露天潜孔钻机钻孔自动定位研究.pdf

中图分类号婴垒 U D C6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 3 兰 密级公珏 露天潜孔钻机钻孔自动定位研究 R e s e a r c ho nA u t o m a t i cD r i l l i n gP o s i t i o n i n go f D o w n - - t h e h o l eD r i l l i n gR i g 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 史建 机械工程 车辆工程 机电工程学院 吴万荣 曹中一 论文答辩日期出莎 答辩委员会主康幽氐 中南大学 二。一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明 ⅢI l i l l l ll l l l l l l l l f J I l l l l l l i l r l f l l l l l I J l l l l IPilr Y 2 6 8 7 9 3 6 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名遮垒． 日期兰生生年上月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论 文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它 手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名遮盔． 日期竺丝年』月乒日 导师签名必导师签名芝∑野 日期丝年』月互日 万方数据 露天潜孔钻机钻孔自动定位研究 摘要露天潜孔钻机具有适用范围广、钻孔深、钻孔直径大等优点，是露 天矿山开采过程中广泛采用的钻孔设备。钻孔定位的速度和精度是影响施 工效率和质量的主要因素之一，但目前钻孔定位多由人工操作完成，定位 精度差、效率低。本文以实现露天潜孔钻机钻孔自动定位为研究目标，对 露天潜孔钻机钻孔定位和定位控制进行理论研究，并进行建模仿真和实验 验证。 首先，对露天潜孔钻机钻孔自动定位方法进行了描述，结合现有定位 技术的特点和适用性，提出了基于两标杆激光扫描定位的方案；针对激光 扫描定位可能会出现扫描盲区，提出了采用航位推算定位 D R 定位 进 行过渡的方案。 其次，针对提出的基于两标杆激光扫描定位和D R 定位的方案，建立 了激光扫描定位系统和D R 定位系统，对定位系统的组成部分和工作原理 进行了分析；构建了激光扫描定位和D R 定位的定位模型，推导出了定位 算法；分析了各误差源对定位精度的影响，建立了误差模型并进行了仿真， 得出了各误差源与钻孔定位误差的定量关系，为传感器精度的选择和钻孔 定位误差分析提供了理论依据；提出了钻孔定位控制方案，重点研究了工 作机构定位控制，构建了工作机构电液比例控制系统数学模型，设计了 P I D 控制器，并通过M A T L A B 工具箱对工作机构定位控制进行了仿真， 验证了定位控制方案的可行性。 最后，搭建了露天潜孔钻机钻孔自动定位实验平台，对提出定位方案 的可行性进行了实验验证，对露天潜孔钻机工作机构的定位控制进行了实 验研究。实验结果表明，所提出的露天潜孔钻机钻孔定位和定位控制方案 能够实现露天潜孔钻机钻孔自动定位，验证了理论研究的正确性。 关键词露天潜孔钻机；钻孔自动定位；激光扫描定位；D R 定位；定位 控制 分类号T D 4 1 万方数据 R e s e a r c ho nA u t o m a t i cD r i l l i n gP o s i t i o n i n go fD o w n - t h e h o l e D r i l l i n gR i g A b s t r a c t D o w n - t h e ．h o l e D T H d r i l l i n gr i gh a s b e e nw i d e l yu s e di nt h e m i n i n gp r o c e s s ，b e c a u s e i t sa d v a n t a g e so fw i d ea p p l i c a t i o nr a n g e ，d r i l l i n g d e e pa n dl a r g ed r i l l i n gd i a m e t e r ．T h ed r i l l i n gp o s i t i o n i n gs p e e da n da c c u r a c y i So n eo ft h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fm i n i n g c o n s t r u c t i o n ．B u tt h ed r i l l i n gp o s i t i o n i n gi sm o s td o n eb ym a n u a lo p e r a t i o na t p r e s e n t ，w h i c hl e dt ol o we f f i c i e n c ya n dp o o ra c c u r a c y ．