安东尼Stentz，马克Ollis，史蒂夫Scheding，赫尔曼·赫尔曼，克里斯·弗洛姆约尔根·彼得森，蒂姆Hegadorn，罗伯特·麦考尔，约翰Bares，以及里奇摩尔。匹兹堡卡内基 - 梅隆大学机器人研究所的PA15213
摘要
井下采煤是非常适合机器人自动化行业。在黑暗，尘土飞扬，和拥挤的煤矿，严重妨碍人工操作和生产力遭受。即便是略有改善生产力每台机器每天可达数千美元的额外收入。迄今依靠自动化的基础设施，以引导设备。业内人士认为这种做法不合适，还没有扎下根。我们的方法是使用机器安装摄像机，以引导设备。它利用自然COM通常用于矿山的基础设施和设备。我们已经证明，我们的做法符合要求切割直条目和每个周期的煤炭开采适量。该技术正迅速临近测试阶段，将在未来几个月内的几个矿山安装。
1.介绍
矿业软材料，如煤炭，是一个大的产业 。在世界范围内，每年共生产435万吨煤。煤炭大部分存放在地下煤层，距离表面太深。地下采煤的两个主要过程是长壁开采，房柱式开采。长壁开采采用了系统轨式采煤机迅速的切削煤炭和将它们运出矿井。液压支架保护采煤机，因为他们沿着轨道移动。采煤完成后，采煤机，导轨，输送机，和顶板支架前进，后面的顶板坍塌。
房柱式开采使用的机器的合奏削减格子网络。不像在长壁开采，只有部分煤炭被采下；方形支柱留下来支撑顶板。煤炭开采由连续采煤机，工作面输送机，转载机和皮带输送机。电机驱动采煤机滚筒，在煤壁上割煤。割下的煤炭由刮板输送机运出工作面，由转载机运到矿车或者可伸缩输送带，最后由固定输送机提升机运出矿井。
连续采煤机机切割一段长度的煤之后，务必使用顶板锚杆机安装螺栓压缩顶板以减少冒顶的机会。
重要的是要注意，连续采矿机对两个类型地下开采都是至关重要的。在长壁开采中，该机是用来为工作面输送机，综采设备布设提供空间以及提供通风。连续矿工的典型速度很慢（通常每12小时轮班的前进30米的顺序），它们构成了长壁开采中的咽喉。
2.采掘自动化机械
煤矿是黑暗，肮脏，潮湿和拥挤。这些空间并不比切割他们的机器要大。接缝处往往很低，以至于操作员不能直立。矿工切割煤炭的时候，空气中弥漫着粉尘。为了安全起见，操作人员通常站在机器后面通过一个按钮来使机器运行。由于能见度低，使操作混乱甚至发生错误，造成生产进度放缓。
自动化有望使井下开采的的产值增加：
增加生产力：矿工需要换班和休息。这些都导致生产力的损失。自动化可以操作该设备的整个转变的峰值速率。即使在生产率提高1％，意味着每天每台机器将有成千上万美元的额外收入。
降低运营成本：机器的维修保养是一个煤矿开采成本的很大一部分。机器需要定期维护，这样将导致生产率降低。自动化可以确保一台机器，在其性能范围内运行，从而减少日常磨损和延长正常运行时间。劳动力是另一个显着的成本。自动化可以降低劳动力成本，使每个工人可以负责几台机器。
更少的错误：采矿作业需要一定的精度。如果一个工作面切口显著偏离，就需要额外的顶板螺栓来支护。在极端情况下，工作面切口必须重新切结果导致了收入的减少。因此采煤作业中需要实现机械化。
更高的安全性：安全的关键是使操作人员能够在工作面可能发生冒顶，爆炸，机械事故的时候成功脱险。自动化无需近距离观察机器的运行，从而使操作员从有着更长，更安全距离的监视器中监视机器的运行。
3.自动化策略
自动化在地下采矿行业一直发展缓慢。以前的办法，主要是在坚硬的岩石开采，需要信标，光管，或其他基础设施，以用来引导设备。这种额外的基础设施是不可取的，因为支架移动和顶板脱落容易将机器损坏。此外，新的基础设施需要延长矿井。我们的做法是利用矿井本身的自然结构，再加上目前广泛用于矿山设备。
