CN109356608A - 一种掘进机、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种掘进机、系统及方法，本公开能够实时追踪并测量掘进机的三维空间坐标，实现可视范围内设定距离毫米级的定位精度，有利于掘进机的远程遥控操作和自动控制，且能够根据掘进机的位置变化和掘进工作面巷道的岩壁硬度变化自动调整截割头的运动路径和速度以及掘进机本体的方向、位置和姿态。

Description

一种掘进机、系统及方法

技术领域

本公开涉及一种掘进机、系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

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，部分掘进机能够在机身坐标固定、姿态不变的情况下进行自动截割，但由于掘进机在掘进过程中受岩石冲击扰动，机身坐标及姿态不断变化，所以在现场无法真正实现自动截割。

为了根据掘进情况来调整掘进机位置，部分厂家通过摄像机、红外摄像机、热成像仪来实时监测断面情况辅助工人进行远程遥控操作，但是因为现场粉尘比较大，造成在截割过程中不可视，工作效率低。而如果需要进行精确的远程遥控操作，就需要对掘进机本体进行精确的定位，但是由于巷道内相对封闭，GPS、北斗等卫星定位系统的信号无法覆盖，只能独立建设定位系统。而目前广泛应用于巷道内的定位方式如UWB、ZIGBEE、Wi-Fi、蓝牙、RFID等技术，定位精度达不到毫米级，不能满足掘进机远程遥控操作的要求。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种掘进机、系统及方法，本公开能够实时追踪并测量掘进机的三维空间坐标，实现可视范围内设定距离毫米级的定位精度，有利于掘进机的远程遥控操作和自动控制，且能够根据掘进机的位置变化和掘进工作面巷道的岩壁硬度变化自动调整截割头的运动路径和速度以及掘进机本体的方向、位置和姿态。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种掘进机，包括掘进机本体，所述掘进机本体的后端两侧分别设置有一个可拆卸的棱镜，两个棱镜间隔大于设定值；

掘进机本体上设置有采集单元和处理单元，所述处理器接收采集单元的采集数据，所述采集单元包括定位装置、寻北仪、双轴倾角传感器、电流传感器、设置在伸缩油缸的行程传感器和设置在液压马达上的旋转编码器，所述定位装置采集掘进机在掘进工作面巷道内的空间位置信息，寻北仪采集掘进机的方位角，双轴倾角传感器采集掘进机的位姿信息，行程传感器测量本体上设置的各油缸的伸缩量信息，电流传感器采集截割电机的电流大小，旋转编码器测量液压马达的转速；

所述处理单元被配置为建立掘进工作面巷道的三维模型，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，计算掘进机截割头的坐标；将掘进机截割头的坐标与掘进工作面巷道的三维模型相结合，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，同时基于掘进机在大地坐标系下的坐标和掘进机的方位角，利用掘进机的三维模型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。

作为进一步的限定，所述处理单元包括处理器、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、方位角信息和各类传感器信息；

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，并执行被配置的功能。

作为进一步的限定，所述掘进机的动力为恒功率自适应液压系统，采用阀控缸方式，油泵从油箱给系统回路供油，通过调节电液比例阀来控制液压油的流向和流量达到控制油缸运动方向和位移大小的目的，以此带动掘进机截割头运动；通过调节电液比例阀来控制液压油的流向和流量达到控制液压马达的运动方向和速度大小的目的，以此带动掘进机履带运动。

作为进一步的限定，所述掘进机截割头的位置由两对油缸来进行调节，其中一对为同步的升降油缸，运动方向和行程大小均相同，另一对为对称布置的水平回转油缸，行程大小及运动方向均不同，一个水平回转油缸伸长时，则另外一个水平回转油缸缩短。

作为进一步的限定，所述掘进机履带运动由两台液压马达来进行驱动，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。两台液压马达转速相同时掘进机前进或后退；两台液压马达转速不同时掘进机转弯。

