CN113250693A - 掘进控制装置、方法及掘进设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种掘进控制装置、方法及掘进设备。该装置包括：三维扫描仪对掘进设备当前的掘进巷道进行检测，得到当前掘进巷道的点云数据；惯性导航仪对掘进设备进行检测，得到掘进设备的位置数据和姿态数据；姿态仪对掘进设备的截割头进行检测，得到截割头的位置数据和姿态数据；处理模块在预设巷道模型所在的参考系中，建立实时巷道模型、针对掘进设备的第一模型；根据预设巷道模型、实时巷道模型、第一模型，对掘进设备与当前掘进巷道之间的相对位置和/或截割头与当前掘进巷道的断面之间的相对位置进行调整。在提高掘进工作的准确性和一致性的同时，还可以提高掘进工作人员的安全性。

Description

掘进控制装置、方法及掘进设备

技术领域

本公开涉及掘进技术领域，尤其涉及一种掘进控制装置、方法及掘进设备。

背景技术

目前，掘进巷道在未贯通之前是独头巷道，环境极其恶劣，存在顶板压力大、温度潮湿等问题，掘进设备在工作过程中也会产生高浓度的粉尘、瓦斯气体和突出水等，而由于相关技术中，在煤矿井下执行掘进作业时，需要掘进工作人员人为地判断掘进设备的掘进边界，并调整掘进设备的位置和姿态、以及截割头的位置和姿态，容易产生较大的掘进误差。在掘进设备与当前掘进巷道的两侧之间预留的掘进工作人员的安全通行距离小于预设安全通行距离的情况下，容易对掘进工作人员的人身安全造成一定威胁。因此，如何在执行掘进作业时，提高掘进工作的准确性和一致性，提高掘进工作人员的安全保障是亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种掘进控制装置、方法及掘进设备。

根据本公开的一方面，提供了一种掘进控制装置，该装置包括：

三维扫描仪，用于对掘进设备当前的掘进巷道进行检测，得到当前掘进巷道的点云数据；

惯性导航仪，用于对所述掘进设备进行检测，得到所述掘进设备的位置数据和姿态数据；

姿态仪，用于对所述掘进设备的截割头进行检测，得到所述截割头的位置数据和姿态数据；

处理模块，用于根据所述点云数据在预设巷道模型所在的参考系中建立实时巷道模型，以及根据所述掘进设备的参数、所述掘进设备的位置数据和姿态数据、所述截割头的位置数据和姿态数据在所述参考系中建立针对所述掘进设备的第一模型；以及

根据所述预设巷道模型、所述实时巷道模型、所述第一模型，对所述掘进设备与所述当前掘进巷道之间的相对位置和/或所述截割头与所述当前掘进巷道的断面之间的相对位置进行调整。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述预设巷道模型、所述实时巷道模型、所述第一模型，对所述掘进设备与所述当前掘进巷道之间的相对位置和/或所述截割头与所述当前掘进巷道的断面之间的相对位置进行调整，包括以下至少一项调整操作：

在确定所述第一模型的中心线与所述预设巷道模型的中心线之间存在夹角的情况下，根据所述夹角调整所述掘进设备的姿态；

在确定根据所述实时巷道模型和所述第一模型确定出的所述掘进设备与所述当前掘进巷道的断面之间的第一距离与对应的第一预设距离不一致的情况下，调整所述掘进设备与所述当前掘进巷道之间的相对位置；

在确定根据所述实时巷道模型和所述第一模型确定出的所述掘进设备与所述当前掘进巷道的两侧的第二距离与对应的第二预设距离不一致的情况下，调整所述掘进设备与所述当前掘进巷道之间的相对位置；

在确定根据所述实时巷道模型确定出的所述当前掘进巷道的断面的形状与对应的预设巷道断面的形状不匹配的情况下，调整所述截割头的姿态；

在确定根据所述实时巷道模型和所述第一模型确定出的所述截割头与所述当前掘进巷道的断面之间的第三距离与对应的第三预设距离不一致的情况下，调整所述截割头与所述当前掘进巷道的断面之间的相对位置。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：

指北仪，用于对所述三维扫描仪进行检测，得到所述三维扫描仪的方位数据；

所述根据所述点云数据在预设巷道模型所在的参考系中建立实时巷道模型，包括：根据所述点云数据和所述方位数据，在预设巷道模型所在的参考系中建立所述实时巷道模型。

在一种可能的实现方式中，所述三维扫描仪，还用于根据预设间隔时间向所述惯性导航仪发送所述点云数据；

所述惯性导航仪，还用于在接收到所述点云数据的情况下，根据所述点云数据进行自动校准。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：