由于连续采煤机都采用综采、房柱式开采，我们选择了它第一个完全自动化。矿山计划完全指定几何的条目被削减；因此，测量的矿工的位置和方向的，加上控制的轨道和繁荣，是足够的（理论上）实施计划。
确切的厚度的煤层，然而，通常是未知的，使的摇臂控制困难。2种方法已被用于检测之间煤/岩的边界位置：1）积极主动：表面穿透雷达等传感器和伽马射线探测器；2）反应：红外摄像机来检测热产生的岩石平衡。摇臂的控制范围以外的这项工作。
其余机器状态的参数的是它的位置和方向。这六个，三个最重要的是标题，标题横向偏移参考线，并沿着这条基准线的距离。我们指的测量和控制的第一个两年的航向控制和第三穴深度控制。
方向的控制，确保项直切和正确的尺寸，以适应工作面设备和输送系统。所需的规格为厘米，由测量师的参考标记的横向错误。
切割深度控制，以确保机器切适量的割煤周期与矿车，拉煤的输送能力匹配，这一点很重要。所需的规格是％的距离前往。
本文讨论了切向控制和切削深度的控制。最初，我们计划作为经营者辅助工具公布这些技术，操作员提供了错误的措施，从所需的设置。后来，我们将发布半自主控制系统的技术，关闭由人操作电脑脑来控制回路。
最后，作为我们发展的能够测量机器的参数，我们将自动完成更大一部分机器的周期，最大限度地提高机器和工人的生产力。
4.前进方向控制
前进方向控制系统的目的是衡量采煤机的前进和横向偏移量。采煤机在移动100米以上的距离需要留有10厘米的偏移量。完成这一任务，需要控制机器的航向和横向偏移。
我们考虑了许多监测和控制机前进传感器的类型。首先，我们尝试设计一个系统能够维持在没有任何板外的基础设施设施使用的的情况下前进。指南针将有助于保持机器面向正确的方向。然而，磁场的局部误差是挺大的，甚至在地球表面上，添加10名或以上的误差程度。此外，这个错误可能是比较系统的，因此，它不能被平均时间的推移。整合超过100米的这个错误当然可能会导致误差在10米以上。显然，单靠一个指南针是不够的；其噪声特性建模的困难，使其难以与其他传感器系统的方式结合起来。
机械陀螺仪可以在较短的时间内测量精确的角度，但是却有着较大的时间跨度，从几分钟到几小时不等。噪音增加的程度取决于传感器的质量。因为它可能是调查之间的数天，显然是一个陀螺仪单独无法执行任务。他们不顺利降低，但是，噪声以及随机游走模型和他们有一个在地下采矿自动化的使用历史。
我们还考虑了一个或两个轴的激光测距扫描仪的使用。这种装置可用于向后沿矿进入“视线”，以确保该路径已不漂移。这些设备已在地下的导航测试以前，他们可以用一小部分在一定程度的角精度，并根据激光功率，可以在距离一百米或以上返回的数据。不幸的是，这种传感器的知名度无法得到保证。在任何给定的时间，从矿工可能被遮挡设备，人员，煤堆，或在矿井顶板高度的变化。此外，在目前这种装置既没有足够强大的，也不符合成本效益的用于地下连续矿工。
最后，我们决定，控制系统采用纯粹板组件标题是不切实际的。相反，我们开发了一个系统，这使得利用矿井验船师的激光。目前，这些激光器安装由验船师，以引导经营者。我们的解决方案使用这些相同的激光器为指导。此外，我们还添加了一个陀螺仪，使系统运作十到二十分钟没有收到任何激光读数。
5.截割深度控制系统
截割深度控制系统的目标是测量或控制的采矿机在短距离内向前运动。不幸的是，许多我们认为这个任务的标准方法对这个应用程序有严重的缺点。
安装在铁轨上的编码器是或许最显而易见的解决方案。然而，这将需要重新设计对实际轨道装配。这是一个非常昂贵和耗时的任务，就必须为每个矿工的设计分开进行。此外，对连续采煤机的轨道常常滑倒，这将编码器的读数无效。由于这些原因，我们选择不使用编码器。
