掘进机行走路径规划方法、装置及掘进机行走控制系统与流程

本公开涉及煤矿机械领域，具体涉及一种掘进机行走路径规划方法、装置及掘进机行走控制系统。

背景技术：

煤矿用掘进机的行走路径主要有履带行走的前向掘进、后退收煤、左右位姿调整等多自由度空间运动。

目前煤矿掘进机普遍采用人工通过掘进机上操作手柄或者通过遥控器控制掘进机进行行走，掘进机行走完全依靠人工进行控制，无法实现掘进机在巷道内自动行走。

综上所述，目前对于煤矿用掘进机行走路径完全依靠人工目测现场控制，不能实现掘进机在巷道内自动行走的问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

针对目前煤矿用掘进机行走路径完全依靠人工目测现场控制，不能实现掘进机在巷道内自动行走的问题，本公开提供了一种掘进机行走路径规划方法、装置及掘进机行走控制系统，能够自动控制掘进机按照规划好的行走路径自动行走。

本公开所采用的技术方案是：

一种掘进机行走路径规划方法，该方法包括以下步骤：

建立掘进工作面巷道在大地坐标系下的三维模型；

根据掘进机的自身尺寸数据，建立掘进机的三维模型；

获取掘进机的空间位置信息，计算掘进机在大地坐标系下的坐标；

获取掘进机的方位角；

基于掘进机在大地坐标系下的坐标和掘进机的方位角，将掘进机的三维模型与掘进工作面巷道的三维模型相结合，实时模拟掘进机的行走路径；

根据所模拟的掘进机行走路径与设置的掘进机行走路径的偏移量，调整掘进机的行走方向和速度。

进一步的，所述掘进工作面巷道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巷道的采掘工程平面图；

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，建立掘进工作面巷道在大地坐标系下的三维模型。

进一步的，获取掘进机在掘进工作面巷道内的空间位置信息以及掘进机的方位角信息；

根据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。

进一步的，所述掘进机的三维模型建立方法为：

获取掘进机的型号，适应的巷道，主要的结构部件型号以及各部件参数，旋转角度以及摆动幅度信息；

利用上述获取的信息，结合截割头、悬臂、铲板齿轮、输送机的选型和布置方式，使用autocad分别绘制出掘进机的本体部、截割部、输送机、载装机构、行走机构和后支撑机构的结构图；

根据结构图使用三维建模中的表面造型、实体造型和.net二维绘画分别绘制出掘进机各机构的三维实体模型。

进一步的，所述掘进机的行走方向和速度的调整方法为：

将模拟的掘进机的行走路径与设置的掘进机行走路径相比较；

若模拟的掘进机的行走路径与设置的掘进机的行走路径发生偏移，根据偏移量，计算掘进机的位置变化量和方位角变化量；

利用掘进机的位置变化量和方位角变化量，计算掘进机的行走方向和速度的修正量；

利用修正量调整掘进机的行走方向和速度，使掘进机按照规划好的行走路径自动行走。

一种掘进机行走路径规划装置，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和方位角信息；

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，并执行如下步骤：

建立掘进工作面巷道在大地坐标系下的三维模型；

根据掘进机的自身尺寸数据，建立掘进机的三维模型；

获取掘进机的空间位置信息，计算掘进机在大地坐标系下的坐标；

获取掘进机的方位角；

基于掘进机在大地坐标系下的坐标和掘进机的方位角，将掘进机的三维模型与掘进工作面巷道的三维模型相结合，实时模拟掘进机的行走路径；

根据所模拟的掘进机行走路径与设置的掘进机行走路径的偏移量，调整掘进机的行走方向和速度。

一种掘进机行走控制系统，其特征是，包括：掘进机行走路径规划装置，还包括：控制器；

掘进机行走路径规划装置与控制器连接，接收控制器发送的掘进机的空间位置信息和方位角信息，并执行如上所述的掘进机行走路径规划方法；

所述控制器接收掘进机行走路径规划装置反馈的掘进机的行走方向和速度的修正量，调整掘进机的行走方向和速度，使掘进机按照规划好的行走路径自动行走。

进一步的，还包括与控制器连接的伺服比例阀，控制器根据行走速度的修正量，通过伺服比例阀分别调节液压泵给两台液压马达提供的油量，通过两台液压马达控制两条履带动作。

进一步的，当通过伺服比例阀分别调节液压泵给两台液压马达提供的油量相同时，两台液压马达控制两条履带同步行走；

当通过伺服比例阀分别调节液压泵给两台液压马达提供的油量不同时，两台液压马达控制两条履带不同步，实现转弯。

进一步的，当通过伺服比例阀分别调节液压泵给两台液压马达提供的油量大于阈值时，调整掘进机的行走速度变大；

当通过伺服比例阀分别调节液压泵给两台液压马达提供的油量小于阈值时，调整掘进机的行走速度减小。

本公开的有益效果是：

(1)本公开实现了掘进机按照规划好的行走路径自动行走，解决了目前煤矿井下掘进机行走路径完全依靠人工目测现场控制，不能实现掘进机在巷道内自动行走的问题，为掘进机的智能控制奠定了基础；

(2)本公开通过模拟掘进机的行走路径，将其与规划好的行走路径相比较，来调整掘进机的行走方向和速度，从而自动控制掘进机按照规划好的行走路径自动行走。

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是掘进机行走路径规划方法流程图；

图2是掘进机行走路径规划装置结构框图；

图3是掘进机行走控制系统结构框图。

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煤矿用的掘进机行走路径规划方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤s101，建立掘进工作面巷道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，建立掘进工作面巷道的三维模型。

掘进工作面巷道是在地表与矿体之间钻凿出的各种通路，用来运矿、通风、排水、行人以及为采矿设备采出矿石新开凿的各种必要准备工程等。

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，掘进工作面巷道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巷道的采掘工程平面图；

