CN110107295B - 一种基于工作面高精度导航模型的无人采煤路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于工作面高精度导航模型的无人采煤路径规划方法，该方法是在建立工作面高精度导航模型基础上进行全局采煤路径自动规划，包括如下步骤：(1)用一组间距为采煤机滚筒截割深度的平行平面去切割工作面导航模型，获得沿工作面沿推进方向的煤层顶底板曲线；(2)用等弧长法在顶底板曲线上规划出n段曲线段，计算各曲线段的法线之间的夹角θ，设定一个角度误差阈值δ，如果θ≥δ，继续对该曲线段进行细分，直到所有相邻曲线段的夹角皆小于δ；(3)根据采煤机几何参数和运动方式，以最大回采率和最小割岩率为优化目标，规划出无人采煤最优化路径。优点：解决了传统记忆截割的煤岩识别、多次学习、频繁交互等难题，有效提高工作面自动化水平。
Description
技术领域
本发明涉及无人采煤路径规划方法，尤其是一种基于工作面高精度导航模型的无人采煤路径规划方法，属于煤矿自动化/无人化开采技术领域。
背景技术
煤矿无人化开采是国际煤炭开采领域共同追求的前沿技术，是减少人员伤亡、保障安全生产的重要手段也是我国煤矿实现安全、高效、绿色开采的有效途径。目前，由于煤岩界面识别的世界性难题还没有解决，国内外的综采工作面主要采用记忆截割与人工干预相结合的调高方式，已在地质条件简单的综采工作面实现了自动化调高。但我国大部分综采工作面的地质条件非常复杂(如煤层起伏变化大，存在断层、褶皱等危险地质构造)，导致基于记忆截割的采煤机自动调高控制方法在煤层结构复杂的综采工作面难以实现自动化/无人化开采，具体表现为：
(1)记忆截割是基于采煤机位置传感器和计算机记忆的“示教跟踪”式控制方法，首先人工操作采煤机使滚筒沿工作面随煤层高低起伏完成首次循环截割，并记录和存储对应的割煤轨迹，然后采煤机按存储的程序自动跟踪相应点记录参数来完成自动调高。记忆截割利用顶底板的几何形状的连续性和渐进的推理方法，来预测采煤机前方的顶底板形状，当在工作面推进方向上的煤层倾角发生变化时，依照记忆截割控制模式，在后续的截割过程中将导致采煤机滚筒截割到综采工作面顶板上。而且，记忆截割的准确性依赖于操作工人的工作经验来判断煤岩界面来调整截割路径，存在滞后性且受到工人经验和工作面恶劣环境的限制。
(2)在记忆截割过程中，当遇到截割滚筒高度与实际的顶底板煤岩界面不符时，需要人工调整滚筒高度，同时要进行轨迹更新作为下一次截割时新的调高数据，这样在整个截割过程中需要多次学习、频繁交互、费时费力，严重影响自动化开采的效率。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种方法简单、操作方便、能自动生成无人采煤的最优化路径的基于工作面高精度导航模型的无人采煤路径规划方法。
技术方案：本发明的基于工作面高精度导航模型的无人采煤路径规划方法，根据综采工作面高精度导航模型自动生成无人采煤的最优化路径，具体步骤包括：
(1)综合利用煤层厚度震波CT探测数据、回采巷道激光扫描三维点云数据、巷道顶部钻孔测点数据、煤层底板等高线数据、断层褶皱数据构建综采工作面高精度导航模型；
(2)用一组间距为采煤机滚筒截割深度D的平行平面去切割步骤1中构建的综采工作面高精度导航模型，获得沿工作面沿推进方向的煤层顶底板曲线；
(3)根据煤层顶底板曲线的外部形状特征，包括：突变点、拐点、凹凸点、断点和尖点，对煤层顶底板曲线进行粗略的区间划分；
(4)用等弧长法在顶底板曲线上规划出n+1个点，得到n段曲线段：
其中
表示曲线段，用曲线
首末两端点之间的连线来构建直线段
其中
表示直线段,用来逼近代替曲线段
分别做出各曲线段
的法线pi(i＝1,2,…,n)，pi通过直线段
的中点且与直线段垂直，用直线段
的中垂线pi来近似取代曲线段
的法向矢量
其中
求出各段上的法线之间的夹角θi，分别记为θ1,θ2,…,θn，比较θi和设定误差阈值δ之间的关系，如果法线之间夹角θi≥δ，则对
曲线段进行细分直至满足要求；其中，a表示顶板曲线上规划出来的点，i表示序号，p表示直线段的法线，θ表示法线之间的夹角；
(5)根据从综采工作面高精度导航模型获得的顶底板曲线集合，结合采煤机几何参数和截割运动方式，以采煤机割煤的最大回采率和最小割岩率为优化目标，规划出无人采煤最优化路径。
所述对
曲线段进行细分包括：按照等弧长方式，对曲线段
进行二等分，曲线段中点记为pj(j＝1,2,…,m,m＜n)，
曲线段被分为
和
把需要再细分的曲线段进行等分处理，即得到经细分处理后的新曲线段集合及截割点集；如此反复处理，直到所有曲线段的法线间夹角皆小于δ。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明解决了传统记忆截割的煤岩识别、多次学习、频繁交互等难题，有效提高工作面自动化/无人化水平，根据工作面高精度导航模型精确获取煤层顶底板曲线，采用等弧长和逐级细分法得到顶底板曲线上的最佳截割点集，结合采煤机几何参数和运动方式，以最大回采率和最小割岩率为优化目标，规划出无人采煤最优化路径。解决了传统记忆截割的煤岩识别、多次学习、频繁交互等难题，其方法简单，操作使用方便，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明基于工作面高精度导航模型的无人采煤路径规划方法的流程图。