作为进一步的限定，所述处理单元通过检测电流的大小判断岩石的硬度，从而调整掘进机升降油缸和水平回转油缸的速度，带动截割臂进行升降、回转动作以及带动铲板运动，完成对作业面的截割。

一种掘进机三维空间定位系统，包括定位箱、控制器、全站仪、上述的掘进机本体和棱镜，所述定位箱包括箱体，所述箱体内设置有一水平底板，所述水平底板上设置有至少一台带自动跟踪测量功能的全站仪、一台寻北仪和一台双轴倾角传感器，寻北仪用于测量全站仪的方位角，双轴倾角传感器用于测量全站仪的位姿，前后方向为俯仰角，左右方向为翻滚角，所述全站仪的零位与寻北仪的正方向、双轴倾角传感器的前后方向相同，所述定位箱的一侧固定有一个棱镜；

所述全站仪设置于站点处，所述控制器被配置为控制定位箱内设备的工作并接收采集数据，通过所述全站仪设站，确定定位箱的大地坐标系下坐标，控制打开定位箱内的全站仪建立坐标系，利用定位箱内全站仪的自动跟踪测量功能，实时测量掘进机本体的后端其中一个棱镜在坐标系下的坐标，根据定位箱内寻北仪测得的方位角和双轴倾角传感器测得的俯仰角和翻滚角，利用坐标变换法算出掘进机本体上的棱镜在大地坐标系下的坐标，实现掘进机的实时定位。

一种基于上述系统的定位方法，包括以下步骤：

定位箱通过行走机构移动到设定位置处，由安装件在巷道壁上进行固定，通过巷道后方至少两个已知点大地坐标系中的坐标，采用后方交会法，利用站点处的全站仪设站，测得定位箱上的棱镜在大地坐标系下的坐标，进而确定定位箱内全站仪的零位在大地坐标系下的坐标；

对掘进机定位时，掘进机本体的后端只投入一个棱镜，另一个棱镜需要拆卸掉，定位箱内全站仪建立坐标系，实时测量掘进机本体后端的棱镜在该坐标系下的坐标，换算出该棱镜在大地坐标系下的坐标，从而实现对掘进机的实时定位。

作为进一步的限定，将定位箱固定在遂道壁上，通过遂道后方至少两个已知点的大地坐标系的坐标，采用后方交会法，人工操作站点处的全站仪在已知点的前方某一点设站，分别测量该全站仪与两个以上已知点的距离和角度，从而求出该全站仪的零位在大地坐标系下的坐标，再将该全站仪进行反转后对定位箱上的棱镜进行测量，从而测得定位箱上的棱镜在大地坐标系下的坐标，通过定位箱内寻北仪测得的方位角和双轴倾角传感器测得的俯仰角和翻滚角，以及定位箱内全站仪的零位和定位箱上棱镜的空间位置关系，算出定位箱内全站仪的零位在大地坐标系下的坐标。

作为进一步的限定，对掘进机定位时，先将掘进机本体的后端的一个棱镜拆除，只使用一个棱镜，定位箱内全站仪开机后建立坐标系，采用定位箱内全站仪的自动跟踪测量功能，实时测量该棱镜在这个坐标系下的坐标，通过定位箱内寻北仪测得的方位角和双轴倾角传感器测得的俯仰角和翻滚角，以及已知的定位箱内全站仪的零位在大地坐标系下的坐标，利用坐标变换法算出该棱镜在大地坐标系下的坐标，从而实现对掘进机的实时定位。

一种掘进机的行走路径规划方法，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。

一种掘进机截割路径规划方法，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；

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巷道的三维模型相结合，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巷道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，所述掘进机截割头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，确定在掘进工作面巷道的三维模型中截割头的运动路径和速度；

利用掘进工作面巷道的三维模型，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巷道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巷道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巷道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巷道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信息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巷道岩壁时，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。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开采用带自动跟踪测量功能的全站仪实时追踪测量掘进机的三维空间坐标，实现在可视范围内设定距离毫米级的定位精度，并解决了定位箱快速移动的难题，为后续掘进机的截割或行走路径规划、智能控制等步骤奠定了基础；

