一种煤矿快掘成套装备跟随行走控制系统及方法与流程

1.本发明属于煤矿掘进装备控制技术领域，具体涉及一种煤矿快掘成套装备跟随行走控制系统及方法。


背景技术：

2.煤矿掘进工作是煤炭开采的首要环节和必要步骤，近年来随着煤矿智能化技术的发展和相关政策的提出，对于煤炭掘进智能化的要求逐年上升。当前，煤矿的掘进工作面已经普遍采用具备掘、支、运平行作业的快速掘进成套装备，常见的如掘锚一体机、锚杆转载机、迈步自移机尾和可弯曲皮带等，快速掘进成套装备按类型和排列顺序可归纳为掘进设备，锚护设备和后配套设备，掘进工作面智能化建设的重要内容之一便是实现掘进工作面成套设备的自动化协同控制。掘进工作面的装备种类繁多，作业工艺复杂，且掘进工作面往往存在着高瓦斯，多水，片帮等复杂地质条件和环境，实现掘进工作面自动化协同控制存在着诸多问题，需要针对性的设计。
3.掘进工作面快速掘进成套装备多数为移动装备，且随着掘进工作的行进，需要不断进行移动，因此实现掘进作业时成套装备自动跟随行走是提高煤矿开采作业效率的必要前提和保障。煤矿掘进工作面快速掘进成套装备的跟随行走，并非单一的前机动作，后机跟随行走自动化工序，由于掘进工作面的复杂作业特性，因此如何实现快速掘进成套装备的跟随行走，是掘进工作面智能化开采的一大难题。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有技术中由于掘进工作面的复杂作业特性导致掘进工作面自动化协同控制存在诸多问题的不足，提供了一种煤矿快掘成套装备跟随行走控制系统及方法，本发明采用如下的技术方案实现：一种煤矿快掘成套装备跟随行走控制系统，包括位置感应单元、控制单元和冗余网络通讯单元；位置感应单元包括uwb测距传感器、超声波测距传感器和rgb-d深度相机，其中uwb测距传感器用于测量相邻单机设备的距离，超声波测距传感器用于测量单机设备与煤矿巷道侧帮的距离，rgb-d深度相机用于实现相邻单机设备距离的辅助判断、相邻单机设备之间的影响采集和设备安全距离防护，单机设备包括掘锚一体机、锚杆转载机和自移机尾；控制单元包括单机设备控制器、集中控制器、集控操作面板和人机交互工控机，单机设备控制器包括掘锚一体机控制器、锚杆转载机控制器和自移机尾控制器，uwb测距传感器和超声波测距传感器将所测到的距离值通过单机设备控制器传输至集中控制器，rgb-d深度相机将所测到的距离值及视频画面通过人机交互工控机传输至集中控制器；集中控制器将单机设备的工作状态、跟随行走总体状态和位置信息传输至人机交互工控机，人机交互工控机将设置参数信息传输至集中控制器，集中操作面板具有用于实现跟随行走控制的开关量按钮、旋钮、平面按键和模拟量手柄，集中控制器将单机设备的行走指令传输至单机设备控制器；冗余网络通讯单元包括有线与无线双层结
构，其中有线结构包括单机设备内部有线系统和单机设备间有线通讯系统，单机设备内部有线系统采用网线进行连接，单机设备间有线通讯系统采用动力电缆进行连接，无线结构采用wifi6基站进行通讯以实现单机设备间位置感应信息的传输。
5.优选地，单机设备和集中控制器处均设置有交换机，单机设备控制器、rgb-d深度相机和wifi6基站均与单机设备处的交换机电口连接，单机设备处的交换机光口与集中控制器处的交换机光口之间设置有组合开关并通过动力电缆实现信号的传输，集中控制器与集中控制器处的交换机的电口连接；掘锚一体机、锚杆转载机和自移机尾处各安装一wifi6基站；8个uwb测距传感器分别位于掘锚一体机尾部左右两侧、锚杆转载机机头和机尾左右两侧以及自移机尾机头左右两侧；6个超声波测距传感器分别位于掘锚一体机、锚杆转载机和履带自移机尾左右两侧中央；5个rgb-d深度相机分别位于掘锚一体机机头和机尾中央、锚杆转载机机头和机尾中央以及自移机尾机头中央。
6.优选地，uwb测距传感器和超声波传感器采用can通讯方式，通讯线接入单机设备控制器can通讯接口；rgb-d深度相机采用tcp/ip通讯，通讯线接入单机设备处的交换机；集中控制器与单机设备控制器采用ads通讯方式连接；集中控制器与人机交互工控机采用modubustcp通讯方式连接；集中控制面板与集中控制器采用can通讯方式连接。
