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摘要 ：电铲工作环境恶劣，操作环境狭小，影响施工 质量。现阶段，人们将人工智能、云计算等技术与矿山开 发技术融合在一起，可以实现高效率智能化运作，同时也 提高了施工质量。露天矿山电铲智能引导系统，利用定 位定向传感器，实时采集电铲的工作参数，进行保存及 展示，实时了解电铲的工作状态，及时对电铲进行合理调 度，使电铲能够精确完成工作， 让工作效率提高。
1 电铲智能引导系统总体方案
1.1 功能要求
推压、提升、行走 / 回转的电动机，可以推动电铲正 常运转。该系统的技术要求如下 ：①推压电机、行走和回 转电机会产生信号， 该系统需要实时采集信号 ;②电铲在 工作过程中会产生电量变化、温度变化等，该系统必须具 备实时显示功能 ;③全过程监控空压机、净化风机等设备 的运行状态 ;④在实时采集电铲的工作数据后， 可以将这 些数据传送给服务器端。服务器端负责分类整理这些信息 数据。
1.2 功能设计
为了满足具体的功能需求，系统设计了不同的模块。 比较重要的是数据采集、客户以及服务端。服务器就是拥 有固定 IP 地址的电脑，能够将数据包发送给数据采集终 端。同时，收集、储存这些数据包。数据采集终端拥有软 件和硬件设计等部分。电路涉及到了电源主控制和功能模 块。客户端会将传送命令传送给主控制模块，由该模块负 责调度处理工作。功能模块会自动收集电压，电流开关状 态，相关的信息。电源模块负责为系统提供运行过程中需 要的电压。调试工作结束后，相关模块会实时采集电铲的 工作参数发送给服务器端， 通过液晶显示模块展示。
2 系统硬件
2.1 主控制模块
(1)STM32 微处理器。主控模块将会影响到整个系 统的正常运转，是核心部分。能够接收客户端传送来的 命令，调度任务，实时收集电铲的工作数据等，电路组 成包含了按键复位，电路和通信接口等部分。由于外围 的传感器比较多，存在多个通信协议和数字接口，因此对微处理器提出了更高的要求。微处理器单元使用 STM32F107VCT6 芯片。STM32F107VCT6 芯片自带功能强 大的AD 转换器， AD 转换速率高达 1MHz。有 18 个采集通 道。对内可以实时采集两路电压信号，对外可以实时采集 16路电压信号。在进行同时采集的过程中。可能会选择单 次采集、间断采集、连续性采集等不同的方式。这样能够 快速采集大量的实时信号。
(2)复位及晶振电路。如果系统有异常，要在第一时 间关闭重启。此时就可以进行复位电路的初始化操作。根 据 STM32F107VC 的要求， 系统通电以后， 要确保复位信 号在 28s 内保持低电平。二极管、开关、10k 电阻、0.1F 的 电容等都属于复位电路设计。如果采取的是人工复位的方 式，可以先断电之后再通电，可以增加二极管D1.这样能 够得到更理想的复位效果。
(3)信号选择电路。设计系统在运转过程中需要采集 信号。为了防止各信号采集通道相互影响，可以分别在 3 个采集板卡上设置 8 个采集通道。采集信号的输入端口需 要进行采集转换后才能够输入信号。模拟板卡内的信号， 每次采集 1 块。输入 STM32 分别通过 MN_A1 端、MN __A2 端、MN_A3 端。采集通道地址选择线，为MN__ OE1—MN_ OE4.与板卡内某一路采集信号进行连接。
①单路模拟量采集通道。MN1Nin、MN1in 端接入采 样信号。21路模拟信号通过 3块模拟板卡输出。输出信号 S1 经过处理。②模拟量采集通选择开关。设置 4 个开关， 与 MN _ A3、MN _ A2、MN _ A1、MN _ A0 的 输 出 端 对应接通。所有通道的采集信号，向 STM32ADC 转换通 道传送，只有通过这个输出端的信号才算有效，通过其他 输出端的信号无效。不能选择相同的ADC 转换通道。模 数开关ADG408.在联通模拟输出端时，可以通过地址 线选择板卡上的信号。③系统需要采集 16 开关信号。以 Keyin1 信号输 出， 输入从 KG1N_in、KG1_in 段。KG __ OE1低电平、高电平 KG_ OE0. 采集信号为 Keyin8 至 Keyin15路。高电平 KG_ OE1、低电平 KG_ OE0. 采集 信号为 Keyin1 至 Keyin7.