本公开借鉴全站仪的测量原理，通过在定位箱中增加双轴倾角传感器和寻北仪，实现对棱镜坐标的修正；定位箱可以在一定范围内快速进行移动，不必再由人工对全站仪的零位坐标进行修正；

本公开能够根据掘进机的空间位置变化和掘进工作面巷道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的问题，为掘进机的智能控制奠定了基础；

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巷道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；

本公开在对掘进机进行精确定位的基础上，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，同时能够对掘进机的行走路线进行纠偏。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本公开的定位箱结构图；

图2是本公开的两个棱镜的位置示意图；

图3是本公开的坐标示意图；

图4是本公开的全站仪I的操作示意图；

图5是本公开的掘进机的实时定位过程；

图6是本公开的定位箱快速移动过程；

图7是本公开的掘进机截割路径规划方法流程图；

图8是本公开的掘进机截割路径规划装置结构框图；

图9是本公开的掘进机截割控制系统结构框图；

图10是本公开的掘进机行走路径规划方法流程图；

图11是本公开的掘进机行走路径规划装置结构框图；

图12是本公开的掘进机行走控制系统结构框图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

作为一种或多种实施例，提供掘进机，包括掘进机本体，所述掘进机本体的后端两侧分别设置有一个可拆卸的棱镜，两个棱镜间隔大于设定值；

掘进机本体上设置有采集单元和处理单元，所述处理器接收采集单元的采集数据，所述采集单元包括定位装置、寻北仪、双轴倾角传感器、电流传感器、设置在伸缩油缸的行程传感器和设置在液压马达上的旋转编码器，所述定位装置采集掘进机在掘进工作面巷道内的空间位置信息，寻北仪采集掘进机的方位角，双轴倾角传感器采集掘进机的位姿信息，行程传感器测量本体上设置的各油缸的伸缩量信息，电流传感器采集截割电机的电流大小，旋转编码器测量液压马达的转速；

所述处理单元被配置为建立掘进工作面巷道的三维模型，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，计算掘进机截割头的坐标；将掘进机截割头的坐标与掘进工作面巷道的三维模型相结合，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，同时基于掘进机在大地坐标系下的坐标和掘进机的方位角，利用掘进机的三维模型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。

具体的处理单元包括处理器、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；通信接口，用于接收掘进机的空间位置信息、方位角信息和各类传感器信息；存储器，用于存储程序代码；处理器，用于读取所述存储器中存储的程序代码，并执行被配置的功能。

上述掘进机的性能特点：

具有现场环境三维模拟功能：根据建立的巷道模型，实时模拟掘进机的工作工程，巷道模型根据掘进机截割过的轨迹实时进行修改。具有远程控制功能：初期可实现远程遥控，后期可实现半/全自主无人(智能)控制；具有示教功能：由人工操纵一次掘进全过程，掘进机即能自动复现全过程，实现自动快速掘进；

具有主动编程功能：也能够预先编制好多种掘进程序，只需选择相应程序即可实现自动掘进；具有走直线或者走圆弧功能，可按照预先设定的方向掘进；

具有根据岩壁硬度变化自动调整截割头的运动路径和速度的自适应功能，以提高掘进效率。

掘进机上恒功率自适应液压系统的驱动大多采用的是阀控缸方式，即：油泵从油箱给系统回路供油，再通通过调节电液比例阀来控制液压油的流向和流量达到控制油缸运动方向和位移大小的目的，以此带动掘进机截割头运动；通过调节电液比例阀来控制液压油的流向和流量达到控制液压马达的运动方向和速度大小的目的，以此带动掘进机履带运动。由于掘进机升降油缸是一对同步油缸(这2个油缸运动方向和行程大小均相同)，水平回转油缸也是一对对称布置的油缸(行程大小及运动方向均不同)，因此还需要考虑同步控制。掘进机履带运动由两台液压马达来进行驱动，通过调整两台液压马达的方向和转速实现掘进机前进、后退、转弯等。

