一种巷道综合掘进成套装备掘进工艺及协同定位控制方法

本发明涉及巷道掘进工作面装备布置工艺及自动化控制技术领域，具体涉及一种巷道综合掘进成套装备掘进工艺及协同定位控制方法。

背景技术：

多年以来，巷道掘进存在速度慢、掘进效率低、综合机械化掘进装备配套混乱、成套装备无法平行作业、装备智能化控制水平低等亟待解决的难题，同时掘进工作面环境恶劣，人员密度大，装备单机人工操作繁琐，工人劳动强度大，导致巷道综合掘进自动化水平一直无法向采煤工作面一样，形成多种装备之间的紧密配套融合，进而无法突破单机掘进和支护的局限性，掘进装备的协同控制与平行作业问题成为巷道掘进的“卡脖子”问题，巷道掘进效率和智能化水平始终无法突破瓶颈，加剧了的采掘接续难题。

因此，目前亟需设计一种巷道综合掘进成套装备掘进工艺及协同定位控制方法，以实现巷道掘进装备间掘、支、运的协同控制和平行作业，并普遍适用于各种巷道施工，快速提升巷道的掘进效率和自动化、智能化水平。

技术实现要素：

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种巷道综合掘进成套装备掘进工艺及协同定位控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种巷道综合掘进成套装备掘进工艺，所述工艺为基于一种巷道综合掘进成套装备掘进系统的设备布置工艺，所述一种巷道综合掘进成套装备掘进系统包括综合掘进成套装备、协同定位控制系统、分布式无线通讯收发装置、惯性定位导航系统、激光测距定位系统、串联式光纤光栅三维曲率传感系统，所述综合掘进成套装备包括巷道掘进迎头断面布置的悬臂式掘进机，所述悬臂式掘进机上方布置有自移迈步式临时支护装置，所述悬臂式掘进机的运输机构后方布置有履带自移式转载机，所述履带自移式转载机上布置有骑跨式自动锚杆钻机，所述履带自移式转载机后方衔接布置有自移式柔性连续运输机，所述悬臂式掘进机机体安装有惯性定位导航系统，所述悬臂式掘进周围安装有激光测距定位系统，所述履带自移式转载机机体、自移式柔性连续运输机机身布置有串联式光纤光栅三维曲率传感系统，所述协同定位控制系统布置在巷道侧帮的硐室中负责综合掘进成套装备的位姿信息的统一接收、计算和控制信息的下发，所述悬臂式掘进机、履带自移式转载机、骑跨式自动锚杆钻机、自移式柔性连续运输机上分别布置有分布式无线通讯收发装置以实现各装置位姿信息和协同定位控制系统的通讯。

优选地，所述悬臂式掘进机用于实现巷道断面的破岩开掘，所述自移迈步式临时支护装置负责巷道的临时支护，防止空顶作业，所述履带自移式转载机负责岩石物料的运输和成套装备的衔接，所述骑跨式自动锚杆钻机用于实现巷道永久锚杆支护，所述自移式柔性连续运输机负责柔性跟随性物料运输。

优选地，所述分布式无线通讯收发装置包括控制中心无线通讯收发装置、掘进机无线通讯收发装置、转载机无线通讯收发装置、运输机无线通讯收发装置，所述控制中心无线通讯收发装置布置在巷道综合掘进成套装备的协同定位控制系统中负责对各分布式无线通讯收发装置进行信息通讯和控制指令下发，所述掘进机无线通讯收发装置安装在悬臂式掘进机机体上负责将惯性定位导航系统和激光测距定位系统获取的悬臂式掘进机和临时支护装置的定位信息发送至控制中心无线通讯收发装置并收取运动控制指令，所述转载机无线通讯收发装置安装在履带自移式转载机机体上负责将转载机串联式光纤光栅三维曲率传感系统获取的转载机和自动锚杆钻机的定位信息发送至控制中心无线通讯收发装置并收取运动控制指令，所述运输机无线通讯收发装置安装在自移式柔性连续运输机机体上负责将运输机串联式光纤光栅三维曲率传感系统获取的自移式柔性连续运输机的定位信息发送至控制中心无线通讯收发装置并收取运动控制指令。