(4)端口转换电路。系统有很多个数字通信接口，也 有不同的微控制器通信协议。要想转换电路，还要做好 这方面的设计工作。针对电度表接口，可选择协议DL/ T645. 通信 STM32 和逻辑电平标准RS485.在转换时可以借助 75LB184 芯片。为了避免转换过程中出现电路故障， 影响到正常的电压和电流量，可以在芯片之间设置数字 隔离电路。接入ADUM1201 芯片，在 STM32 串口通信I/O 端与 75LBC184芯片、MAX232芯片间， 这样系统将会更加 稳定的运行，转换电路过程中也不会受到较多的干扰。设 计DTU模块，DTU 接口，采用UART 通信协议。UART 串 口通信协议与TTL 电路的电平不兼容，其通常使用RS232 逻辑电平标准。需要设计电平互换电路，使用MAX232 芯 片，+ 5V单电源供电。
2.2 功能模块电路
(1)模拟量采集预处理电路。给定电压、电流以及电 枢电压都属于电机参数。只有给定电压是可以直接采集到 的，其他的电机参数只有转换之后才能够获取，简单来讲 就是将其转换为实际信号，之后通过ADC 采集通道进行 预处理之后， 才能够获得。
(2)开关量采集预处理电路。考虑到开关常常处在高 压工作状态下，因此可以将其转换为真空接触器开关，这 样就能自由的进行通断操作。进行闭合操作后，开关就能 够保持合闸的状态，法吸合电流。如果引进灭弧系统，就 能够降低电弧带来的负面影响，保护触点的安全性。由于 电铲的接触器需要接触高压和大电流，极容易出现故障， 而检测工作又比较麻烦。为了第一时间了解这些接触器的 工作情况，需要想办法完成检测工作。考虑到接触器产生 的电弧会频繁引发开关， 同时也会影响到其他电路的正常 运转。人们根据这一点，就能够判断开关的工作状态。
(3)温度采集电路。DS18B20 数字温度传感器经常应 用在高精度的测温系统中，有较强的抗干扰能力。该传感 器可以将温度的数字信号传输给微处理器。在相同的总线 上，可以挂载多个温度传感器。在 -55℃~ +125℃之间的 温度都能够被测算出来。该传感器拥有单独的总线接口， 适配外部电源和寄生电源这两种供电方式。
(4)显示和状态指示电路。系统的显示调试部分包含 了液晶显示模块和4个输入按键。系统的状态指示电路是 由4个LED灯组成的，根据LED灯能够了解到外围传感器 的通信状态。LCD 显示终端LCM240128. 能够与单片机I/ O连接在一起。通信接口兼容TTL 电平，能够将电铲的工 作状态以及具体的工作参数实时显示出来。对外接口可以 连接片选线、读命令线、数据线等。系统的工作状态只是 与STM3232 引脚连接在一起，同时又连接着有源蜂鸣器。 蜂鸣器在感知到系统结束了初始化工作后， 就会发出鸣叫， 在电铲的工作参数超过临界值的情况下就会自动报警。
2.3 电源电路
露天矿山电铲作业要求的电功率比较大，一般需要架 空线供电，线路上直接连接多个大功率设备。模拟电路中需要使用 ±12V和 15V 电压放大器芯片。也有一些特殊的 数字芯片要求是 5V，主控芯片一般为 3.3V。系统有很多 组电压源，这些电源独立存在，不会互相干扰，只能够产 生很小的电阻阻值，不会影响到电源电路。考虑到在使用 过程中可能会导致电网电压产生较大的波动， 同时使用了 三个齐纳二极管。在保护电压稳定性的情况下，还能够提 高抗雷击能力，减少其他因素的干扰，保护电源电路的安 全性。
3 系统软件
3.1 系统传感器
