yw o r d s s u p e r h u g em i n i n ge x c a v a t o r ；w a t e r s h e da l g o r i t h m ；o r ei m a g es e g m e n t a t i o n ； p e r c e p t i o no fe x c a v a t i n gr e s i s t a n c e ；d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d 特大型矿用挖掘机在露天矿铲装作业时，由于 环境恶劣、作业视场大、能见度差等原因，操作人员 很难估计挖掘阻力信息，只能凭经验选择操作功率 模式。因此，在挖掘作业开始前通过状态感知和仿 真的手段预测挖掘阻力信息，对实现挖掘机最佳作 业具有十分重要的意义n 1 。 离散元素法是仿真预测挖掘阻力的重要方法， 陈烨掣2 1 利用离散元素法建立挖掘对象的仿真模 型，分析挖掘过程中的受力和耗能。在离散元仿真 中需要知道矿石粒径参数信息，目前主要是通过人 基金项目N S F C 一山西煤基低碳联合基金重点资助项目 U 1 9 1 0 2 1 1 作者简介李运华 1 9 6 3 一 ，男，教授，博士。E ．m a i l y h l i b u a a ．e d u ．a n 万方数据 中国工程机械学报 第1 9 卷 工取样的方式获取，费时费力。黄习敏等旧1 对矿石 粒径获取进行了研究，利用图像处理技术对矿石图 像进行了分割和识别。本文提出利用分水岭算法 W a t e r s h e dA l g o r i t h m ，、似 对航拍获得的矿石照 片进行分割，从而获得矿石粒径大小，并与离散元 仿真相结合。该方法能解决离散元仿真中关键参 数获取困难的问题，可以更加准确有效地预测挖掘 阻力，为矿山安全、经济作业提供了有效的数据 支持。 1 矿石粒径提取 1 ．1 方案设计 对无人机航拍获取到的矿石图片进行图像处 理，获得真实的矿石粒径大小及分布，其实现步骤 如下 步骤1 对得到的原始图像进行预处理，得到 降噪后的图像； 步骤2 对预处理后的图像进行形态学重构， 使矿石边缘更加清晰； 步骤3 对重构后的图像进行阈值分割，得到 二值图像； 步骤4 利用W A ，可以将图像中每个矿石颗 粒分割出来，并计算每一个矿石颗粒包含的像素点 个数； 步骤5 结合标定过的图像，推算其真实的 粒径。 基于图像处理的矿石粒径提取流程图如图1 所示。 航拍获取图像卜叫预处理卜叫形态学重构卜_ 叫二值化 获得矿石粒径H 标定比对H 分水岭算法分割 图1 基于图像处理的矿石粒径提取流程图 F i g ．1 F l o wc h a r to fc o a l - o r ep a r t i c l es i z ee x t r a c t i o n b a s e do ni m a g ep r o c e s s i n g 1 ．2 图像预处理 采用R G B 彩色图像表征矿石信息。为了减少 处理工作量，增加背景与矿石颗粒的对比度，需要 将彩色图像变换为灰度图像。由于空气中的灰尘 以及拍摄时的抖动等原因，图像不可避免地会出现 噪声，因此，需要对转换后的灰度图进行滤波降噪。 基于实验对比，这里采用中值滤波，如图2 所示。 1 ．3 形态学重构 图像进行滤波后，虽然减小了噪声的影响，但 图2 中值滤波后的图像 F i g ．2I m a g ea f t e rm e d i a nf i l t e r i n g 是由于矿石本身纹理的存在，使得图像中仍有许多 的像素极值区域，对之后的分割造成极大的影响。 因此，使用形态学中的重构运算来解决这类问 题心] 。首先对图像进行开操作、腐蚀操作后进行第 1 次重构；其次对操作后的图像进行膨胀，将膨胀后 的图像取补，将上一步操作后的图像取补做掩膜， 再次重构，并对结果取补。重构操作后不仅能进一 步去噪，更能简化矿石纹理，保留矿石原本形状，消 除多余的极值区域。 如图3 所示，经过重构后的图像，矿石自身的 纹理被消除了，更加突出了矿石原本的轮廓，矿石 与背景的明暗对比更加突出，对于后续分割步骤具 有重要意义。 图3 形态学重构后的图像 F i g ．3I m a g ea f t e rm o r p h o l o g i c a l r e c o n s t r u c t i o n 1 ．4 二值化处理 彩色图像二值化是图像分割中最常见的方法， 并且在本研究中发现W A 在二值图上的表现更加 良好，因此，需要对重构后的图像进行二值化处理， 以便后续步骤的进行。本研究采用的是自适应阈 值的二值化方法晦1 ，能尽量减小光照对图像的影 响。该算法的原理是将图像视为所有行拼起来的 单行，之后遍历图像，计算某一像素点一定范围内 万方数据 第5 期 李运华，等特大型矿用挖掘机挖掘阻力感知与仿真研究 的所有像素点的平均值，并将所求得的平均值作为 阈值，判断该像素点为黑色还是白色。 