CN109386291B - 掘进机截割路径规划方法、装置及掘进机截割控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿用掘进机截割路径规划方法、装置及掘进机截割控制***，首先建立掘进工作面在大地坐标系下的三维模型；然后获取掘进机的空间位置信息、方位角、位姿信息及各油缸的位移信息，计算掘进机截割头在大地坐标系下的坐标；将掘进机截割头的坐标与掘进工作面的三维模型相结合，根据巷道断面的大小、形状以及煤岩的分布情况和性质，确定掘进机的截割方式、截割头的运动路径和速度；根据掘进机的空间位置变化，调整截割头的运动路径，判断掘进机截割头的截割效果，修正截割头的速度。本发明能够根据掘进机的位置变化和掘进工作面的岩壁硬度变化自动调整截割头的运动路径和速度。
Description
技术领域
本公开涉及煤矿机械领域，具体涉及一种煤矿用掘进机截割路径规划方法、装置及掘进机截割控制***。
背景技术
掘进机作为矿业开采中的重要机械设备，主要用于矿井巷道开掘工程。掘进机智能化控制的关键技术主要是巷道断面成形自动控制和掘进方向的控制，在巷道断面成形自动控制过程中，如何在巷道断面作业中自动控制掘进机的悬臂带动截割头进行截割作业，按照设计路径截割出规定的断面形状是技术的关键。
目前掘进机巷道断面截割采用的主要操作方式仍是人工操作，截割头的运动路径依靠工人目测和经验控制，断面成形的质量主要由人为主观因素决定，会出现超割或欠割的现象，导致截割精度低，浪费人力资源和成本投入。目前能够实现自动截割的掘进机上截割头也是按照设定好的固定路线进行截割，不能根据掘进机的位置变化和工作面的岩石硬度变化进行自动调整截割头的运动路径和速度。
综上所述，目前对于煤矿井下掘进机只能依靠工人经验规划截割头的运动路径或者能够实现自动截割的掘进机不能自动调整截割头的运动路径的问题，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
针对目前煤矿井下掘进机只能依靠工人经验规划截割头的运动路径或者能够实现自动截割的掘进机不能自动调整截割头的运动路径的问题，本公开提供了一种煤矿用掘进机截割路径规划方法、装置及掘进机截割控制***，能够根据掘进机的位置变化和掘进工作面的岩壁硬度变化自动调整截割头的运动路径和速度。
本公开所采用的技术方案是：
一种掘进机截割路径规划方法，该方法包括以下步骤：
建立掘进工作面在大地坐标系下的三维模型；
获取掘进机的空间位置信息、方位角、位姿信息及各油缸的位移信息，计算掘进机截割头在大地坐标系下的坐标；
将掘进机截割头的坐标与掘进工作面的三维模型相结合，根据巷道断面的大小、形状以及煤岩的分布情况和性质，确定掘进机的截割方式、截割头的运动路径和速度；
根据掘进机的空间位置变化，调整截割头的运动路径，判断掘进机截割头的截割效果，修正截割头的速度。
通过上述的技术方案，能够根据掘进机的空间位置变化和掘进工作面的岩壁硬度变化自动调整截割头的运动路径和速度。
进一步的，所述掘进工作面在大地坐标系下的三维模型的建立方法为：
建立属性数据库和空间数据库，获取掘进工作面的钻孔数据、三维地震数据和物探数据，并存储到属性数据库中；获取物探区的地理分布、钻孔的地理位置及巷高、巷宽等数据，存储到空间数据库中；
根据属性数据库中的钻孔数据确定掘进工作面的采掘工程平面图；
采用ArcEngine三维控件，并结合OpenGL技术，以采掘工程平面图、属性数据库和空间数据库为基础，建立掘进工作面在大地坐标系下的三维模型。
进一步的，所述掘进机截割头在大地坐标系下的坐标的计算方法为：
获取掘进机在掘进工作面巷道内的空间位置信息，计算掘进机在大地坐标系下的坐标；
获取掘进机的方位角、位姿信息以及掘进机的各油缸的位移信息；
根据掘进机的空间位置信息、方位角、位姿信息以及各油缸的位移信息，计算出掘进机截割头在大地坐标系下的坐标。
进一步的，所述确定掘进机的截割方式、截割头的运动路径和速度的步骤包括：
获取巷道断面的大小和形状，
以截割头的坐标为基础，根据巷道断面的大小和形状，确定在掘进工作面的三维模型中截割头的运动路径和速度；
利用掘进工作面的三维模型，确定煤岩的分布情况和岩壁硬度；