软件系统使用Unity+ PHP + Mysql +。NET 技术可 以接收并整合传感器传来的数据信息。软件设计平板端在 进行三维仿真时利用了Unity语言，同时使用的是 C/S 架 构。后台应用端主要是分析施工质量，展示施工结果，进 行设备后台配置等多项工作， 借助了WAMP 技术， 使用的 是B/S3 层架构。平板能够直接和应用端连接在一起，平 板端能够连接多个传感器， 与多个数据模块进行数据信息 的共享和转发工作。
系统安装了多种传感器，用于测距、定向，还有用于 确定角度。能够计算出电铲工作过程中的伸缩长度、旋转 角度、天线位置等。结合这些参数，能够为测量工作提供 更多参考依据。套用某些数学公式也能够计算出产间的实 时位置， 为电铲掘进引导工作奠定基础。
计算出传感器A3 和旋转轴A 的位置后，可以得到二 者的相对位移以及距离。在此基础上，就能够计算设备的 方位角、旋转轴A 的实时坐标等。
3.2 系统主要功能及应用
系统功能包含了终端配置和后台配置。前者负责引导 电铲正常作业，后者则能够分析作业质量。在这两项功能 共同配合下，电铲能够高效施工，精准作业，得到理想的 施工效果。设置任务之前只有获取机械的基本信息和相 关的任务参数工作才会更加可靠。例如，机械管理维护工 作。在进行这项操作之前，要获取电铲的基本信息。可以 借助终端收集电铲的各项信息数据，同步给服务端。驾驶 员操作结束后，终端会将这些操作信息传送给服务端，服 务端能够直接评判本次作业的质量。
(1)启动终端。如果是第一次启动终端内部的软件， 会直接跳转到作业的主页面，不会直接显示工作任务信 息。如果是第二次或是多次启动中端内部的软件，系统会 给出两个选项。人们可以选择加载原有的作业数据，也可 以拒绝加载。如果选择了前者，页面上会跳转出最近一次 的作业数据。如果选择不加载才会进入工作主界面。
(2)系统配置。在配置系统功能时，可以进入功能设置菜单。根据实际需求增设传感器配置、通讯配置等。
(3)分析电铲引导。系统最重要的功能就是电铲引导， 能够方便驾驶员查看电铲铲间的位置信息， 为正常作业奠 定基础。也会将施工信息传送给服务端，通过后台展示这 些服务信息，并自动打分评价施工质量。可以在菜单设置 中进行项目管理，以手动录入的方式增加新的工作任务， 设置各项参数。也可以将已经定义好的任务信息输入进 去，保存这些作业数据。
(4)分析高程引导。要想让车辆保持稳定的工作状态， 就需要发挥高程引导的作用。这项工作也能够提高电铲施 工质量。在进行高程引导之前，要先进行高程设置，高程 引导信息会直接通过高程引导页面显示出来， 帮助驾驶员 有效控制电铲作业标高。
(5)分析其它功能。在进行高程引导或是电铲引导时， 系统其他终端可以自由切换这两个页面，方便驾驶员看 到不同的显示视角，随时了解电铲的位置信息、查看电铲 模型。借助该系统，驾驶员可以在第一时间确定电铲的位 置，严格把控精度水平为 0.2m，垂直水平为 0.5m。无论工 作环境多么艰苦，工作条件多么复杂，都可以在 1s之内， 快速发送控制指令，给予正确的引导信息。这样能够降低 工作人员的工作负担， 协助工作人员快速完成工作。
4 系统配置及调试