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，建立掘进工作面巷道在大地坐标系下的三维模型。

步骤s102，根据掘进机的自身尺寸数据，建立掘进机的三维模型。

所述掘进机的三维模型建立方法为：

获取掘进机的型号，适应的巷道，主要的结构部件型式以及各部件参数，旋转角度以及摆动幅度等信息；

利用上述获取的信息，结合截割头、悬臂、铲板齿轮、输送机等的选型和布置方式，使用autocad分别绘制出掘进机的本体部、截割部、输送机、载装机构、行走机构和后支撑机构的结构图；

根据结构图使用三维建模中的表面造型、实体造型和.net二维绘画分别绘制出掘进机各机构的三维实体模型。

步骤s103，获取掘进机的空间位置信息，计算掘进机在大地坐标系下的坐标。

通过现有的定位装置对掘进机在掘进工作面巷道内的空间位置实时进行精确定位，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、定位器等方式来对掘进机在掘进工作面巷道内的空间位置实时进行精确定位，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。

步骤s104，获取掘进机的方位角。

在至少一种实施例中，通过寻北仪实时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。

步骤s105，基于步骤s103得到的掘进机在大地坐标系下的坐标和步骤s104得到的掘进机的方位角，将步骤s102建立的掘进机的三维模型与步骤s101建立的掘进工作面巷道的三维模型相结合，实时模拟掘进机的行走路径。

步骤s106，将步骤s105模拟的掘进机的行走路径与设置的掘进机行走路径相比较，若模拟的掘进机的行走路径与设置的掘进机的行走路径发生偏移，根据偏移量，计算掘进机的位置变化量和方位角变化量，利用掘进机的位置变化量和方位角变化量，调整掘进机的行走方向和速度，使掘进机按照规划好的行走路径自动行走。

所述步骤s106中，掘进机的行走方向和速度的调整方法具体为：

将模拟的掘进机的行走路径与设置的掘进机行走路径相比较；

若模拟的掘进机的行走路径与设置的掘进机的行走路径发生偏移，根据偏移量，计算掘进机的位置变化量和方位角变化量；

利用掘进机的位置变化量和方位角变化量，计算掘进机的行走方向和速度的修正量；

利用修正量调整掘进机的行走方向和速度，使掘进机按照规划好的行走路径自动行走。

本实施例提出的掘进机行走路径规划方法，实现了掘进机按照规划好的行走路径自动行走，解决了目前煤矿井下掘进机行走路径完全依靠人工目测现场控制，不能实现掘进机在巷道内自动行走的问题，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行走路径规划装置，如图2所示，该装置包括至少一个处理器201、内存202、外围设备接口203、输入/输出子系统204和通信线路205。

在图2中，箭头表示能进行计算机系统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可包括操作系统206和掘进机行走路径规划例程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。

外围设备接口203可将处理器201的输入和/或输出外围设备，并且，输入/输出子系统204可将多种输入/输出外围设备与外围设备接口203相结合。例如，输入/输出子系统204可包括显示器、键盘、鼠标、打印机或根据需要用于将照相机、各种传感器等外围设备与外围设备接口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系统进行通信，如与遥控控制系统进行通信。

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行走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行走路径规划方法。

在一种或多种实施例中还提供一种具体掘进机行走路径规划功能的掘进机行走控制系统，如图3所示，该掘进机行走控制系统包括：主处理器301和控制器mcu302。

所述主处理器301为上述的掘进机行走路径规划装置，接收控制器上传的掘进机的空间位置信息和信息，并执行以下步骤：

建立掘进工作面巷道在大地坐标系下的三维模型；

根据掘进机的自身尺寸数据，建立掘进机的三维模型；

获取掘进机的空间位置信息，计算掘进机在大地坐标系下的坐标；

获取掘进机的方位角；

基于掘进机在大地坐标系下的坐标和掘进机的方位角，将掘进机的三维模型与掘进工作面巷道的三维模型相结合，实时模拟掘进机的行走路径；

根据所模拟的掘进机行走路径与设置的掘进机行走路径的偏移量，调整掘进机的行走方向和速度。

所述控制器302与定位装置、寻北仪和伺服比例阀连接，控制器202通过定位装置和寻北仪采集掘进机的空间位置信息和方位角信息，并上传至主处理器301，还接收主处理器301反馈的修正量，调整掘进机的行走方向和速度，使掘进机按照规划好的行走路径自动行走。

掘进机行走机构的工作原理是液压马达依靠液压泵送来的高压油旋转，液压马达通过与其连接的减速机构减速得到低转速大扭矩，液压马达、减速机构和链轮做成一个整体，液压马达的转动带动链轮旋转，链轮的轮齿和履带的链轨销咬合，从而实现掘进机在履带上行走。

控制器通过伺服比例阀分别调节液压泵的给油量，通过两台液压马达控制两条履带动作。给油量相同时，两条履带同步行走；给油量不同时，实现转弯。给油量大时，掘进机行走速度快；给油量小时，掘进机行走速度慢。

具体地，控制器根据行走速度的修正量，通过伺服比例阀分别调节液压泵给两台液压马达提供的油量，通过两台液压马达控制两条履带动作。

当通过伺服比例阀分别调节液压泵给两台液压马达提供的油量相同时，两台液压马达控制两条履带同步行走；

当通过伺服比例阀分别调节液压泵给两台液压马达提供的油量不同时，两台液压马达控制两条履带不同步，实现转弯；

当通过伺服比例阀分别调节液压泵给两台液压马达提供的油量大于阈值时，调整掘进机的行走速度变大；

当通过伺服比例阀分别调节液压泵给两台液压马达提供的油量小于阈值时，调整掘进机的行走速度减小。

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。