根据煤岩的分布情况和岩壁硬度，确定掘进机的截割方式，包括左右循环向上的截割方式和由下向上左右截割方式。
进一步的，所述掘进机截割头的截割效果的判断方法为：
采集截割电机的电流或功率大小；
若截割电机的电流或功率大于设定阈值，则说明截割头截割工作面岩壁的硬度大于根据掘进工作面的三维模型所确定的岩壁硬度；
若截割电机的电流或功率小于设定阈值，则说明截割头截割工作面岩壁的硬度小于根据掘进工作面的三维模型所确定的岩壁硬度。
进一步的，所述截割头的速度的修正方法为：
若截割头截割工作面岩壁的硬度大于根据掘进工作面的三维模型所确定的岩壁硬度，则减小截割头转速和截割臂的摆动速度；若截割头截割工作面岩壁的硬度小于根据掘进工作面的三维模型所确定的岩壁硬度，则增大截割头转速和截割臂的摆动速度。
进一步的，所述截割头的运动路径的调整方法为：
计算掘进机的空间位置变化值；
当掘进机的空间位置变化值大于设定阈值，使得截割头位置无法接触到掘进工作面岩壁时，调整掘进机的空间位置；
根据新的掘进机的空间位置信息，计算截割头的坐标；
根据截割头的坐标，重新确定截割头的运动路径。
一种掘进机截割路径规划装置，该装置包括处理器、存储器和通信接口，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通信总线相连；
所述通信接口，用于接收掘进机的空间位置信息、方位角信息、位姿信息以及各油缸的位移信息；
所述存储器，用于存储程序代码；
所述处理器，用于读取所述存储器中存储的程序代码，并执行以下步骤：
建立掘进工作面在大地坐标系下的三维模型；
获取掘进机的空间位置信息、方位角、位姿信息及各油缸的位移信息，计算掘进机截割头在大地坐标系下的坐标；
将掘进机截割头的坐标与掘进工作面的三维模型相结合，根据巷道断面的大小、形状以及煤岩的分布情况和性质，确定掘进机的截割方式、截割头的运动路径和速度；
根据掘进机的空间位置变化，调整截割头的运动路径，判断掘进机截割头的截割效果，修正截割头的速度。
一种掘进机截割控制***，包括：掘进机截割路径规划装置和控制器；
所述掘进机截割路径规划装置，接收控制器发送的掘进机的空间位置信息、方位角、位姿信息以及各油缸的位移信息，并执行掘进机截割路径规划方法的实现步骤；
所述控制器根据掘进机截割路径规划方法反馈的掘进机的截割方式、截割头的运动路径和速度信息，控制截割头的伸缩油缸或掘进机行走部工作，截割出所要求的巷道断面形状。
本公开的有益效果是：
(1)本公开能够根据掘进机的空间位置变化和掘进工作面的岩壁硬度变化自动调整截割头的运动路径和速度，解决了目前煤矿井下掘进机只能依靠工人经验规划截割头的运动路径或者能够实现自动截割的掘进机不能自动调整截割头的运动路径的问题，为掘进机的智能控制奠定了基础；
(2)本公开通过检测截割电机的电流或功率大小来判断截割头截割工作面岩壁的硬度与掘进工作面三维模型所确定的岩壁的硬度大小，根据截割效果实时对截割头的速度进行修正，保证了截割出所要求的巷道断面形状。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是掘进机截割路径规划方法流程图；
图2是掘进机截割路径规划装置结构框图；
图3是掘进机截割控制***结构框图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种或多种实施例提供了一种掘进机截割路径规划方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S101，建立掘进工作面在大地坐标系下的三维模型。
根据掘进工作面的采掘工程平面图、钻孔数据、三维地震数据及物探数据，建立掘进工作面在大地坐标系下的三维模型，可以分辨出不同区域的岩壁硬度。
掘进工作面是指在为回采工作面做准备时，首先开采一条巷道，这条巷道包含探煤、掘煤、探水、探气等作用。
其中，采掘工程平面图是反映开采煤层或开采分层内采掘工程现状及采掘计划和地质资料的综合性图纸，是煤矿生产建设中最基本最重要的图纸；煤矿采掘工程平面图是将开采煤层或其分层内的采掘工程和地质情况，采用标高投影的原理，按一定比例尺绘制而成的图纸。图上包括内容有：井田技术边界线，本煤层内的以及与开采本煤层有关的邻近巷道，回采区、丢煤区或注销或报损区，永久导线点和水准点的位置，勘探和表明煤层埋藏的资料，如钻孔和勘探线区，重要采掘安全资料，如发火区、积水区、煤及瓦斯突出区等，地面重要工业建筑、居民区、铁路等；井田边界以外100m内的邻矿采掘工程和地质资料。