假谢 哟是n 处像素点前s 个像素的和 正 哟 y p 州 1 那么n 处像素点的值T 哟是置1 黑色 还是0 白 色 ，则取决于该点像素值与其前S 个像素的平均 值的百分之t 的大小关系，计算公式为 荆j ㈨。 降 等 ㈦ 1 0 ，其他 对重构后的图像进行自适应阈值的二值化处 理，如图4 所示。 图4 二值化处理后的图像 F i g ．4I m a g ea f t e rb i n a r i z a t i o np r o c e s s i n g 1 ．5 分水岭算法 W A 在处理存在黏连、重叠情况的图像时，有 着良好的效果，因此，本文选择W A 分割矿石图像。 W A 把图像看成测地学上的地貌阳] ，图像中每一点 像素的灰度值表示该点的海拔高度，通过模拟泛洪 过程求取分水岭的分割线。具体过程为假设在每 个区域最小值的位置上打一个洞并且让水以均匀 的上升速率从洞中涌出，从低到高淹没整个地形。 当处在不同的盆地中的水将要聚合在一起时，修建 的大坝将阻止聚合。这些大坝的边界就是分水岭 的分割线。 模拟泛洪过程是个递归过程，其初始条件为 凰。。2 死～ D 3 式中墨。。为图像中灰度值为最小值的像素点。 递归过程为 X h 1 m i n 川U C x h 呱n X h 1 ， V h ∈【h 。i r I ，h 。。一l 】 4 式中h 、h 嘣。和h 。。依次为灰度值、最小灰度值和最 大灰度值；凰 。为灰度值，即海拔高度为h l 的所 有像素点；m i n 川为此点属于新产生盆地最小值 点，即在h l 海拔高度又产生了新盆地；凰n 凰 。 为凰与五 。相交；G 。为凰所在的盆地。 通过此递归过程，将图像中的所有像素点划分 到每个盆地中，最后所有同时属于2 个及以上盆地 的相邻像素点所连成的线便是每块矿石的边缘轮 廓线。图5 为利用W A 分割矿石图像的分割线。 图5 分水岭脊线图 F i g ．5S e g m e n t a t i o nl i n em a po b t a i n e db yW A 为了更好地展示分割效果，在原图中将分割出 的不同区域用不同的颜色覆盖，绘制出伪彩色图， 如图6 所示。从伪彩色图中可以看出，大部分的矿 石颗粒都被一种颜色完整地覆盖，说明W A 可以较 好地完成矿石图像的分割。 图6 伪彩色图展示效果 F i g ．6P s e u d o - c o l o rm a p 1 ．6 获得矿石粒径 对分割出来的矿石区域进行连通域标定，读取 出每一区域的面积。图像处理中图像的面积单位 为像素点的个数，因此，用像素点个数统计矿石面 积分布情况，如图7 所示。 像素点数与实际尺寸的换算可以采用以下方 法利用无人机飞到相同高度，对标准正方形进行 拍摄，标定用的标准方形颜色与背景颜色要有明显 差异。获取标准方形在图像中所占像素点个数n 1 ， 万方数据 中国T 程机械学报 第1 9 卷 Z0 0 0 像素点个数范围 图7 矿石面积分布 F i g ．7 O r ea r e ad i s t r i b u t i o n 用像素点个数与标准方形面积相除即可获得比例 系数Z 。标准方形如图8 所示。 ■{ a 标准方形C o 标准方形标定 图8 标准方形及其标定图 F i g ．8 S t a n d a r ds q u a r ea n di t sc a l i b r a t i o ni m a g e 若第i 个矿石颗粒的面积为 ，则通过简化计 算第Z 个矿石的面积径d ；为 d f 2 、厮 5 D ； Z d ； 6 式中D 。为通过图像得到的第i 个矿石颗粒的实际 近似粒径。 通过此方法，可以获取矿石图像中每个矿石所 占像素点，并完成像素点与实际粒径的转换，获取 矿石的粒径大小及分布信息。 2 挖掘阻力仿真 2 ．1 方案设计 在挖掘机工作装置结构与物料参数已知的基 础上，在E d e m 仿真软件中，利用离散元素法计算 出对于该物料1 次挖掘作业过程中所受挖掘阻力 值，并根据阻力值的大小建议合适的操作功率模 式，达到既满足作业需求又节省能量的效果，具体 流程如图9 所示。 2 ．2 离散元素法 离散元素法的基本思路是将仿真对象看成刚 图9 挖掘阻力仿真流程图 F i g ．9 F l o wc h a r to fe x c a v a t i o nr e s i s t a n c es i m l l l a t i o n 性的或可变形的物体，当受到外力时，该物体会获 得1 个加速度，在1 个仿真步长内可通过计算得到 新的位置；在下一个仿真步长时，物体在新位置又 会产生碰撞，根据牛顿第二定律又可以计算出新的 外力，进而确定新的位置，如此迭代计算直至仿真 结束或平衡[ 8 1 。本文所研究的是不可变形、滑动摩 擦情况较少的矿石，根据这些特点，在模拟矿山挖 掘作业时，选择H e r t z M i n d l i n n os l i p 接触模 型旧1 ，该模型是离散元素法中应用最为广泛的模 型，在力的计算方面精确且高效。0 I 。 2 ．