图像采集设备，用于对所述掘进设备当前所处空间进行拍摄，得到所述空间的图像数据；

所述处理模块，还用于根据所述图像数据控制所述掘进设备清除所述当前所处空间中需要清除的障碍物。

在一种可能的实现方式中，所述截割头通过截割臂设置在所述掘进设备上，所述装置还包括：

角度传感器，用于对所述截割臂进行检测，得到所述截割臂的姿态数据；

所述根据所述掘进设备的参数、所述掘进设备的位置数据和姿态数据、所述截割头的位置数据和姿态数据在所述参考系中建立针对所述掘进设备的第一模型，包括：

根据所述掘进设备的参数、所述掘进设备的位置数据和姿态数据、所述截割头的位置数据和姿态数据、所述截割臂的姿态数据在所述参考系中建立所述掘进设备的第一模型。

根据本公开的另一方面，提供了一种掘进控制方法，该方法包括：

控制三维扫描仪对掘进设备当前的掘进巷道进行检测，得到当前掘进巷道的点云数据；

控制惯性导航仪对所述掘进设备进行检测，得到所述掘进设备的位置数据和姿态数据；

控制姿态仪对所述掘进设备的截割头进行检测，得到所述截割头的位置数据和姿态数据；

根据所述点云数据在预设巷道模型所在的参考系中建立实时巷道模型，以及根据掘进设备的参数、所述掘进设备的位置数据和姿态数据、所述截割头的位置数据和姿态数据在所述参考系中建立针对所述掘进设备的第一模型；以及

根据所述预设巷道模型、所述实时巷道模型、所述第一模型，对所述掘进设备与所述当前掘进巷道之间的相对位置和/或所述截割头与所述当前掘进巷道的断面之间的相对位置进行调整。

根据本公开的另一方面，提供了一种掘进设备，包括：

机身，

截割头，设置于所述机身上；

上述掘进控制装置。

根据本公开的另一方面，提供了一种掘进控制装置，包括：

处理器；

用于存储处理器可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为：执行上述掘进控制方法。

根据本公开的另一方面，提供了一种非易失性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述掘进控制方法。

根据本公开提出的掘进控制装置、方法及掘进设备。该掘进控制装置通过将掘进设备当前的掘进巷道、掘进设备的位置和姿态、以及截割头的位置和姿态数字化，可以自动化地、精确地执行掘进作业、控制掘进设备的位置和姿态、以及截割头的位置和姿态，人为操作少，在提高掘进工作的准确性和一致性的同时，还可以提高掘进工作人员的安全性。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1、图2示出根据本公开实施例的掘进控制装置的结构示意图。

图3示出根据本公开实施例的掘进设备100在当前掘进巷道中执行掘进作业的示意图。

图4示出根据本公开实施例的当前掘进巷道的断面a的形状与预设巷道断面q的形状的示意图。

图5示出根据本公开实施例的另一掘进控制装置的结构示意图。

图6示出根据本公开实施例的掘进控制方法的流程图。

图7示出了根据本公开实施例的一种用于实现上述掘进控制方法的装置800的框图。

图8示出了根据本公开实施例的一种用于实现上述掘进控制方法的装置1900的框图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1、图2示出根据本公开实施例的掘进控制装置的结构示意图。图3示出根据本公开实施例的掘进设备100在当前掘进巷道中执行掘进作业的示意图。其中，图1所示的掘进控制装置可以应用在图2所示的掘进设备100中。其中，掘进设备100可以是用于对地下空间进行开发掘进的设备，例如，对煤矿等矿井中的巷道等地下空间进行掘进的掘进机，对水利水电、铁路、地铁、市政等方面的地下隧道等地下空间进行开发掘进的设备等，本公开对此不进行限定。在利用图2所示的掘进设备100执行掘进作业进行当前掘进巷道的掘进的过程中，以下通过在图3中示出的当前掘进巷道中建立的o-xyz坐标系，对掘进作业过程中掘进控制装置各部分的工作过程进行说明。其中，xoz平面可以表示当前掘进巷道的断面a所在的平面，xoy平面可以表示当前掘进巷道的地面b所在的平面，当前掘进巷道顶板d所在的平面与xoy平面平行，yoz平面可以表示当前掘进巷道的右侧面c所在的平面，当前掘进巷道的左侧面未示出。