优选地，所述惯性定位导航系统和激光测距定位系统用于实时测量掘进机机体位姿。

优选地，所述履带自移式转载机机体的一侧布置有串联式光纤光栅三维曲率传感系统以感知转载机的关节沿水平方向和数值方向的弯曲姿态以及骑跨式自动锚杆钻机在转载机的相对位置，所述自移式柔性连续运输机机身的一侧布置串联式光纤光栅三维曲率传感系统以感知柔性连续运输机沿水平方向和竖直方向的弯曲姿态。

优选地，所述串联式光纤光栅三维曲率传感系统由若干段光纤光栅三维曲率传感器串联组成，若干段光纤光栅三维曲率传感系统首尾相接组成串联式光纤光栅三维曲率传感系统。

优选地，每一段所述光纤光栅三维曲率传感器包括柔性基材一、柔性基材二、光纤光栅串一、光纤光栅串二、公接头、母接头、正交开槽柔性橡胶管。

优选地，所述光纤光栅串一和光纤光栅串二正交布置在正交开槽柔性橡胶管内能够获得串联式光纤光栅三维曲率传感系统各段的弯曲姿态信息，进而可以估计得到转载机和运输机的位姿信息。

本发明还提供一种基于上述工艺的协同定位控制方法，具体包括以下步骤：

(1)巷道综合掘进成套装备按权利要求1的布置方式沿巷道进行布置；

(2)启动协同定位控制系统、惯性定位导航系统、激光测距定位系统、串联式光纤光栅三维曲率传感系统，并完成初始对准及标定；

(3)启动悬臂式掘进机，进行迎头断面掘进，惯性定位导航系统和激光测距定位系统实时测量掘进机机体位姿，掘进机无线通讯收发装置实时将掘进机机体位姿和掘进机相对巷道迎头、侧帮和自移迈步式临时支护装置的距离发送至协同定位控制系统；

(4)与步骤(3)同步操作，启动自移迈步式临时支护装置在掘进机上方进行临时支护，防止掘进机空顶作业；

(5)与步骤(3)同步操作，启动履带自移式转载机，将掘进机截割下的物料连续转运至巷道后方，履带自移式转载机机体安装的串联式光纤光栅三维曲率传感系统实时采集履带自移式转载机沿水平方向和竖直方向的弯曲位姿，并通过转载机无线通讯收发装置发送至协同定位控制系统；

(6)与步骤(3)同步操作，启动骑跨式自动锚杆钻机，骑跨式自动锚杆钻机自动对新掘进巷道的顶板和侧帮进行打锚杆作业，对巷道进行永久支护，骑跨式自动锚杆钻机骑跨在履带自移式转载机上方，待一排锚杆支护作业完成后，骑跨式自动锚杆钻机沿履带自移式转载机向巷道迎头方向移动一定间距后固定，然后进行下一排锚杆支护作业，安装在履带自移式转载机的串联式光纤光栅三维曲率传感系统感知自动锚杆钻机在履带自移式转载机的相对位置，并通过转载机无线通讯收发装置发送至协同定位控制系统；

(7)与步骤(3)同步操作，启动柔性连续运输机，将履带自移式转载机转运的物料进行连续输送至巷道后方，柔性连续运输机安装的串联式光纤光栅三维曲率传感系统实时采集柔性连续运输机沿水平方向和竖直方向的弯曲位姿，并通过运输机无线通讯收发装置发送至协同定位控制系统；

(8)与步骤(3)同步操作，协同定位控制系统实时接收掘进机无线通讯收发装置、转载机无线通讯收发装置、运输机无线通讯收发装置的位姿信息，并对成套装备的相对位姿进行统一计算判断，并下发各装备的运行控制指令。

本发明的有益效果在于：本发明的工艺和方法可以普遍适用于现有巷道掘进工况，以合理的装备布置工艺实现综合掘进成套装备的紧密匹配，并基于自主定位方法和相对定位方法实现掘进、支护、运输等多个掘进工序之间的并行作业协同控制，提升巷道的综合掘进效率和自动化、智能化水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种巷道掘进工作面综合掘进成套装备布置图。