7.优选地，人机交互工控机包括状态检测界面和参数设置界面，其中状态监测画面包括各设备间通讯状态显示、跟随行走总体启停状态显示、单机设备跟随行走状态提示、单机设备间uwb测距传感器距离显示、rgb-d深度相机测量距离显示、uwb测距传感器和rgb-d深度相机融合后的距离显示、超声波传感器距离显示、单机设备故障报警、单机设备安全距离报警提示、单机设备视频监控画面；参数设置界面包括跟随行走距离设置、跟随行走速度设置、跟随行走安全信任距离设置和跟随行走循环次数设置。
8.本发明还提供了一种煤矿快掘成套装备跟随行走控制方法，依托于如权利要求1至4所述的煤矿快掘成套装备跟随行走控制系统，其特征在于：包括以下步骤，s1：判断各设备之间通信状态，包括集中控制器与单机设备控制器、集中控制器与人机交互工控机、uwb测距传感器、超声波测距传感器和rgb-d深度相机与单机设备控制器的通信状态；s2：在人机交互工控机上进行初始化参数设置，初始化参数包括跟随行走距离，安全距离信任值，跟随行走循环次数和行走速度；s3：按照快掘成套设备掘、支、运布局方向从前往后掘锚一体机、锚杆转载机和自移机尾依次行走设定距离：集中控制器向掘锚一体机控制器发送行走指令，掘锚一体机按照设定行走速度行走，完成设定行走距离后，掘锚一体机控制器向集中控制器发送掘锚一体机行走完成标志位；集中控制器将掘锚一体机行走完成标志位发送给锚杆转载机控制器，锚杆转载机按照设定行走速度行走，完成设定行走距离后，锚杆转载机控制器发送锚杆转载机行走完成标志位给集中控制器；集中控制器将锚杆转载机行走完成标志位发送给自移机尾控制器，自移机尾按照设定行走速度行走，完成设定行走距离后，自移机尾控制器将自移机尾行走完成标志位发送给集中控制器；s4：集中控制器清除各单机设备自动行走完成标志位，跟随行走步骤值清零；s5：判断循环次数，若循环次数为1，结束跟随行走，将跟随行走总的完成标志位发送给人机交互工控机；若循环次数为大于1，则重复步骤s2、s3、s4，直至完成所有循环步骤
后，结束跟随行走，将跟随行走总的完成标志位发送给人机交互工控机。
9.优选地，步骤s2中，为防止出现行走的累计误差，跟随行走距离小于等于10m；安全距离信任值大于等于50cm，相邻单机设备距离小于安全距离信任值时，集中控制器控制相应的单机设备停机；跟随行走循环次数为跟随行走的总距离与跟随行走距离的比值；跟随行走速度指单机设备的行走速度，速度范围在0.5m/s-1.5m/s内。
10.优选地，步骤s3中，行走过程中以行走速度乘以行走时间的距离为基准，进行测距传感器测量值判断，当uwb测距传感器测量距离偏差大于10cm或每秒变化率大于50%的情况时，采用rgb-d深度相机所测量的距离值；当rgb-d深度相机所测距离值偏差大于5cm或每秒变化率大于30%时，采用总距离减去已行走距离除以行走速度得出剩余行走时间，按照时间完成剩余距离行走。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的煤矿快掘成套装备跟随行走控制系统，区别于地面一般设备的跟随行走控制系统，是一种包含多种设备在内的煤矿用跟随行走系统，具备多种通讯方式，智能化人机交互界面。所提供的煤矿快掘成套装备跟随行走远程控制方法，以集中控制平台为基础，实现了多设备行走的协同控制和流程工艺的自动控制。煤矿快掘成套装备跟随行走控制系统及方法是煤矿智能快速掘进装备必不可少的协同控制环节，实现了快速掘进成套装备自动化掘进的高效运行，该跟随行走控制系统及方法可适用于多种地质条件和多种配套的快速掘进成套设备，对煤矿快掘成套装备间的其他协同控制功能具有借鉴意义和价值。
附图说明