(1)机械参数配置及调试。①在操作PTk 测量仪器之 前，要合理调试该仪器的各项参数。如果差分为固定状 态，可以分别测量电铲的接地面以及定位天线，得到天线 和地面之间的高差值。这样就能修正电铲的各项参数 ;② 系统在获取高精度的定位数据后， 能够自动生成三维动态 模型。之后还可以利用机械参数精准定位铲尖的位置和交 叉轴 ;③将电铲旋转 180 度后的坐标数据记录下来，计算 电铲中心轴与定位天线间是否存在偏差，偏移差是多少。 根据偏移差重新修正电铲的中心轴， 重新保存修正后的各 项数据。这样也可以获取动态化的三维定位。
(2)通讯配置及调试。①要精准定位移动终端的位置， 校准平面坐标系。在露天矿附近建立电铲智能引导系统的 参考站，在电脑上确定IP 地址连接相关的通讯接口。连接 工作结束后就能自动进行差分定位 ;②确定TCP 协议后， 借助数据采集综合管，软件搜集各项原始的定位信息，自 动分析这些信息数据。这样就能得到差分源数据为精准定 位奠定基础。这些数据包括方位角的速度以及坐标信息 等 ;在测量各位置的参照点和人工测量坐标的偏移量时， 可以选择同一个解算模型， 之后将坐标系转换参数输入进 去。这样无论是矿区测量数据还是电铲终端三维定位测量 数据都可以保持一致。
5 系统优势
(1)定位精度高。传统的测量工作比较复杂，会受到 多种因素的限制 ：①在现场必须使用专业设备开展点对 点测量 ;②在标注标识时不能采取远程化操作， 也不能借 助自动化仪器 ;③由于工作时间限制， 难以实现全天候的 监测 ;④现场的采掘和运输工作都会影响到测量工作的 顺利开展 ;⑤系统会受到天气的影响难以正确定位， 因此 需要安装独立的 GNSS定位天线，这样能够提高电铲的定 位精确度。与传统的人工操作相比，硬件设备的定位方法 更加可靠，在无需人工支持的情况下，就能够实现24h精 准定位，快速上传位置信息储存位置信息。这样可以减少 部分工作人员的工作压力， 也能够节省人工成本。
(2)信息全采集可追溯。即使天气情况比较恶劣，无 法采取人工定位的方式，也可以借助每台电铲上安装的 GNSS 天线完成精准定位。设备会自动采集更新定位信息， 包括电铲的坐标信息、行进速度以及行进方向等。这些数 据会被收集到数据综合采集管理软件上，整理过后传送给 服务器。为后续的作业分析和信息回查奠定基础。与人工 信息采集的方式相比， 这种采集方式更加全面， 更加精准， 更不会出现人工失误，无论什么时候都可以随时调取这些 信息数据， 还能够录入相关系统中自动分析这些数据。
(3)标识范围偏移少。结合生产计划在剥离不同平盘 的矿层和砂岩之前，人们需要设置参照物。一般会在实地 放置锥形桶、插旗，呈现多点一线的状态。正式工作之前 要提前准备好工作所需的器材、车辆等，提前摆放在现 场，为后续作业奠定基础。如果天气条件比较恶劣，那么 工作可能会受到多种因素的限制，无法顺利进行，有时还 会出现安全问题。因此，管理人员还要根据电铲标准化作 业流程制定生产采剥计划。通过测量确定起止点的坐标 后，可以直接在后台配置相应的电铲，将这些信息发送给 电铲终端。驾驶员根据终端信息可以自动完成采掘作业。
6 结语
露天矿生产过程中离不开电铲这种工具的支持。如果 工作环境比较恶劣， 那么可能会影响到调度管理工作和精 细化施工的顺利开展。在此背景下，可以设计电铲智能化 引导系统，推进电铲工作顺利开展。操作员能够通过该系 统了解电铲工作时的信息参数，为安全操作提供依据。该 系统不仅能够实现安全生产，还能够减少人力消耗，节约 更多人工成本。长此以往，也能够提高露天矿电铲工作的 智能化水平。
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