图2为分布式无线通讯收发装置布置网络图。

图3为串联式光纤光栅三维曲率传感系统原理图。

图4为串联式光纤光栅三维曲率传感系统在转载机和运输机中的布置图。

图5为协同定位控制系统流程图。

图中：1、巷道掘进迎头断面，2、悬臂式掘进机，2-1、惯性定位导航系统，2-2、激光测距定位系统，2-3、掘进机无线通讯收发装置，3、自移迈步式临时支护装置，4、骑跨式自动锚杆钻机，5、履带自移式转载机，5-1、转载机无线通讯收发装置，5-2、转载机串联式光纤光栅三维曲率传感系统，5-2-1、公接头，5-2-2、柔性基材一，5-2-3、柔性基材二，5-2-4、光纤光栅串一，5-2-5、光纤光栅串二，5-2-6、母接头，5-2-7、正交开槽柔性橡胶管，6、自移式柔性连续运输机，6-1、运输机无线通讯收发装置，6-2、运输机串联式光纤光栅三维曲率传感系统，7、巷道综掘成套装备协同位姿控制系统，7-1、控制中心无线通讯收发装置，8、成型巷道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种巷道综合掘进成套装备掘进工艺，所述工艺为基于一种巷道综合掘进成套装备掘进系统的设备布置工艺，所述一种巷道综合掘进成套装备掘进系统包括综合掘进成套装备、协同定位控制系统、分布式无线通讯收发装置、惯性定位导航系统、激光测距定位系统、串联式光纤光栅三维曲率传感系统，所述综合掘进成套装备包括巷道掘进迎头断面1布置的悬臂式掘进机2，实现巷道断面的破岩开掘，所述悬臂式掘进机2上方布置自移迈步式临时支护装置3负责巷道的临时支护防止空顶作业，所述悬臂式掘进机2运输机构后方布置履带自移式转载机5负责岩石物料的运输和成套装备的衔接，所述履带自移式转载机5上布置骑跨式自动锚杆钻机4实现巷道永久锚杆支护，所述履带自移式转载机5后方衔接布置自移式柔性连续运输机6负责柔性跟随性物料运输；

综合掘进成套装备以履带自移式转载机5作业基础，悬臂式掘进机2、自移迈步式临时支护装置3、骑跨式自动锚杆钻机4、自移式柔性连续运输机6等均布置在自移式转载机5周围，可以实现在掘进机进行巷道开掘的同时进行临时支护、物料运输、锚杆支护平行作业。

图2为本实施例的一种巷道掘进工作面综合掘进成套装备分布式无线通讯收发装置布置网络图，包括控制中心无线通讯收发装置7-1、掘进机无线通讯收发装置2-3、转载机无线通讯收发装置5-1、运输机无线通讯收发装置6-1，控制中心无线通讯收发装置7-1布置在巷道综合掘进成套装备协同定位控制系统7中负责对各分布式无线通讯收发装置进行信息通讯和控制指令下发，掘进机无线通讯收发装置2-3安装在掘进机2机体上负责将惯性定位导航系统2-1和激光测距定位系统2-2获取的掘进机2和临时支护装置3的定位信息发送至控制中心无线通讯收发装置7-1并收取运动控制指令，转载机无线通讯收发装置5-1安装在履带自移式转载机5机体上负责将转载机串联式光纤光栅三维曲率传感系统5-2获取的转载机5和自动锚杆钻机4的定位信息发送至控制中心无线通讯收发装置7-1并收取运动控制指令，运输机无线通讯收发装置6-1安装在自移式柔性连续运输机6机体上负责将运输机串联式光纤光栅三维曲率传感系统6-2获取的自移式柔性连续运输机6的定位信息发送至控制中心无线通讯收发装置7-1并收取运动控制指令。

如图3和图4所示，串联式光纤光栅三维曲率传感系统5-2、6-2由分段式光纤光栅三维曲率传感器串联组成，每一段光纤光栅三维曲率传感器包括柔性基材一5-2-2、柔性基材二5-2-3、光纤光栅串一5-2-4、光纤光栅串二5-2-5、公接头5-2-1、母接头5-2-6、正交开槽柔性橡胶管5-2-7，若干段光纤光栅三维曲率传感系统首尾相接组成串联式光纤光栅三维曲率传感系统5-2、6-2，通过正交布置在正交开槽柔性橡胶管5-2-7中的光纤光栅串一5-2-4和光纤光栅串二5-2-5可以获得串联式光纤光栅三维曲率传感系统5-2、6-2各段的弯曲姿态信息，进而可以估计得到转载机5和运输机6的位姿信息；转载机串联式光纤光栅三维曲率传感系统5-2安装在履带自移式转载机5机体一侧负责感知转载机5和自动锚杆钻机4的定位信息，运输机串联式光纤光栅三维曲率传感系统6-2安装在自移式柔性连续运输机6机体一侧负责感知连续运输机6的定位信息。