12.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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，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。
13.图1是本实施例的控制系统通讯示意图；图2是本实施例的位置感应单元的布局示意图；图3是本实施例的控制方法流程示意图。
14.图中：1-uwb测距传感器；2-超声波测距传感器；3-rgb-d深度相机；4-wifi6基站。
具体实施方式
15.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，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性地劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
16.须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范
围内，需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
17.本发明提供了一种实施例：一种煤矿快掘成套装备跟随行走控制系统，包括位置感应单元、控制单元和冗余网络通讯单元；位置感应单元包括uwb测距传感器1、超声波测距传感器2和rgb-d深度相机3，其中uwb测距传感器1用于测量相邻单机设备的距离，超声波测距传感器2用于测量单机设备与煤矿巷道侧帮的距离，rgb-d深度相机3用于实现相邻单机设备距离的辅助判断、相邻单机设备之间的影响采集和设备安全距离防护，单机设备包括掘锚一体机、锚杆转载机和自移机尾；控制单元包括单机设备控制器、集中控制器、集控操作面板和人机交互工控机，单机设备控制器包括掘锚一体机控制器、锚杆转载机控制器和自移机尾控制器，uwb测距传感器1和超声波测距传感器2将所测到的距离值通过单机设备控制器传输至集中控制器，rgb-d深度相机3将所测到的距离值及视频画面通过人机交互工控机传输至集中控制器；集中控制器将单机设备的工作状态、跟随行走总体状态和位置信息传输至人机交互工控机，人机交互工控机将设置参数信息传输至集中控制器，集中操作面板具有用于实现跟随行走控制的开关量按钮、旋钮、平面按键和模拟量手柄，集中控制器将单机设备的行走指令传输至单机设备控制器；冗余网络通讯单元包括有线与无线双层结构，其中有线结构包括单机设备内部有线系统和单机设备间有线通讯系统，单机设备内部有线系统采用网线进行连接，单机设备间有线通讯系统采用动力电缆进行连接，无线结构采用wifi6基站4进行通讯以实现单机设备间位置感应信息的传输。
18.本实施例中，uwb测距传感器1、超声波测距传感器2和rgb-d深度相机3用来感知跟随行走时单机设备间距离、单机设备和煤巷侧帮距离，其中uwb测距传感器1和rgb-d深度相机3测量的距离信息融合得出单机设备间距离，rgb-d相机兼具视频监控和三维成像功能；超声波测距传感器2测量单机设备与煤巷侧帮距离；8个uwb测距传感器1分别位于掘锚一体机尾部左右两侧、锚杆转载机机头和机尾左右两侧以及自移机尾机头左右两侧；6个超声波测距传感器2分别位于掘锚一体机、锚杆转载机和履带自移机尾左右两侧中央；5个rgb-d深度相机3分别位于掘锚一体机机头和机尾中央、锚杆转载机机头和机尾中央以及自移机尾机头中央；uwb测距传感器1、超声波测距传感器2和rgb-d深度相机3均采用dc24v供电，电源于单机设备取用，uwb测距传感器1和超声波传感器采用can通讯方式，通讯线接入单机设备控制器can通讯接口；rgb-d深度相机3采用tcp/ip通讯，通讯线接入单机设备处的交换机；联动模式下，若其中有单机设备故障急停，后级设备自动停止防止误碰撞；同时rgb-d相机监测到有人员进入行走危险区会紧急停机；位置感应单元uwb测距传感器1和超声波测距传感器2所测距离值由单机设备控制器传输给集中控制器，rgb-d深度相机3所测距离值及视频画面由人机交互工控机传输给集中控制器。
