一种基于VR的煤矿综采设备碰撞检测与预警方法与流程

本发明涉及远程控制的碰撞检测技术，尤其是涉及一种煤矿综采工作面三机设备的碰撞预警检测方法。

背景技术：

随着煤矿采煤技术的不断发展，我国大多数煤矿企业已经实现了自动化、机械化煤矿开采。但在少人、无人工作面的远程控制作业中，最常见的隐患就是综采设备间相互碰撞以及工作面支架出现挤架、咬架、倒架现象，因此，如何高效准确地检测综采设备间的碰撞成为煤矿安全生产的核心问题。通常采用传感器和视觉测量的方法对采掘工况进行监控。但由于外界因素的波动以及传感器安装位置的限制，会造成传感器自身动态特性和静态特性的改变和不稳定，从而使得传感器在碰撞检测的实际应用中无法达到快速准确的目的。随着视觉传感技术和图像处理技术的快速发展，视觉测量已经成为一种最为流行的非接触式测量方法。视觉测量相对于其他光学测量方法，不需要额外的光路辅助设备，只需要借助摄像装置，通过对图像的采集、分析就可以完成对应的测量，但是由于井下巷道光线不足，并且粉尘含量大，容易发生爆炸等问题，影响摄像装置的信息采集，所以该方法不适用于复杂的煤矿环境。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于vr的煤矿综采设备碰撞检测与预警方法，根据场景中各设备的运动轨迹和位姿快速准确的判断出被控对象是否发生相交，实现综采工作面设备间碰撞预警检测，通过人为干预和设备的自主避障保证了综采设备在开采过程中的正常运行，满足了系统的高效性和实时性要求。

本发明的技术方案是：一种基于vr的煤矿综采设备碰撞检测与预警方法，基于煤矿综采工作面虚拟仿真与远程控制系统提出，该系统主要包括虚拟仿真与远程监控平台、远程操控台、数据通讯模块、下位机硬件，其中虚拟仿真与远程监控平台用来仿真综采工作面环境以及三机设备的运动状态，该平台基于unity3d开发软件进行建模、渲染、装配等操作搭建而成，其特征在于，在该平台通过碰撞检测模块发射射线与虚拟场景中所有添加了碰撞体的设备发生碰撞，并返回碰撞信息，通过计算射线与所有的碰撞体之间的射线长度即为设备间的距离d，将检测到的设备间的距离d与系统预设的距离阈值进行比较，当设备间的距离d小于某一阈值，预警检测模块发出警报，提醒操作人员采取相应措施，根据系统提示判断设备间的相对位置，从而实现预警检测的目的；

根据工况安全需求，设定两个距离阈值dmax，dmin，将设备间的距离d分为三个区域：安全区域、预警区域和危险区域；

按以下方法计算射线与所有的碰撞体之间的射线长度：

假设空间中某一射线的起点坐标为a(x，y，z)，球碰撞体的球心坐标为o(x0，y0，z0)，r表示球半径，则ray-sphere碰撞的触发区域为：

l＝((x，y，z)|(x-x0)²+(y-y0)²+(z-z0)²≤r²}式(1)设a，b，c分别为盒碰撞体的长、宽、高，取空间内任意一点b(x，y，z)为射线原点，盒体的重心坐标为o(x0，y0，z0)，则ray-box碰撞的触发区域为：

若射线上任一点的坐标满足式(1)、式(2)中的约束条件l(x，y，z)，则可判断射线与碰撞体相交，通过计算射线起点到交点的距离确定射线长度即为设备间的距离d。

利用碰撞检测模块在设备间发射虚拟射线，发射射线有两种情况：(1)在某点沿任一矢量方向发射一条射线，可通过physics.raycast静态函数实现，(2)向屏幕上的某一固定点发射射线，可通过screenpointtoray或viewportpointtoray两种api函数来实现；这些虚拟射线类似于无形的反射直线，碰到第一个带碰撞体的设备就停止发射，并反馈检测到的碰撞信息。

具体检测过程如下：

第一步：为虚拟场景中所有可发生碰撞的设备模型添加刚体和碰撞体，根据工况要求，在每一组易发生碰撞的刚体之间设定预警距离阈值dmax，dmin；

第二步：当综采设备开始运动时，碰撞检测模块在设备间发射虚拟射线，操作界面出现gui窗口显示设备间的碰撞信息(碰撞对象，碰撞距离d)，同时系统开始判断d与dmax，dmin之间的位置关系：

当d＞dman时，设备间的距离处于安全区域，gui窗口不出现；

当dmax＞d＞dmin时，设备间的距离d进入预警区域，预警检测模块会发出警报，操作界面出现gui窗口显示设备间的碰撞信息，提醒操作人员设备即将发生碰撞，需通过人为干预调整各个设备的运动状态，使得设备间处于合理位置；