掘进工作面的钻孔数据对待开采区域进行钻孔得到的，掘进工作面的钻孔数据包括但不限于方位、倾角、孔径或孔深等数据。可根据掘进工作面的钻孔数据确定煤矿的采掘工程平面图。
三维地震数据是在掘进工作面上布设一定数量的激发点和接收点，并在掘进工作面上进行地震数据采集得到的。
物探数据是采用电磁仪等仪器对掘进工作面的前方、左右两侧、顶板及底板情况进行探测得到的数据。
所述步骤S101中，掘进工作面在大地坐标系下的三维模型的建立方法为：
S1011，建立属性数据库和空间数据库，获取掘进工作面的钻孔数据、三维地震数据和物探数据，并存储到属性数据库中；获取物探区的地理分布、钻孔的地理位置及巷高、巷宽等数据，存储到空间数据库中；
S1012，根据属性数据库中的钻孔数据确定掘进工作面的采掘工程平面图；
S1013，采用ArcEngine三维控件，并结合OpenGL技术，以采掘工程平面图、属性数据库和空间数据库为基础，建立掘进工作面在大地坐标系下的三维模型。
步骤S102，获取掘进机的空间位置信息、位姿信息及各油缸的位移信息，计算截割头在大地坐标系下的坐标。
通过实时获取掘进机的空间位置信息、位姿信息及各油缸的位移信息，来计算掘进机的截割头在大地坐标系下的坐标。
在至少一种实施例中，所述掘进机截割作业部分包括掘进机本体和安装在掘进机本体上的控制器、截割头、掘进机行走部、定位装置、寻北仪、双轴倾角传感器，所述截割头上设有伸缩油缸，所述伸缩油缸设置有位移传感器，所述定位装置、寻北仪、位移传感器、双轴倾角传感器分别与控制器连接。
所述步骤S102采用以下方式实现：
S1021，获取掘进机在掘进工作面巷道内的空间位置信息，计算掘进机在大地坐标系下的坐标。
通过定位装置对掘进机在掘进工作面巷道内的空间位置进行精确定位，来获得掘进机的位置信息。在至少一种实施例中，通过在掘进机上安装棱镜、定位卡、***等方式来对掘进机在掘进工作面巷道内的空间位置进行精确定位，从而得到掘进机在掘进工作面巷道内的空间位置信息。
根据得到的掘进机在掘进工作面巷道内的空间位置信息，计算掘进机在大地坐标系下的坐标。
S1022，获取掘进机的方位角、位姿信息以及掘进机的各油缸的位移信息。
通过寻北仪测量掘进机的方位角，该掘进机的方位角为掘进机中线与正北方向的夹角。
通过双轴倾角传感器测量掘进机的位姿信息，所述掘进机的位姿信息包括掘进机的俯仰角和掘进机的翻滚角，其中，前后方向为掘进机的俯仰角，左右方向为掘进机的翻滚角。
通过掘进机上各油缸安装的位移传感器测量各油缸的位移信息。
S1023，根据掘进机的空间位置信息、方位角、位姿信息以及各油缸的位移信息，计算出掘进机截割头在大地坐标系下的坐标。
S103，将截割头的坐标与掘进工作面的三维模型相结合，根据巷道断面的大小、形状以及煤岩的分布情况和性质，确定掘进机的截割方式、截割头的运动路径和速度。
所述步骤S103采用如下方式实现：
S1031，获取巷道断面的大小和形状；
S1032，以截割头的坐标为基础，根据巷道断面的大小和形状，确定在掘进工作面的三维模型中截割头的运动路径和速度，其中，截割头的速度包括截割头转速和截割臂的摆动速度；
S1033，利用掘进工作面的三维模型，确定煤岩的分布情况和性质，煤岩的性质包括岩壁硬度；
S1034，根据煤岩的分布情况和性质，确定掘进机的截割方式，包括左右循环向上的截割方式和由下向上左右截割方式；
当岩壁的硬度小于设定的阈值，属于较软的岩壁时，掘进机采用左右循环向上的截割方式；当岩壁的硬度大于等于设定的阈值，属于较硬的岩壁时，掘进机采用由下向上左右截割方式。
S1035，控制器根据掘进机的截割方式、截割头的运动路径和速度，控制截割头的伸缩油缸或掘进机行走部工作，使截割头切入工作面岩壁一定深度，然后通过掘进机机体的回转运动和截割头的升降运动，即可切割出所要求的巷道断面形状。
S104，根据掘进机的位置变化，调整截割头的运动路径。
当掘进机的位置变化较大，通过调整截割头位置无法接触到掘进工作面岩壁时，开动掘进机行走部，进行调整掘进机的位置，使得截割头位置接触到掘进工作面岩壁。所述步骤S104中，截割头的运动路径的调整方法具体为：