19.单机设备和集中控制器处均设置有交换机，单机设备控制器、rgb-d深度相机3和wifi6基站4均与单机设备处的交换机千兆电口连接，单机设备处的交换机光口与集中控制器处的交换机光口之间设置有组合开关并通过动力电缆实现信号的传输，具体为从组合开
关处引入动力电缆包含供电线缆和光纤电缆，将光纤电缆接入各单机设备处的交换机千兆光口，再由组合开关引出动力电缆到集中控制器处的交换机光口，若组合开关和集中控制器放置于一处，可从组合开关引出网线到集中控制器处的交换机；集中控制器与集中控制器处的交换机的电口连接；掘锚一体机、锚杆转载机和自移机尾处各安装一wifi6基站4，wifi6基站4自身接一个网线到单机设备交换机电口，其中掘锚一体机的wifi6基站4装有2个双极化平板天线，分别安装在掘锚一体机机尾顶部左右两侧，设置为gateway模式；锚杆转载机wifi6基站4安装有4个双极化平板天线，分别安装在锚杆转载机机头和机尾顶部左右两侧，设置为bridge模式；其中自移机尾wifi6基站4装有2个双极化平板天线，分别安装在自移机尾机头顶部左右两侧，设置为gateway模式；冗余网络通讯单元中控制命令采用有线结构，位置感应信息采用有线和无线结构冗余传输，保证跟随行走控制系统的安全性和可靠性。
20.集中控制单元安装在集中控制平台内，是成套设备跟随行走算法的载体和执行机构；集中控制器位于远程控制箱内，集控操作面板安装在集中控制平台内部供操作人员操作；人机交互工控机安装在工控机防爆箱内，一台人机交互工控机带动一个本安屏幕。集中控制器与单机设备控制器采用ads通讯方式连接，搜集单机设备的工作状态和位置信息，下达跟随行走的控制命令；集中控制器与人机交互工控机采用modubustcp通讯方式连接，人机交互工控机将设置参数信息和rgb-d深度相机3信息传递给集中控制器，集中控制器将单机设备工作状态、跟随行走总体状态和位置信息传递给人机交互工控机；集中控制面板与集中控制器采用can通讯方式连接，集控操作面板采用旋钮开关、平面按键实现跟随行走控制，包括控制模式选择、工作模式切换和跟随行走启动、暂停和复位功能的操作。
21.人机交互工控机包括状态检测界面和参数设置界面，其中状态监测画面包括各设备间通讯状态显示、跟随行走总体启停状态显示、单机设备跟随行走状态提示、单机设备间uwb测距传感器1距离显示、rgb-d深度相机3测量距离显示、uwb测距传感器1和rgb-d深度相机3融合后的距离显示、超声波传感器距离显示、单机设备故障报警、单机设备安全距离报警提示、单机设备视频监控画面，状态监测画面采用三维进行实体映射并包含巷道信息真实再现功能，以上所有监测信息都通过设备映射动作画面进行展现；参数设置界面包括跟随行走距离设置、跟随行走速度设置、跟随行走安全信任距离设置和跟随行走循环次数设置，参数设置根据设备的结构参数及巷道的地质条件进行具体设置。
22.一种煤矿快掘成套装备跟随行走控制方法，包括以下步骤，s1：观察人机交互工控机显示界面，判断各设备之间通信状态，包括集中控制器与单机设备控制器、集中控制器与人机交互工控机、uwb测距传感器1、超声波测距传感器2和rgb-d深度相机3与单机设备控制器的通信状态，若通信状态故障，需要排查各通讯线路是否出现断路、跟随行走通讯软件参数是否设置正确；s2：在人机交互工控机上进行初始化参数设置，初始化参数包括跟随行走距离，安全距离信任值，跟随行走循环次数和行走速度；为防止出现行走的累计误差，跟随行走距离小于等于10m；安全距离信任值大于等于50cm，相邻单机设备距离小于安全距离信任值时，集中控制器控制相应的单机设备停机，防止发生碰撞危险；跟随行走循环次数为跟随行走的总距离与跟随行走距离的比值，当跟随行走距离设定为10m，循环次数设置为2时，则跟随行走的总距离为20m；跟随行走速度指单机设备的行走速度，井下工作条件复杂，且跟随行
走为快速掘进成套装备掘进工作完成后，因此不需要很快的速度，一般设置为单机设备速度的中档，速度范围在0.5m/s-1.5m/s内；行走速度设置完成后，由集中控制器传递给单机设备控制器，单机设备控制器转换为自身对应的左右履带电磁阀开口量数字，进行速度调节。