系统在工作时，首先由主控计算机根据给定的断面形状和具体尺寸，根据整个断面截割过程中各个工作油缸的所需行程数据，依次送入PLC控制器，经过数/模转换后送给电液比例阀，最后转换成相应的液压油流量推动油缸工作，油缸的位移通过位移传感器并经过模/数转换后送给主控计算机，完成闭环控制。

由于截割电机是具备高速和低速两个档位的定速电机，通过检测电流的大小判断岩石的硬度，从而调整掘进机升降油缸和水平回转油缸的速度。带动截割臂升降、回转以及铲板协同运动，即可完成对作业面的截割。

液压马达受电液比例阀精确控制，来控制液压油的流向和流量达到控制液压马达运动方向和位移大小的目的，液压马达带动履带，即可完成直线、曲线等行走。

掘进机在掘进过程中受岩石冲击扰动，机身坐标及姿态不断变化，通过对掘进机在巷道内进行三维空间精确定位，实时检测掘进机机身坐标及姿态，通过控制液压马达、液压油缸实时修正截割头的坐标，保证截割头按照设定的截割路径进行截割。

基于上述掘进机，还提供掘进机三维空间定位系统，包括定位箱、控制器、全站仪、上述的掘进机本体和棱镜，所述定位箱包括箱体，所述箱体内设置有一水平底板，所述水平底板上设置有至少一台带自动跟踪测量功能的全站仪、一台寻北仪和一台双轴倾角传感器，寻北仪用于测量全站仪的方位角，双轴倾角传感器用于测量全站仪的位姿，前后方向为俯仰角，左右方向为翻滚角，所述全站仪的零位与寻北仪的正方向、双轴倾角传感器的前后方向相同，所述定位箱的一侧固定有一个棱镜；

所述全站仪设置于站点处，所述控制器被配置为控制定位箱内设备的工作并接收采集数据，通过所述全站仪设站，确定定位箱的大地坐标系下坐标，控制打开定位箱内的全站仪建立坐标系，利用定位箱内全站仪的自动跟踪测量功能，实时测量掘进机本体的后端其中一个棱镜在坐标系下的坐标，根据定位箱内寻北仪测得的方位角和双轴倾角传感器测得的俯仰角和翻滚角，利用坐标变换法算出掘进机本体上的棱镜在大地坐标系下的坐标，实现掘进机的实时定位。

如图1所示，一套定位箱，里面安装1台全站仪(全站仪1)、1台寻北仪、1台双轴倾角传感器，固定在同一块水平底板上，保证全站仪的零位与寻北仪的正方向、双轴倾角传感器的前后方向相同，同时全站仪垂直于水平底板调到完全水平。寻北仪用于测量全站仪的方位角(全站仪零位与正北方向的夹角)，双轴倾角传感器用于测量全站仪的位姿，前后方向为俯仰角，左右方向为翻滚角。棱镜1安装在定位箱后部的一个固定位置。

还提供一种系统，由1台计算机、2台带自动跟踪测量功能的全站仪(以下分别称为全站仪1、全站仪2)、1台寻北仪、1台双轴倾角传感器、3个棱镜(以下分别称为棱镜1、棱镜2、棱镜3)组成。

棱镜2和棱镜3刚性固定在掘进机后部的2个固定位置，如图2所示。

按照图3建立坐标系，“方向北”定义为x轴，“方向东”定义为y轴，“垂直于地心方向向上”定义为z轴。

将定位箱壁挂安装在巷道壁上，通过巷道后方2个已知点P1、P2的坐标(大地坐标系)，采用后方交会法，人工操作全站仪2设站(图4)，测得定位箱上棱镜1在大地坐标系下的坐标(x01，y01，z01)，由于棱镜1与全站仪1的零位在定位箱内的空间位置是固定的，通过定位箱内寻北仪测得的方位角和双轴倾角传感器测得的俯仰角和翻滚角，由计算机可算出全站仪1的零位在大地坐标系下的坐标(x0，y0，z0)。