图2是本发明利用任一平面切割工作面导航模型获得的顶底板曲线示意图。
图3是本发明所利用曲线与逼近曲线法向矢量示意图。
图4是本发明所规划出最优化的采煤机运行轨迹与滚筒截割轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
如图1所示，本发明的基于工作面高精度导航模型的无人采煤路径规划方法，根据综采工作面高精度导航模型自动生成无人采煤的最优化路径，具体步骤包括：
(1)综合利用煤层厚度震波CT探测数据、回采巷道激光扫描三维点云数据、巷道顶部钻孔测点数据、煤层底板等高线数据、断层褶皱数据构建综采工作面高精度导航模型；
(2)用一组间距为采煤机滚筒截割深度D的平行平面去切割步骤1中构建的综采工作面高精度导航模型，获得沿工作面沿推进方向的煤层顶底板曲线；如图2所示，为更清晰的表达平面切割工作面高精度导航模型所形成的煤层顶底板曲线，用一个与工作面导航模型相垂直的平面去截割步骤1中构建的综采工作面导航模型，图中煤层走向长度为550m，工作面长度为180m，煤层埋深为5～7m，工作面顶板曲面和工作面底板曲面在构建的综采工作面高精度导航模型中已经确定，获得采煤机切割顶板曲线和切割地板曲线；
(3)根据煤层顶底板曲线的外部形状特征，包括：突变点、拐点、凹凸点、断点和尖点，对煤层顶底板曲线进行粗略的区间划分；
(4)用等弧长法在顶底板曲线上规划出n+1个点，得到n段曲线段：
其中
表示曲线段，用曲线
首末两端点之间的连线来构建直线段
其中
表示直线段,用来逼近代替曲线段
分别做出各曲线段
的法线pi(i＝1,2,…,n)，pi通过直线段
的中点且与直线段垂直，用直线段
的中垂线pi来近似取代曲线段
的法向矢量
其中
求出各段上的法线之间的夹角θi，分别记为θ1,θ2,…,θn，比较θi和设定误差阈值δ之间的关系，如果法线之间夹角θi≥δ，则对
曲线段进行细分直至满足要求；其中，a表示顶板曲线上规划出来的点，i表示序号，p表示直线段的法线，θ表示法线之间的夹角；
步骤4中，所述对
曲线段进行细分包括：给定一个角度的误差阈值δ，如果θi≥δ，继续对
曲线段进行细分，按照等弧长方式，对曲线段
进行二等分，曲线段中点记为pj(j＝1,2,…,m,m＜n)，
曲线段被分为
和
把需要再细分的曲线段进行等分处理，即得到经细分处理后的新曲线段集合及截割点集；如此反复处理，直到所有曲线段的法线间夹角皆小于δ。
(5)根据从综采工作面高精度导航模型获得的顶底板曲线集合，结合采煤机几何参数和截割运动方式，以采煤机割煤的最大回采率和最小割岩率为优化目标，规划出无人采煤最优化路径。如图4的示。图中处在上面的曲线是规划出的采煤机上截割路径，下面的曲线是规划出的采煤机下截割路径。
Claims (2)
1.一种基于工作面高精度导航模型的无人采煤路径规划方法，其特征在于：根据综采工作面高精度导航模型自动生成无人采煤的最优化路径，具体步骤包括：
(1)综合利用煤层厚度震波CT探测数据、回采巷道激光扫描三维点云数据、巷道顶部钻孔测点数据、煤层底板等高线数据、断层褶皱数据构建综采工作面高精度导航模型；
(2)用一组间距为采煤机滚筒截割深度D的平行平面去切割步骤(1)中构建的综采工作面高精度导航模型，获得沿工作面沿推进方向的煤层顶底板曲线；
(3)根据煤层顶底板曲线的外部形状特征，包括：突变点、拐点、凹凸点、断点和尖点，对煤层顶底板曲线进行粗略的区间划分；
(4)用等弧长法在顶底板曲线上规划出n+1个点，得到n段曲线段：
其中
表示曲线段，用曲线
首末两端点之间的连线来构建直线段
其中
表示直线段,用来逼近代替曲线段
分别做出各曲线段
的法线
pi通过直线段
的中点且与直线段垂直，用直线段
的中垂线pi来近似取代曲线段
的法向矢量
其中
求出各段上的法线之间的夹角θi，分别记为θ1,θ2,…,θn，比较θi和设定误差阈值δ之间的关系，如果法线之间夹角θi≥δ，则对
曲线段进行细分直至满足要求；其中，a表示顶板曲线上规划出来的点，i表示序号，p表示直线段的法线，θ表示法线之间的夹角；
(5)根据从综采工作面高精度导航模型获得的顶底板曲线集合，结合采煤机几何参数和截割运动方式，以采煤机割煤的最大回采率和最小割岩率为优化目标，规划出无人采煤最优化路径。
2.根据权利要求1所述的一种基于工作面高精度导航模型的无人采煤路径规划方法，其特征在于：所述对
曲线段进行细分包括：按照等弧长方式，对曲线段
进行二等分，曲线段中点记为pj(j＝1,2,…,m,m＜n)，
曲线段被分为
和
把需要再细分的曲线段进行等分处理，即得到经细分处理后的新曲线段集合及截割点集；如此反复处理，直到所有曲线段的法线间夹角皆小于δ。
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