I no r d e rt oa c h i e v e a u t o m a t i c d r i l l i n gp o s i t i o n i n g o fD T Hd r i l l i n g r i g ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ， s i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no fD T Hd r i l l i n gp o s i t i o na n d c o n t r 0 1w e r ec o n d u c t e d ． F i r s t l y , b yd e s c r i b i n gt h em e t h o do fD T Hd r i l l i n gp o s i t i o n i n g ，c o m b i n i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m m o n l yu s e dp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y , t h ep o s i t i o n i n g p r o g r a mo fl a s e rs c a n n i n gp o s i t i o nb a s eo nt w ol a n d m a r k sw a sp r o p o s e d ．F o r l a s e rs c a n n i n gp o s i t i o n i n gp r o g r a mm a ya p p e a rb r i e f l yb l o c k e d ，t h et r a n s i t i o n p r o g r a mu s i n gd e a dr e c k o n i n g D R p o s i t i o n i n gW a sp r o p o s e d ． S e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h el a s e rs c a n n i n gp o s i t i o n i n g a n dD R p o s i t i o n i n g p r o g r a m ，t h el a s e rs c a n n i n gp o s i t i o n i n gs y s t e ma n dD Rp o s i t i o n i n gs y s t e m w e r ed e s i g n e d ，t h ec o m p o n e n t so ft h es y s t e mw e r ea n a l y z e d ．T h ew o r k i n g p r i n c i p l eo f t h ep o s i t i o n i n gs y s t e mw a sa n a l y z e d ，t h em o d e l so fl a s e rs c a n n i n g p o s i t i o n i n ga n dD Rp o s i t i o n i n ga r ee s t a b l i s h e da n d t h ep o s i t i o n i n ga l g o r i t h m w a sc o n d u c t e d ．1 1 1 ei n f l u e n c eo f e a c he r r o rs o u r c eo nt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y w a sa n a l y z e d ，t h ee r r o rm o d e lw a sb u i l d ，a n ds i m u l a t i o nw a sc o n d u c t e dt og e t t h eq u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p o fe r r o rs o u r c ea n dp o s i t i o n i n ge r r o r , f o r p r o v i d i n gt h e o r e t i c a lb a s i st os e l e c tt h es e n s o r s ．D r i l l i n gp o s i t i o n i n gc o n t r o l p r o g r a mi Sp r o p o s e d ，f o c u s i n go nt h eb o o m c o n t r o lw h i c hd e t e r m i n e st h ef i n a l 一 一 ， a c c u r a c yo ft h ed r i l l i n gp o s i t i o n i n gc o n t r 0 1 ．B u i l dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o f t h ee l e c t r i c ．h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y s t e mo ft h eb o o m ，d e s i g nP D c o n t r o l l e r , a n dp o s i t i o n i n ge r r o ra n d b o o m p o s i t i o n i n gc o n t r o ls i m u l a t i o nw e r e c o n d u c t e da n da n a l y z e db yM A T L A Bt o o l b o x ． F i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fl a s e rs c a n n i n gp o s i t i o n i n gs y s t e m w a sb u i l t ，t ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dp o s i t i o n i n gp r o g r a m ．