集成加速度计的输出可以加倍给距离测量。然而，该矿工的速度足够小（每秒几厘米，而切割）和不规则足够的，集成的噪音会很快克服的信号。
我们认为，利用激光测距系统，在一个基准点，向后寻找。正如航向控制的情况下，这种解决方案被认为是不可接受的，因为在机器背后的环境的不确定性，由于井下人员及设备的不断流逝，这将是难以保证一个固定的参考点仍然认为。
6.总结
本系统的测试已经完成，主要在两个位置。大多数测试在我们的模拟矿井，完成了喜12CM-12矿工在机器人研究所的网站，已执行。额外的测试，在附近的一个地下非生产煤矿（以下简称“ED”煤矿）。
我们的模拟矿井，由大约40米长，7米宽的条目。整个区域被封闭在黑色塑料，以阻止外来光线。模拟矿井肋骨被创建从多个实际地雷采取的聚氨酯铸造模具。这些模具，然后抹上石膏涂成黑色，使他们出现类似的颜色和纹理的实际煤炭肋骨尽可能水池深度相机。矿井屋顶是由实际矿井顶板炸毁的适度规模，数码照片拼接。
一个切削深度控制系统（只使用一个单一的对立体声）两种方式，在这里面模拟测试。首先，它作为一个运营商的援助进行了测试，在位置测量系统的矿工运营商通过一个简单的图形显示转达。在这方面的能力，重复sumping1-2米的议案进行侧视相机50至200厘米不等的肋骨。比较计算距离地面真理透露协议，以超过95％的时间在2％以内。我们与欢乐采矿工程师的支持，这种传感器连接到上板机控制器，并用它来执行一个完全独立的水池议案。这种自动化的议案的准确性也测量在2％以内。
方向控制系统进行测试作为一个矿工的援助和在闭环系统加控制器。作为一个矿工的援助，该系统始终测量标题内0.3度偏移在2厘米。作为一个闭环系统，矿工是程序遵循课程由激光。转向控制我们的机器是不可知的，主要是由于缺乏阻尼通常提供的采煤工作面。然而，该系统能够遵循这一过程误差低于5厘米。
这两种系统都在赛埃德矿进行了测试（在他们的的矿工援助实例）。 切割深度系统测试10水坑动议，其中九导致误差在2%。虽然我们无法测量地面真实的方向控制系统的测量变化，在前进和偏移出现类似的结果从我们的模拟矿井，距离达80米，从激光上测量。
两个系统在有大量水和灰尘的条件下进行测试。方向控制系统主要受这些问题的影响，由于其长时间在这条件下陀螺仪的能力受到了影响。虽然大量的灰尘可以造成切割深度控制系统的的问题，在实际操作中的矿工相称的尘埃水平被证明是没有问题的。几个活跃的煤矿，其中包括多个切割深度摄像系统，额外的测试计划在未来几个月内这两个系统。
最后，一个专业连续采煤机运营商被带来，并要求评估两个系统作为操作员辅助工具的作用。在我们的矿井模拟操作机器半天后，他表达的观点是，这两个系统将有助于提高产量，即使在其目前发展水平。
7.结论
    井下采煤仍然为首要的候选自动控制领域，由于重复的任务性质和越来越大的压力，以更低的成本生产更多的。我们为使这个自动化的策略一直是首先自动化的挖掘任务的一小部分，并引入他们作为矿工辅助工具的行业，要逐步提高自动化水平，随着技术的发展和行业验收变宽。为此，我们开发了两个采矿辅助系统：系统测量和控
制的连续采煤机的切割深度，系统度量并控制机器的前进方向。
这两个系统只使用天然的基础设施和设备却能在矿山完成采煤任务。他们已成功测试在模拟矿山环境，并在实际矿井条件下高粉尘和水喷雾。鉴于这些成就，在未来18个月重点项目已转移到积极测试煤矿及商业化的技术。
致谢
作者想感谢他们在这个项目上的合作布赖恩·坎贝尔，戴维Herdle，和弗兰克·希金斯。由美国宇航局提供了支持下批数NCC5-223和乐科技公司。