当d＜dmin时，设备间的距离d进入危险区域，预警检测模块会发出警报，操作界面出现gui窗口显示设备间的距离d，此时需要进行碰撞检测，若设备间发生碰撞，系统采取紧急制动，若未发生碰撞，此时虚拟操作平台通过数据库读取安装在设备上的各类传感器检测数据，计算三机设备的运动位姿，根据计算结果调整各个设备的运动状态，使得设备间处于合理位置，实现了综采设备自主避障。

本发明的有益效果是：

本发明针对煤矿综采工作面虚拟仿真与远程控制系统在工况中无法精确判断设备间碰撞的问题，利用虚拟射线检测技术结合传感器检测技术，在虚拟交互平台通过发射虚拟射线实时对综采工作面三机设备的碰撞检测和预警监测，进而保证三机设备的正常运行。该方法还可以推广应用到其他远程控制系统的碰撞检测中。

附图说明

图1是本发明的碰撞预警检测工作流程图。

图2是本发明的虚拟仿真场景图。

图3是本发明的碰撞检测原理图。

图4是本发明的碰撞检测图。

图5是本发明的预警检测图。

具体实施方式

如图1所示，基于vr的煤矿综采设备碰撞检测与预警方法，其特征在于：基于煤矿综采工作面虚拟仿真与远程控制系统提出，该系统主要包括虚拟仿真与远程监控平台、远程操控台、数据通讯模块、下位机硬件。其中虚拟仿真平台用来仿真综采工作面环境以及三机设备的运动状态，在该平台通过虚拟射线检测技术，实现对三机设备的碰撞检测预警功能。

在虚拟环境中，要产生碰撞效果必须为目标对象添加刚体组件和碰撞组件。为目标对象添加刚体组件，可以实现目标对象在场景中的物理交互。

其次为该系统添加三机设备的碰撞预警检测模块，碰撞预警检测模块主要由预警检测模块和碰撞检测模块两部分组成。在系统开启虚拟射线检测后，碰撞检测模块能够对每一组碰撞体间的距离进行检测，当检测到设备间距离处于非正常状态时，预警检测模块被启动，提醒操作人员采取相应避撞措施。

预警检测是保障自动化采煤过程正常运行的关键，当设备间的距离d小于某一阈值，预警检测模块会发出警报，提醒操作人员采取相应措施。根据工况安全需求，通过设定两个距离阈值dmax，dmin，将设备间的距离d分为三个区域：安全区域、预警区域和危险区域，根据系统提示判断设备间的相对位置，从而实现系统的预警检测。

碰撞检测模块是通过在设备间发射虚拟射线而实现，发射射线时通常有两种情况，(1)在某点沿任一矢量方向发射一条射线，可通过physics.raycast静态函数实现，(2)向屏幕上的某一固定点发射射线，可通过screenpointtoray或viewportpointtoray两种api函数来实现；这些虚拟射线类似于无形的反射直线，碰到第一个带碰撞体的设备就停止发射，并反馈检测到的碰撞信息。可根据目标对象的实际要求选择射线检测的实现方式。

本发明所述方法，对工作过程中三机设备间的相对距离进行监测，其具体碰撞预警检测流程如下：

第一步：为虚拟设备以及环境中可发生碰撞的模型添加刚体和碰撞体，根据工况要求，在每一组易发生碰撞的刚体之间设定距离阈值dmax，dmin；

第二步：当综采设备开始运动时，射线检测被启动，操作界面出现gui窗口显示设备间的距离d，同时系统开始判断d与dmax，dmin之间的位置关系：

当d＞dmax时，设备间的距离d处于安全区域，gui窗口不出现；当dmax＞d＞dmin时，设备间的距离d处于预警区域，预警检测模块会发出警报提示操控人员即将发生碰撞，需通过人为干预调整各个设备的运动状态，使得设备间处于合理位置；

当d＜dmin时，设备间的距离d处于危险区域，此时需要进行碰撞检测，若设备间发生碰撞系统采取紧急制动，若未发生碰撞此时需要进行碰撞对象的位姿计算，根据计算结果调整各个设备的运动状态，使得设备间处于合理的相对位置，实现了综采设备自主避障。

如图2所示，在unity3d虚拟交互平台中，完成井下综采工作面的虚拟场景搭建和虚拟三机设备的建模、渲染、装配。在虚拟环境中，为目标对象添加刚体组件和碰撞组件，可以实现该对象在场景中的物理交互。碰撞体是物理组件的一类，它要与刚体一起添加到目标设备上才能触发碰撞。

如图3所示，本系统中采用盒形碰撞体来保证三机设备间碰撞检测的实时性和准确性，为综采工作面三机设备的虚拟射线碰撞检测原理图，其中包围着设备的立方体是为设备不同部位添加的碰撞体，虚线表示用于检测设备间距离的虚拟射线。

如图4所示，采煤机和液压支架在正常运动过程中，虚拟射线实时对虚拟环境进行检测，当设备间处于安全距离时，射线呈点画线，表示运动过程正常。

如图5所示，摇臂上升至初始确定的预警区域时，滚筒与互帮之间可能会发生碰撞，虚拟射线立即呈虚线，提示操作人员应采取相应人工控制。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是有本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。