A n d t h e nt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h eD T Hd r i l l i n gb o o mc o n t r o ls y s t e mi S c a r r i e do u tt ov e r i f yt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o na n a l y s i sr e s u l t s ． 1 1 I 万方数据 T h ee x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e dp r o g r a m so ft h eD T H d r i l l i n g p o s i t i o n i n ga n dp o s i t i o n i n gc o n t r o lc a na c h i e v et h eD T Ha u t o m a t i cd r i l l i n g p o s i t i o n i n gr e q u i r e m e n t s ，w h i c hv e r i f yt h et h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i o na n a l y s i s i Sc o r r e c t ． K e y w o r d s D T Hd r i l l i n gf i g ；a u t o m a t i cd r i l l i n gp o s i t i o n i n g ；l a s e rs c a n n i n g p o s i t i o n i n g ；D Rp o s i t i o n i n g ；p o s i t i o n i n gc o n t r o l C l a s s i f i c a t i o n T D 41 I V 万方数据 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 露天潜孔钻机概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．1 露天潜孔钻机工作环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．2 ．2 国内外露天潜孔钻机发展概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 ．2 ．3 露天潜孔钻机研究方向⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 1 ．3 定位技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．1 定位的概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 ．2 主要定位方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．4 露天潜孔钻机钻孔自动定位方法描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．5 课题研究意义及主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．5 ．1 课题研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 1 ．5 ．2 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 2 露天潜孔钻机钻孔定位系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．10 2 ．1 露天潜孔钻机钻孔定位方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 2 ．2 露天潜孔钻机钻孔定位系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 激光扫描定位系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．1 激光扫描定位系统组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．2 激光扫描定位系统工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．3 激光扫描定位传感器特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4D R 定位系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．4 ．1D R 定位系统组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．4 ．2D R 定位系统工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．4 ．3D R 定位传感器特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．19 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 露天潜孔钻机定位算法及误差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 3 ．1 激光扫描定位算法及误差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．