23.s3：按照快掘成套设备掘、支、运布局方向从前往后掘锚一体机、锚杆转载机和自移机尾依次行走设定距离：启动过程如下：操作人员首先将各单机设备切换为远程操作模式，此时允许集中控制系统进行操作控制，单机设备的模式切换采用单机遥控完成并具有语音报警提示；将集中控制面板的控制模式切换为“远控”，工作模式切换为“联动”，此时在单机设备和集中控制平台都会有对应的语音报警提示；同时按下集中控制面板的“启动”和“自动行走启动”按键，听到集控系统语音报警“自动行走开始”并且人机交互界面掘进设备开始行走动作，此时松手；若跟随行走出现中断或意外情况，可按下“自动行走停止”暂停跟随行走流程，若需要重新开始跟随行走流程，可切换工作模式到“单机”进行步骤清零。跟随行走过程中若出现单机设备间距离低于信任值情况单机设备会自动停机，跟随行走步骤清零，操作人员操作时还需要观察视频监控画面进行人为停机干预；各单机设备开始行走时自身和集中控制平台会发出语音提示，人机交互界面会有相应动作关联，集中控制平台操作人员通过观察单机设备间距离和视频监控画面可紧急停机和人工干预，当单机设备间距离小于安全距离信任值时，后级设备会自动停止行走；行走过程中以行走速度乘以行走时间的距离为基准，进行测距传感器测量值判断，当uwb测距传感器1测量距离偏差大于10cm或每秒变化率大于50%的情况时，采用rgb-d深度相机3所测量的距离值；当rgb-d深度相机3所测距离值偏差大于5cm或每秒变化率大于30%时，采用总距离减去已行走距离除以行走速度得出剩余行走时间，按照时间完成剩余距离行走；具体为：假设当前跟随行走距离设定值为10m，跟随行走速度为1m/s，安全距离信任值为50cm，跟随行走循环次数为1次；当操作人员按下自动行走启动命令后，集中控制器向掘锚一体机控制器发送行走指令，掘锚一体机按照设定行走速度行走，行走过程中根据超声波传感器所测左右距离值会对左右履带的电磁阀开口量进行微调，当左右距离偏差超过20cm时，掘锚一体机会自动停机，完成设定行走距离后，掘锚一体机控制器向集中控制器发送掘锚一体机行走完成标志位；集中控制器将掘锚一体机行走完成标志位发送给锚杆转载机控制器，锚杆转载机按照设定行走速度行走，行走过程中调偏过程同掘锚一体机，完成设定行走距离后，锚杆转载机控制器发送锚杆转载机行走完成标志位给集中控制器；集中控制器将锚杆转载机行走完成标志位发送给自移机尾控制器，自移机尾按照设定行走速度行走，完成设定行走距离后，自移机尾控制器将自移机尾行走完成标志位发送给集中控制器；s4：集中控制器清除各单机设备自动行走完成标志位，跟随行走步骤值清零；s5：判断循环次数，若循环次数为1，结束跟随行走，将跟随行走总的完成标志位发送给人机交互工控机；若循环次数为大于1，则重复步骤s2、s3、s4，直至完成所有循环步骤后，结束跟随行走，将跟随行走总的完成标志位发送给人机交互工控机；若为单次跟随行走，则此时需要将集中控制面板工作模式切换回“单机”，防止误动作，以准备下一次跟随行走流程。单次跟随行走距离不能超过10m。
24.本发明提供的煤矿快掘成套设备跟随行走控制系统及方法填补了煤矿掘进工作
面快掘成套装备跟随行走协同控制的空白，并提供了具体可行的控制方法流程。是快速掘进成套装备智能化建设中多装备协同控制顺利运行的主要技术基础保障。该控制系统结合煤巷快速掘进成套装备的组成单元和工艺流程，采用所设计的特定集中控制系统，实现了快速掘进成套装备的多机协同行走控制，采用该系统及方法进行快速掘进成套装备的控制后，能有效减少快速掘进成套装备的操作人员人数，实现掘进工作完成后的移机工作自动化，提高煤巷快掘成套装备的工作效率，提高了煤矿掘进工作面开采的效率和质量，为掘进智能化带来巨大的社会效益和经济效益。
25.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。