S1041，计算掘进机的空间位置变化值；
S1042，当掘进机的空间位置变化值大于设定阈值，使得截割头位置无法接触到掘进工作面岩壁时，调整掘进机的空间位置；
S1043，根据新的掘进机的空间位置信息，计算截割头的坐标；
S1044，根据截割头的坐标，重新确定截割头的运动路径。
S105，获取截割电机的电流或功率，判断截割头截割工作面岩壁的硬度与根据掘进工作面的三维模型所确定的岩壁硬度的大小，从而判断截割效果。所述步骤105中，截割效果判断方法为：
S1051，采集截割电机的电流或功率大小；
S1052，若截割电机的电流或功率大于设定阈值，则说明截割头截割工作面岩壁的硬度大于根据掘进工作面的三维模型所确定的岩壁硬度，硬度较高，应降低截割头转速和截割臂的摆动速度；
S1053，若截割电机的电流或功率小于设定阈值，则说明截割头截割工作面岩壁的硬度小于根据掘进工作面的三维模型所确定的岩壁硬度，硬度较低，应提高截割头转速和截割臂的摆动速度。
S106，根据截割效果，对截割头转速和截割臂的摆动速度进行修正。
若截割头截割工作面岩壁的硬度大于根据掘进工作面的三维模型所确定的岩壁硬度，则减小截割头转速和截割臂的摆动速度；若截割头截割工作面岩壁的硬度小于根据掘进工作面的三维模型所确定的岩壁硬度，则增大截割头转速和截割臂的摆动速度。
本实施例提出的掘进机截割路径规划方法，能够根据掘进机的位置变化和工作面的岩石硬度变化自动调整截割头的运动路径和速度，解决了目前煤矿井下掘进机只能依靠工人经验规划截割头的运动路径或者能够实现自动截割的掘进机不能自动调整截割头的运动路径的问题，为掘进机的智能控制奠定了基础。
在一种或多种实施例中还提供一种掘进机截割路径规划装置，如图2所示，该装置包括至少一个处理器201、内存202、***设备接口203、输入/输出子***204和通信线路205。
在图2中，箭头表示能进行计算机***的构成要素间的通信和数据传送，且其可利用高速串行总线、并行总线、存储区域网络和/或其他适当的通信技术而实现。
内存202可包括操作***206和掘进机截割路径规划例程207。例如，内存202可包括高速随机存取存储器、磁盘、静态随机存取存储器、动态随机存取存储器、只读存储器、闪存或非挥发性内存。
***设备接口203可将处理器201的输入和/或输出***设备，并且，输入/输出子***204可将多种输入/输出***设备与***设备接口203相结合。例如，输入/输出子***204可包括显示器、键盘、鼠标、打印机或根据需要用于将定位装置、各种传感器等***设备与***设备接口204相结合的控制器。
通信线路205可利用至少一个接口与其他计算机***进行通信，如与遥控控制***进行通信。
处理器201通过施行存储在内存202中的软件模块或指令集架构可执行掘进机截割路径规划装置的多种功能且处理数据。处理器201构成为用于执行上述方法部分所述的掘进机截割路径规划方法。
在一种或多种实施例中还提供一种具备掘进机截割路径规划功能的掘进机截割控制***，如图3所示，该掘进机截割控制***包括：主处理器301和控制器MCU302。
所述主处理器301为上述的掘进机截割路径规划装置，接收控制器上传的掘进机的空间位置信息、方位角、位姿信息以及各油缸的位移信息，并执行以下步骤：
建立掘进工作面在大地坐标系下的三维模型；
获取掘进机的空间位置信息、方位角、位姿信息及各油缸的位移信息，计算掘进机截割头在大地坐标系下的坐标；
将掘进机截割头的坐标与掘进工作面的三维模型相结合，根据巷道断面的大小、形状以及煤岩的分布情况和性质，确定掘进机的截割方式、截割头的运动路径和速度；
根据掘进机的空间位置变化，调整截割头的运动路径，判断掘进机截割头的截割效果，修正截割头的速度。
所述控制器302与掘进机上的掘进机行走部、定位装置、寻北仪、双轴倾角传感器、位移传感器和伸缩油缸连接，控制器202通过定位装置、寻北仪、双轴倾角传感器和位移传感器采集掘进机的空间位置信息、方位角、位姿信息及各油缸的位移信息，并上传至主处理器301，还接收主处理器301反馈的掘进机的截割方式、截割头的运动路径和速度信息，根据掘进机的截割方式、截割头的运动路径和速度信息，控制截割头的伸缩油缸或掘进机行走部工作，切割出所要求的巷道断面形状。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种掘进机截割路径规划方法，其特征是，包括以下步骤：