1 激光扫描定位模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．2 激光扫描定位算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 V 万方数据 3 ．1 ．3 激光扫描定位误差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2D R 定位算法及误差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 ．1D R 定位模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 8 3 ．2 ．2D R 定位算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 9 3 ．2 ．3D R 定位误差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．3 定位误差仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．1 定位半径误差仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．2 定位夹角误差仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 露天潜孔钻机钻孔定位控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．1 行走定位控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 ．1 行走轨迹规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 ．2 行走定位控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 工作机构轨迹规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 ．1 工作机构运动学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．2 ．2 工作机构轨迹规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 ．3 工作机构轨迹仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．3 工作机构定位控制系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．1 工作机构控制系统模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．2P I D 控制器设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．3 ．3 工作机构定位控制参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．3 ．4 工作机构定位控制仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．2 实验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．2 ．1 实验原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．2 ．2 实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．2 ．3 实验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．3 实验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．1 研究工作总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 V I 万方数据 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 4 攻读学位期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 V Ⅱ 万方数据 硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 ．1 引言 随着我国基础设施建设、水利、建材、冶金等诸多行业的快速发展，对矿产资源 的需求量也不断增加，相应的使凿岩机械也得到快速发展。2 0 0 8 年，金融危机使国内 外对凿岩设备的需求量急剧萎缩。2 0 0 9 年，国家出台相应政策提出扩内需、保增长、 调整结构，凿岩设备行业也制定相应的措施，确保平稳持续发展。特别是“十二五” 规划以来，给凿岩设备行业的发展带来了更好的发展机遇【l 捌。日益激烈的市场竞争和 不断发展的凿岩领域技术，使各个潜孔钻机公司吸收新的科学技术成果不断改进和开 发凿岩设备，以不断提高凿岩设备的可靠性、稳定性、环保性、智能化和安全性来满 足不同用户各种需求。 目前，我国大部分的凿岩机械设备自动化水平较低，设备技术水平与国外相比还 存在一定差距，生产效率较低，安全性差，存在事故隐患。由于矿山开采环境恶劣， 施工现场粉尘和噪声较大，加上操作人员成本的大幅上涨以及健康意识的提高，有些 地区已经禁止了这样的工作方式，使得凿岩机械设备智能化的呼声越来越高。但由于 经济条件的限制，目前某些中小型矿山操作人员的劳动强度仍然很大，工作环境舒适 性较差，只有少数技术实力雄厚以及经济条件好的国家重点矿山，大量引进和使用先 进设备。 钻孔定位是潜孔钻机工作的基础，定位的精度和速度直接影响施工质量和作业效 率。