对掘进机定位时，先将棱镜3拆除，只使用棱镜2，全站仪1开机后建立坐标系1，采用全站仪1的自动跟踪测量功能，实时测量棱镜2在坐标系1下的坐标(x21，y21，z21)，通过定位箱内寻北仪测得的方位角和双轴倾角传感器测得的俯仰角和翻滚角，由计算机利用坐标变换法可算出棱镜2在大地坐标系下的坐标(x2，y2，z2)，从而实现对掘进机的实时定位，如图5所示。

(3)定位箱快速移动方法

如图6所示，由于巷道起伏不平，为了确保全站仪1能够追踪到棱镜，掘进机每前进一段距离，需要移动定位箱。

移动定位箱前，先将掘进机停止，在掘进机上安装棱镜3，由计算机控制全站仪1测得棱镜2、棱镜3在坐标系1下的坐标，再利用坐标变换法算出棱镜2、棱镜3在大地坐标系下的坐标(x20，y20，z20)和(x30，y30，z30)。

移动定位箱后将定位箱壁挂安装在巷道壁上，全站仪1开机后，由计算机控制全站仪1测量棱镜2、棱镜3，通过前方交会法，由计算机可算出全站仪1的零位在大地坐标系下的坐标(x0’，y0’，z0’)。

为了减少移动定位箱造成的累积误差，定位箱每移动100米，需要由人工操作全站仪2，采用后方交会法对棱镜1的坐标测量后进行修正。

在获取了上述定位信息之后，如图7所示，掘进机截割路径规划方法包括以下步骤：

步骤S101，建立掘进工作面巷道的三维模型。

根据掘进工作面巷道的采掘工程平面图、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，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、探水或/和探气等作用。

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。

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，获取掘进工作面巷道的钻孔数据、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，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、姿态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。

可以采用前面所述的定位方法进行定位。

也可以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、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巷道的三维模型相结合，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，确定在掘进工作面巷道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，利用掘进工作面巷道的三维模型，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，即可截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信息变化值大于设定阈值，使得截割头位置无法接触到岩壁时，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巷道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巷道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巷道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巷道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巷道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8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8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。

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定位装置、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系统，如图9所示，该掘进机截割控制系统包括：主处理器301和控制器MCU302。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：

建立掘进工作面巷道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巷道的三维模型相结合，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。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，截割出所要求的巷道断面形状。

如图10所示，掘进机行走路径规划方法包括以下步骤：

步骤S101，建立掘进工作面巷道在大地坐标系下的三维模型。

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与掘进机截割路径规划方法步骤S101一致。

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。

所述步骤S103中，方法与掘进机截割路径规划方法步骤S1021一致。

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。

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11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11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12所示，该掘进机行走控制系统包括：主处理器301和控制器MCU302。

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。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。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种掘进机，其特征是：包括掘进机本体，所述掘进机本体的后端两侧分别设置有一个可拆卸的棱镜，两个棱镜间隔大于设定值；

掘进机本体上设置有采集单元和处理单元，所述处理器接收采集单元的采集数据，所述采集单元包括定位装置、寻北仪、双轴倾角传感器、电流传感器、设置在伸缩油缸的行程传感器和设置在液压马达上的旋转编码器，所述定位装置采集掘进机在掘进工作面巷道内的空间位置信息，寻北仪采集掘进机的方位角，双轴倾角传感器采集掘进机的位姿信息，行程传感器测量本体上设置的各油缸的伸缩量信息，电流传感器采集截割电机的电流大小，旋转编码器测量液压马达的转速；

所述处理单元被配置为建立掘进工作面巷道的三维模型，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，计算掘进机截割头的坐标；将掘进机截割头的坐标与掘进工作面巷道的三维模型相结合，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，同时基于掘进机在大地坐标系下的坐标和掘进机的方位角，利用掘进机的三维模型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。

2.如权利要求1所述的一种掘进机，其特征是：所述处理单元包括处理器、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，并执行被配置的功能。