建立掘进工作面在大地坐标系下的三维模型；
获取掘进机的空间位置信息、方位角、位姿信息及各油缸的位移信息，计算掘进机截割头在大地坐标系下的坐标；
将掘进机截割头的坐标与掘进工作面的三维模型相结合，根据巷道断面的大小、形状以及煤岩的分布情况和性质，确定掘进机的截割方式、截割头的运动路径和速度；
根据掘进机的空间位置变化，调整截割头的运动路径，判断掘进机截割头的截割效果，修正截割头的速度；
所述掘进工作面在大地坐标系下的三维模型的建立方法为：
建立属性数据库和空间数据库，获取掘进工作面的钻孔数据、三维地震数据和物探数据，并存储到属性数据库中；获取物探区的地理分布、钻孔的地理位置及巷高、巷宽数据，存储到空间数据库中；
根据属性数据库中的钻孔数据确定掘进工作面的采掘工程平面图；
采用ArcEngine三维控件，并结合OpenGL技术，以采掘工程平面图、属性数据库和空间数据库为基础，建立掘进工作面在大地坐标系下的三维模型；
所述确定掘进机的截割方式、截割头的运动路径和速度的步骤包括：
获取巷道断面的大小和形状，
以截割头的坐标为基础，根据巷道断面的大小和形状，确定在掘进工作面的三维模型中截割头的运动路径和速度；
利用掘进工作面的三维模型，确定煤岩的分布情况和岩壁硬度；
根据煤岩的分布情况和岩壁硬度，确定掘进机的截割方式，包括左右循环向上的截割方式和由下向上左右截割方式；
所述截割头的运动路径的调整方法为：
计算掘进机的空间位置变化值；
当掘进机的空间位置变化值大于设定阈值，使得截割头位置无法接触到掘进工作面岩壁时，调整掘进机的空间位置；
根据新的掘进机的空间位置信息，计算截割头的坐标；
根据截割头的坐标，重新确定截割头的运动路径。
2.根据权利要求1所述的掘进机截割路径规划方法，其特征是，所述掘进机截割头在大地坐标系下的坐标的计算方法为：
获取掘进机在掘进工作面巷道内的空间位置信息，计算掘进机在大地坐标系下的坐标；
获取掘进机的方位角、位姿信息以及掘进机的各油缸的位移信息；
根据掘进机的空间位置信息、方位角、位姿信息以及各油缸的位移信息，计算出掘进机截割头在大地坐标系下的坐标。
3.根据权利要求1所述的掘进机截割路径规划方法，其特征是，所述掘进机截割头的截割效果的判断方法为：
采集截割电机的电流或功率大小；
若截割电机的电流或功率大于设定阈值，则说明截割头截割工作面岩壁的硬度大于根据掘进工作面的三维模型所确定的岩壁硬度；
若截割电机的电流或功率小于设定阈值，则说明截割头截割工作面岩壁的硬度小于根据掘进工作面的三维模型所确定的岩壁硬度。
4.根据权利要求1所述的掘进机截割路径规划方法，其特征是，所述截割头的速度的修正方法为：
若截割头截割工作面岩壁的硬度大于根据掘进工作面的三维模型所确定的岩壁硬度，则减小截割头转速和截割臂的摆动速度；若截割头截割工作面岩壁的硬度小于根据掘进工作面的三维模型所确定的岩壁硬度，则增大截割头转速和截割臂的摆动速度。
5.一种掘进机截割路径规划装置，其特征是，包括处理器、存储器和通信接口，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通信总线相连；
所述通信接口，用于接收掘进机的空间位置信息、方位角信息、位姿信息以及各油缸的位移信息；
所述存储器，用于存储程序代码；
所述处理器，用于读取所述存储器中存储的程序代码，并执行如权利要求1至4中任一项所述的方法。
6.一种掘进机截割控制***，其特征是，包括：如权利要求5所述的装置，还包括：控制器；
权利要求5所述的装置与控制器连接，接收控制器发送的掘进机的空间位置信息、方位角、位姿信息以及各油缸的位移信息，并执行如权利要求1至4中任一项所述的方法；
所述控制器接收权利要求1所述的掘进机截割路径规划方法反馈的掘进机的截割方式、截割头的运动路径和速度信息，控制截割头的伸缩油缸或掘进机行走部工作，切割出所要求的巷道断面形状。
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