目前大部分定位方式都是操作人员手动控制钻机行走和工作机构位姿调整实现潜 孔钻机钻孔定位，定位效率较低，制约着矿山开采的速度、质量及效益。 1 ．2 露天潜孔钻机概况 与其它凿岩机械相比，潜孔钻机具有适用范围广、钻孔深、钻孔效率高、钻孔直 径大等优点，是目前应用最为广泛的凿岩钻孔设备。它主要应用于露天矿山的开采， 同时也用于水利、交通、国防、建筑、基础设施建设等多种施工作业中【3 J 。 1 ．2 ．1 露天潜孔钻机工作环境 目前露天矿山的开采主要采用钻爆发，钻孔作业是露天矿山开采的首道工序，其 目的是为爆破工作提供安放炸药的孔穴，钻孔的质量好坏将直接影响到其后爆破、破 碎、采装等工作的质量和效率。这就为潜孔钻机提供了广阔应用场合，其工作环境如 图1 ．1 所示。钻孔前首先需要根据要开采的场地进行布孔，而后潜孔钻机根据布好的 孔位进行定位及钻孔作业。 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 图卜1 潜孔钻机工作环境 1 ．2 ．2 国内外露天潜孔钻机发展概况 目前，瑞典的阿特拉斯科普柯、美国的英格索兰、日本的古河、芬兰的汤姆洛克 等企业已经走在凿岩设备研究开发方面的前列。这些公司经过数十年甚至上百年的发 展、改进和积累，分别推出了不同系列的一体化潜孔钻机，设计和制造水平都处在国 际领先水平【4 】o 如阿特拉斯科普柯的R O C 4 6 0 、R O C 4 0 0 系列，英格兰索的C Z 2 0 0 、 C M 3 5 1 、C M 3 4 1 系列以及日本古河的P C R ．2 0 0 ．D H 钻机等中高风压潜孔钻机应用较 为普遍。 瑞典的阿特拉斯科普柯公司生产的液压凿岩设备在全球产量中占有很大的比 重，从二十世纪五十年代生产的B V B 2 5 ．1 0 、R O C 4 0 4 A 、R O C 4 0 3 A 等比较简单的潜 孔钻机，到六、七十年代生产的R O C 6 0 4 、R O C 6 0 6 、R O C 3 0 4 、R O C 3 0 6 型潜孔钻机， 随后又相继推出了R O C 4 0 5 A 气动潜孔钻机以及R O C 4 3 0 H 和R O C 9 3 6 H C 型柴油．履带 式潜孔钻机。经过几十年不断的研究实践和技术创新，该公司的在潜孔钻机领域取得 了不少新的成果，如R O C 4 6 0 系列、R O C 4 0 Q 系列以及R O CD 7 型全液压凿岩钻机 如 图1 ．2 所示 ，在采矿工程应用中具有重要地位。针对最为恶劣的露天矿环境，公司开 发了相对智能的S m a r t R O C 系列，如S m a r t R O CT 4 5 如图1 ．3 所示 ，该系列钻机具 有钻机控制系统 R C S ，能够实现钻孔的自动化和钻机与办公室的无障碍通信1 5 ，6 J 。 半液压潜孔钻机应用也较为广泛。阿特拉斯科普柯的R O CL 8 型钻机以及英格 索兰的X Z 2 0 0 型潜孔钻机是比较典型的半液压型潜孔钻机。它们的特点是，只有凿岩 冲击器的动力采用高风压，其他驱动全部为液压，这样便降低了对空压机参数的要求， 只要求它提供压缩空气具有足够排量和压力即可，其他包括推进、回转、行走、工作 机构动作等所需动力均有内燃机提供。R O CL 8 的动力源为机载发动机，发动机同时 可以为机载空压机提供动力，一台设备可以钻凿光面、锚索孔、预裂等小型钻凿工作， 同时也可以为钻凿爆破孔提供足够的动力。 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 图1 - 2R O CD 7 型凿岩钻机图1 - 3S m a r t R O CT 4 5 型凿岩钻机 国内潜孔钻机起步较晚，但由于我国能源、矿山、国防、水利等基础建设中凿岩 钻孔工程量浩大以及大型的矿山开采行业得到快速发展，使得国内潜孔钻机发展迅 速，并向集约化、规模化方向发展。长期以来，以中南大学等为主的高校以及科研所 一直致力于凿岩钻孔机械的研究，推动了凿岩钻孔机械的发展。 1 9 6 4 年，我国研制出第一台露天潜孔钻机；1 9 7 2 年，长沙矿业研究所与原中南 工业大学开始研制液压凿岩机和液压凿岩钻车；1 9 8 0 年，我国第一台Y Y G S 0 型液压 凿岩机和C G J 2 Y 型液压凿岩钻机通过冶金部的鉴定，随后又研制和开发出一系列的 产品。其中，中南大学成果比较突出，除了C G J 2 Y 型液压凿岩钻机以外，国内第一 台实际应用的K Z L l 2 0 型露天钻车、C G J S ．2 Y B 型隧道断面钻车以及Y Y G 2 5 0 重型液 压凿岩机都在该校研制成功。 目前，国内潜孔钻机企业主要有山河智能机械股份有限公司、湖南有色重型机器 有限责任公司、宣化双联凿岩机械有限公司、唐盛国际机械 马鞍山 有限公司等， 主要产品如山河智能的S W D B l 2 0 型潜孔钻机 如图1 ．4 所示 ，湖南有色重型机器有 限责任公司的C S 2 2 5 D 型潜孔钻机 如图1 ．5 所示 等。 图1 - 4S W D B l 2 0 型潜孔钻机图1 - 5C S 2 2 5 D 型潜孔钻机 万方数据 硕士学位论文l 绪论 这些公司不断吸收和引进国内外先进技术，不断开发和完善产品，市场占有率不 断提高，有的产品甚至出口国外。但由于技术制约，我国潜孔钻机与国外相比，还有 很大差距。 1 ．2 ．3 露天潜孔钻机研究方向 对潜孔钻机的液压控制系统、智能化、集约化等方面的改进和完善是潜孔钻机目 前的主要研究方向【7 】，主要包括以下几个方面 1 不断完善和改进一体化液压潜孔钻机系列，并向小型化方向发展，适应地下 开采空间不足的限制； 2 开发智能化潜孔钻机，使其能够自动导航定位和自动钻孔，工人由操作角色 转变成监控，降低人力资源成本，提高作业效率； 3 开发和完善负载适应与功率匹配系统，实现动力系统一泵一负载的全局功率 匹配，降低能耗； 4 研究与负载变化相匹配的推进力控制，准确控制推进力，提高钻孔质量； 5 减小因换向和负载变化带来的液压系统冲击，提高阀、泵和其他液压件的使 用寿命； 6 研究液压凿岩机的独立调频调能，针对不同岩层使用的不同的频率和能量， 达到节能的目的 7 降低潜孔钻机生产成本，提高生产质量。 