如图5所示为本实施例的一种巷道综合掘进成套装备协同定位控制系统流程图，具体工作流程如下：

a.巷道综合掘进成套装备按上述布置方式沿巷道进行布置；

b.启动综合掘进成套装备协同定位控制系统7、惯性定位导航系统2-1、激光测距定位系统2-2、串联式光纤光栅三维曲率传感系统，定位传感器5-2、6-2、无线通讯收发装置2-3、5-1、6-1、7-1启动，并完成初始对准及标定；

c.启动综合掘进成套装备，首先由悬臂式掘进机2进行迎头断面1掘进，惯性定位导航系统2-1和激光测距定位系统2-2实时测量掘进机2机体位姿，掘进机无线通讯收发装置2-3实时将掘进机2机体位姿和掘进机2相对巷道迎头1、侧帮和自移迈步式临时支护装置3的距离发送至协同定位控制系统7，由综合掘进成套装备协同定位控制系统7判断当前巷道断面是否掘进完成，若巷道未掘进完成，则悬臂式掘进机2继续掘进巷道断面，履带式自移转载机5和自移式柔性连续运输机6跟随掘进机2前进转移物料，若巷道掘进完成，则停止综合掘进成套装备及控制系统运行，结束掘进；

d.与c同步操作，自移迈步式临时支护装置3在掘进机2上方进行临时支护，防止掘进机空顶作业，由综合掘进成套装备协同定位控制系统7判断当前临时支护装置3是否超出支护范围，若已超出支护范围，则临时支护装置3采用迈步式方式前进一段距离后继续临时支护，若未超出支护范围，则临时支护装置3继续临时支护；

e.与c同步操作，启动履带自移式转载机5，将掘进机2截割下的物料连续转运至巷道8后方，履带自移式转载机5机体安装的串联式光纤光栅三维曲率传感系统5-2实时采集履带自移式转载机5沿水平方向和竖直方向的弯曲位姿，并通过转载机无线通讯收发装置5-1发送至协同定位控制系统7；

f.与c同步操作，启动骑跨式自动锚杆钻机4，骑跨式自动锚杆钻机4自动对新掘进巷道的顶板和侧帮进行打锚杆作业，对巷道进行永久支护，骑跨式自动锚杆钻机4骑跨在履带自移式转载机5上方，待一排锚杆支护作业完成后，骑跨式自动锚杆钻机4沿履带自移式转载机5向巷道迎头1方向移动一定间距后固定，然后进行下一排锚杆支护作业，安装在履带自移式转载机5的串联式光纤光栅三维曲率传感系统5-2感知自动锚杆钻机4在履带自移式转载机5的相对位置，并通过转载机无线通讯收发装置5-1发送至协同定位控制系统7，由综合掘进成套装备协同定位控制系统7判断当前位置锚杆支护作业是否完成，若已完成当前位置锚杆作业，则骑跨式自动锚杆钻机4沿履带自移式转载机5前进一段距离后继续下一位置锚杆支护作业，若未完成当前位置锚杆作业，则骑跨式自动锚杆钻机4继续完成当前位置锚杆支护作业；

g.与c同步操作，启动柔性连续运输机6，将履带自移式转载机5转运的物料进行连续输送至巷道8后方，柔性连续运输机6安装的串联式光纤光栅三维曲率传感系统6-2实时采集柔性连续运输机6沿水平方向和竖直方向的弯曲位姿，并通过运输机无线通讯收发装置6-1发送至协同定位控制系统7；

h.协同定位控制系统7实时接收掘进机无线通讯收发装置2-3、转载机无线通讯收发装置5-1、运输机无线通讯收发装置6-1的位姿信息，并对成套装备的相对位姿进行统一计算判断，并下发各装备的运行控制指令。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。