（战凯）地下金属矿智能开采技术及装备（智能采矿会）课件

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1、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。

2、 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“Grountecknik 2000”战略计划,国家 战略 计划,Atlas Copco,ABB,企业 策略,AutoMine,OptiMine,MineLan,

3、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,Dimine 3Dmine Geos3D 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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、）、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

11、。,（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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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