1 ．3 定位技术研究现状 1 ．3 ．1 定位的概念 在自主导航的过程中通常会遇到三个问题【8 】 1 我现在何处 位姿获取问题 ； 2 我要去往何处 任务规划问题 ； 3 我如何能到达该处 路径规划问题 。 其中定位问题是任务规划问题和路径规划问题的基础和关键。 定位是指自主机器人通过内部传感器测量自身位姿的变化以及通过外部传感器 进行环境感知以确定自身的位置和方位角的过程，通常是指在二维平面内的定位。目 前已研究出多种定位方法，主要包括G P S 导航定位、机器视觉定位、航位推算定位 D R 、激光扫描定位、多种传感器融合定位等【9 , 1 0 ] 。 1 ．3 ．2 主要定位方法研究 1 G P S 定位系统 全球定位系统包括美国的G P S 、欧盟的G a l i l e o 、俄罗斯的G L O N A S S 、和中国的 北斗卫星导航系统，是一种绝对定位方式。目前应用最为广泛的是美国的G P S 定位系 统。它由美国军方于二十世纪七十年代研制成功并投入使用，由用户设备部分、地面 控制系统和空间部分组成，具有全天候、应用广泛、操作简便等特点，因此广泛应用 于飞机、汽车、船舶等定位领域【1 1 1 。 万方数据 硕士学位论文 l 绪论 G P S 定位误差的主要来源有用户接收机、信号传播过程和卫星部分引起的误差， 其中主要误差源有用户接收机误差、多径效应、对流层传播延时误差、电离层传播 延时误差、卫星时钟误差、卫星轨道误差等。根据误差的性质可以将误差分为偶然误 差和系统误差【1 2 1 。偶然误差包括多径效应和观测误差系统误差包括接收机误差、 卫星误差以及对流层和电离层误差。文献[ 1 3 】中对G P S 定位精度的进行了实验研究， 实验采用u b l o x 公司的T I M ．L AG P S 进行定位实验，实验在方圆1 0 0 m 无障碍物的广 场上进行。数据采集程序从输出电文中获得时间和经纬度信息，接收机估计的东向和 北向定位误差的标准差为％和盯一。因测量点的真实位置未知，实验取G P S 定位误差 的标准差小于2 ．5 m 时的定位平均值为参考定位位置，参考定位位置与G P S 定位的偏 差即为参考定位误差，实验的测量时间为2 0 分钟。实验结果如图1 - 6 所示。 时问 S 一参考定位误差 一标准差估计 图卜6G P S 定位实验误差 由定位实验误差图可知，G P S 定位误差主要分布在1 ．2 米左右，且是随机误差， 没有一定的分布规律。因此，当应用于潜孔钻机钻孔定位领域时，难以通过误差补偿 的方式保证潜孔钻机在工作区域中的位置精度。因此该方法很难应用于露天潜孔钻机 钻孔定位领域。 2 机器视觉定位 视觉定位导航是指移动机器人通过自身携带的C C D 摄像机拍摄机器人所处的环 境，然后通过图像处理技术进行信息甄别处理并从原始图像中提取环境特征，通过与 已知的全局环境信息进行比对，从而确定移动机器人在环境中的位置[ 1 4 , 1 5 1 。机器视觉 技术凭着高性价比、功能的多样性以及广泛的实用性等优点，在移动机器人自主导航 定位中得到了成功的应用。由于电子科学技术不断进步，摄像机的采样速度和分辨率 都得到了很大的提高，成本也日益降低，图像的处理速度也得到了大大的提高，因此 立体视觉导航定位技术也逐渐发展起来【l 6 1 。 但由于潜孔钻机工作环境较为复杂且工作区域较大，因此所需要存储的图像信息 万方数据 硕士学位论文1 绪论 量较大，图像的处理速度始终是机器视觉导航的瓶颈，且机器视觉传感器不适合环境 恶劣的场合【1 7 】。因此机器视觉导航不适合于露天潜孔钻机钻孔定位领域。 3 电磁诱导导航定位 电磁诱导导航定位是基于电磁感应理论的导航定位技术。其工作原理是在空中或 者地下预先铺架感应电缆，在电缆中通过电压和一定频率的信号，携带电磁感应传感 器的移动机器人感应此信号，通过感应信号的强弱来确定机器人偏离电缆的程度，由 此实现导航定位【1 8 , 1 9 , 2 们。 电磁诱导导航定位不需要复杂的数据计算，定位精度较高，易于实现。但此种定 位方法需要预先铺设电缆，成本较高，适用于结构化的环境中【2 1 1 ，在潜孔钻机钻孔定 位应用中不切实际。 4 超声波定位 超声波自动定位是通过机器人携带的超声波发射装置向周围发射一定频率的超 声波脉冲，并在周围三个固定位置上分别接收脉冲信号，通过比较不同接收装置收到 超声波信号的时间先后，便可以反演出机器人的当前位置田】。 该定位技术由于具有结构简单、成本低以及易于实现等优点而被广泛采用，特别 是针对室内机器人。但超声波定位系统由于受风速、温度等外界条件的干扰，而且测 量距离有限，在室外机器人中的应用受到限制【2 3 】。 5 惯性导航法 惯性导航法是根据牛顿力学定律，在已知机器人初始位置的情况下，通过加速度 计和电子罗盘这两个惯性传感器测量机器人的加速度和角速度的变化，然后通过积分 运算计算出机器人的位置和姿态角等参数【2 4 1 。 由于惯性传感器被安装在机器人内部，不依赖任何外部环境信息，也不会向外辐 射能量，所以它具有不受外界环境干扰、隐蔽性好、输出信息噪声低且连续性好等优 点。但由于需要积分运算，所以定位误差具有时间漂移，即误差会随着路程和时间的 增长而逐渐累计【2 5 1 。因此，此种定位方法不适用于长时间和长距离的定位。另外，高 精度的惯性传感器设备价格较为昂贵，与降低成本的理念相悖。 6 航位推算定位 D R 定位 航位推算定位 D R 定位 是一种普遍简单的定位导航技术，它的工作原理是利 用传感器直接或间接地计算出机器人的位移矢量和航向角，进而推算出机器人的位姿 【2 6 ，2 7 1 。最常用的航位推算传感器是里程仪，里程仪是一种廉价且非常有效的机器人定 位装置。通过安装在机器人左右轮上的里程仪测量机器人左右轮的行走距离，进而可 计算出机器人行走的距离和转过的角度。 航位推算法具有短期测量精度较好，同时具有较高的