3 挖掘机工作装置 本文以太原重工W K 系列中的正铲电铲挖掘 机W K ．3 5 为研究对象，其工作装置主要由鞍座、推 压轴、起重臂、斗杆、顶部滑轮、铲斗组成。挖掘作 业时，牵引绳拉动铲斗，使铲斗绕推压轴进行圆周 运动。依照W K 一3 5 挖掘机产品手册，在3 d s m a x 中 建立电铲挖掘机工作装置三维模型，将其导人到 E d e m 软件中，并设定其运动姿态变化。 2 ．4 设置材料参数 颗粒材料相关参数分为两类一类为颗粒材料 自身的参数，即泊松比、密度、剪切模量；另一类为 颗粒材料间接触参数，即静摩擦系数、滚动摩擦系 数、碰撞恢复系数。在本研究中，作业对象的材料 是矿石，挖掘机工作装置的材料为钢铁，岩 矿 石 物性资料可获得相关参数值如表1 和表2 所示。 表1 材料自身参数 T a b ．1M a t e r i a lp a r a m e t e r s 表2 材料间接触参数 T a b ．2C o n t a c tp a r a m e t e r sb e t w e e nm a t e r i a l s { ；} 沥 加 坫 m 0 0 籁七悼k 万方数据 第5 期 李运华．等特大型矿用挖掘机挖掘阻力感知与仿真研究 2 ．5 设置矿石粒径分布 利用第l 章中的技术方案，可以获得矿石粒径 大小及分布情况这一关键参数，该参数对于破碎后 露天矿矿岩模型的构建至关重要。本研究以抚顺 东某露天矿场的数据为参考，得到的数据如表3 所示。 表3 矿石粒径与分布表 T a b ．3O r ep a r t i c l es i z ea n dd i s t r i b u t i o nt a b l e 确定上述参数后，在E d e m 中生成破碎后的露 天矿矿岩模型，如图1 0 所示。 图l O 破碎后嚣天矿矿岩模型 F i g ．1 0O p e n - p i tm i n er o c km o d e la f t e rb l a s t i n g 2 ．6 仿真结果及分析 仿真过程以斗杆垂直于地面，铲斗略微插入矿 堆中为仿真起始点；挖掘作业时斗杆与铲斗绕推压 轴做匀速圆周运动；以铲斗完全离开矿堆，斗杆与 地面接近平行为仿真终止点，仿真模拟挖掘动作。 仿真模拟挖掘动作如图1 1 所示。 ／ ≯蝴 图1 1 仿真模拟挖掘动作 F i g ．1 1S i m u l a t e de x c a v a t i o n 仿真结束后将铲斗分为斗与斗齿，进行受力分 析。如图1 2 所示，斗齿在作业时受到多个方向上 的力，其受到的合力值较斗受到的合力大很多，且 不能体现出牵引绳给予的拉力，因此，本文对斗齿 所受的力不展开讨论。斗受到的合力值一直处于 合理的区间范围内，并且当铲斗被提升至空中时， 合力值稳定。在被挖掘物料的重力附近，斗所受到 的合力可以代表牵引绳所提供的拉力。因此，选取 斗所受到的合力值作为操作功率模式选择的 依据。 图1 2 斗与斗齿受力情况对比 F i g ．1 2C o m p a r i s o no ff o r c eb e t w e e nb u c k e ta n d b u c k e tt e e t h 图1 3 为1 次挖掘过程中铲斗受到的合力情况， 其峰值约为8 0 0k N 。根据w K 一3 5 产品介绍可 知，W K ．3 5 电铲挖掘机最大提升力为21 5 0k N 。在 考虑到安全作业的情况下，操作员可以将输出力定 为9 0 0k N ，这时建议操作员可以将电机调成中等功 率输出。 图1 3 斗的受力情况 F i g ．1 3T h ef o r c ea c t e do nt h eb u c k e t 综上所述，在掌握了作业对象的关键参数后， 在E d e m 中进行离散元仿真，可以准确地获得针对 该对象作业时挖掘阻力的大小，并根据挖掘阻力值 指导操作员进行操作功率模式选择。 3结论 1 本文所提出的通过航拍矿山获取矿石图 像后，对图像进行处理获得矿石真实的粒径大小的 方案，可以有效解决在挖掘阻力仿真中，矿石粒径 大小及分布信息获取困难的问题。 2 本文为操作员提供了感知作业阻力的有 效方法。利用已知的作业对象参数，在E d e m 软件 万方数据 4 0 8中国工程机械学报 第1 9 卷 在构建模型，利用离散元素法进行仿真，获得挖掘 阻力信息，为操作员选择操作功率模式提供了理论 依据。 [ 5 ] 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 王浪．纯电驱动工程机械动力总成控制策略研究[ D ] ．泉 州华侨大学，2 0 1 9 ． W A N GL ．R e s e a r c ho np o w e ra s s e m b l yc o n t r o ls t r a t e g y o fp u r ee l e c t r i c - 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