3.如权利要求1所述的一种掘进机，其特征是：所述掘进机的动力为恒功率自适应液压系统，采用阀控缸方式，油泵从油箱给系统回路供油，通过调节电液比例阀来控制液压油的流向和流量达到控制油缸运动方向和位移大小的目的，以此带动掘进机截割头运动；通过调节电液比例阀来控制液压油的流向和流量达到控制液压马达的运动方向和速度大小的目的，以此带动掘进机履带运动。

4.如权利要求1所述的一种掘进机，其特征是：所述掘进机截割头的位置由两对油缸来进行调节，其中一对为同步的升降油缸，运动方向和行程大小均相同，另一对为对称布置的水平回转油缸，行程大小及运动方向均不同，一个水平回转油缸伸长时，则另外一个水平回转油缸缩短。所述掘进机履带运动由两台液压马达来进行驱动，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。两台液压马达转速相同时掘进机前进或后退；两台液压马达转速不同时掘进机转弯。

5.如权利要求1所述的一种掘进机，其特征是：所述处理单元通过检测电流的大小判断岩石的硬度，从而调整掘进机升降油缸和水平回转油缸的速度，带动截割臂进行升降、回转动作以及带动铲板运动，完成对作业面的截割。

6.一种掘进机三维空间定位系统，其特征是：包括定位箱、控制器、全站仪、上述的掘进机本体和棱镜，所述定位箱包括箱体，所述箱体内设置有一水平底板，所述水平底板上设置有至少一台带自动跟踪测量功能的全站仪、一台寻北仪和一台双轴倾角传感器，寻北仪用于测量全站仪的方位角，双轴倾角传感器用于测量全站仪的位姿，前后方向为俯仰角，左右方向为翻滚角，所述全站仪的零位与寻北仪的正方向、双轴倾角传感器的前后方向相同，所述定位箱的一侧固定有一个棱镜；

所述全站仪设置于站点处，所述控制器被配置为控制定位箱内设备的工作并接收采集数据，通过所述全站仪设站，确定定位箱的大地坐标系下坐标，控制打开定位箱内的全站仪建立坐标系，利用定位箱内全站仪的自动跟踪测量功能，实时测量掘进机本体的后端其中一个棱镜在坐标系下的坐标，根据定位箱内寻北仪测得的方位角和双轴倾角传感器测得的俯仰角和翻滚角，利用坐标变换法算出掘进机本体上的棱镜在大地坐标系下的坐标，实现掘进机的实时定位。

7.一种基于如权利要求6所述的系统的定位方法，其特征是：包括以下步骤：

定位箱通过行走机构移动到设定位置处，由安装件在巷道壁上进行固定，通过巷道后方至少两个已知点大地坐标系中的坐标，采用后方交会法，利用站点处的全站仪设站，测得定位箱上的棱镜在大地坐标系下的坐标，进而确定定位箱内全站仪的零位在大地坐标系下的坐标；

对掘进机定位时，掘进机本体的后端只投入一个棱镜，另一个棱镜需要拆卸掉，定位箱内全站仪建立坐标系，实时测量掘进机本体后端的棱镜在该坐标系下的坐标，换算出该棱镜在大地坐标系下的坐标，从而实现对掘进机的实时定位。

8.一种基于如权利要求1-5所述的掘进机的行走路径规划方法，其特征是：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。

9.如权利要求8所述的路径规划方法，其特征是：所述掘进工作面巷道的三维模型的建立方法为：

建立属性数据库和空间数据库，获取掘进工作面巷道的钻孔数据、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。

10.一种如权利要求1-5中任一项所述的掘进机截割路径规划方法，其特征是：包括以下步骤：

建立掘进工作面巷道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巷道的三维模型相结合，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巷道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，所述掘进机截割头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，确定在掘进工作面巷道的三维模型中截割头的运动路径和速度；

利用掘进工作面巷道的三维模型，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巷道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巷道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巷道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巷道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信息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巷道岩壁时，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。