如图1所示，该装置包括三维扫描仪11、惯性导航仪12、姿态仪13和处理模块14。

三维扫描仪11，用于对掘进设备100(如图2所示掘进设备100可以包括截割头10和机身20)当前的掘进巷道进行检测，得到当前掘进巷道的点云数据。

其中，三维扫描仪11可以设置在掘进设备100的机身20上的任意能够对当前掘进巷道的形状进行检测的位置，本公开对此不作限制。例如，如图2所示，三维扫描仪11可以设置在掘进设备100机身20的中后方。并且，可以将三维扫描仪11设置在掘进设备100机身20的中后方等震动小或无震动的地方，这样可以避免在掘进设备100执行掘进作业的过程中所产生的震动对三维扫描仪11的检测过程造成的不利影响。其中，三维扫描仪11可以通过向当前掘进巷道中导线点(设置在当前掘进巷道的右侧面c(如图3所示)和/或掘进巷道的左侧面的具有测量标志的点)位置处的棱镜发出激光，根据接收到的棱镜对该激光进行反射后的反射光确定出当前掘进巷道的点云数据。

惯性导航仪12，用于对所述掘进设备100进行检测，得到所述掘进设备100的位置数据和姿态数据。

其中，惯性导航仪12可以设置在掘进设备100的机身20上除三维扫描仪11之外、能够对掘进设备100的位置和姿态进行检测的任意位置，本公开对此不作限制。例如，如图2所示，惯性导航仪12可以设置在三维扫描仪11的左侧。

根据惯性导航仪12直接检测到的数据可以包括掘进设备100的角速度、加速度等。通过对惯性导航仪12直接检测得到的数据进行积分等处理，可以得到掘进设备100的位置数据和姿态数据。其中，掘进设备100的位置数据包括掘进设备100所在位置对应的经度、纬度等。掘进设备100的姿态数据包括掘进设备100所在位置的航向角、横摇角(也称为“横滚角”)、纵摇角(也称为“纵滚角”)、水平加速度等。

由于是通过对惯性导航仪12直接检测得到的数据进行积分等处理得到掘进设备100的位置数据和姿态数据的，因此，随着检测时间的延长，根据惯性导航仪12得到的掘进设备100的位置数据和姿态数据可能会存在误差。为了减少该误差，所述三维扫描仪11，还用于根据预设间隔时间向所述惯性导航仪12发送所述点云数据。所述惯性导航仪12，还用于在接收到所述点云数据的情况下，根据所述点云数据进行自动校准。其中，可以根据掘进设备100的位置数据以及点云数据设置预设间隔时间，例如，可以根据掘进设备100的位置数据与根据点云数据分别确定的同一数据值(如掘进设备100与当前掘进巷道的两侧之间的距离等数据值)的差值确定预设间隔时间，该差值越小，所设置的预设间隔时间可以越长。例如，预设间隔时间可以为5分钟。这样，通过对惯性导航仪12进行自动校准，可以减少该误差，提高所得到的掘进设备100的位置数据和姿态数据的准确性。

姿态仪13，用于对所述掘进设备100的截割头10进行检测，得到所述截割头10的位置数据和姿态数据。

其中，姿态仪13可以设置在掘进设备100的截割头10的根部等能够对截割头10的位置和姿态进行检测的位置，本公开对此不作限制。例如，如图2所示，姿态仪13可以设置在掘进设备100的截割头10与机身20的连接处。截割头10的位置数据包括截割头10所在位置对应的经度、纬度等。截割头10的姿态数据包括截割头10所在位置对应的水平角、俯仰角、横摇角、航向角等。

处理模块14，用于根据所述点云数据在预设巷道模型所在的参考系(例如，可以为上文所述的o-xyz坐标系)中建立实时巷道模型，以及根据所述掘进设备100的参数、所述掘进设备100的位置数据和姿态数据、所述截割头10的位置数据和姿态数据在所述参考系中建立针对所述掘进设备100的第一模型；以及根据所述预设巷道模型、所述实时巷道模型、所述第一模型，对所述掘进设备100与所述当前掘进巷道之间的相对位置和/或所述截割头10与所述当前掘进巷道的断面a(如图3所示)之间的相对位置进行调整。

其中，预设巷道模型用于指示与根据预设掘进路线执行掘进作业得到的巷道相关的参数，则根据该预设巷道模型可以确定预设巷道模型的中心线、预设巷道断面形状和尺寸、预设掘进路线，还可以确定预设掘进路线上不同位置的预设掘进巷道的地面、预设掘进巷道顶板、预设掘进巷道的右侧面、预设掘进巷道的左侧面的形状、尺寸等参数，等等。实时巷道模型用于指示与当前掘进巷道相关的参数，则根据该实时巷道模型可以确定当前掘进巷道的中心线，还可以确定当前掘进巷道的断面a、当前掘进巷道的地面b、当前掘进巷道顶板d、当前掘进巷道的右侧面c、当前掘进巷道的左侧面的形状、尺寸等参数，等等。第一模型用于指示与在当前掘进巷道中执行掘进作业的掘进设备100相关的参数，根据第一模型可以确定掘进设备100的中心线(本文也称第一模型的中心线)、掘进设备100的位置数据和姿态数据、截割头10的位置数据和姿态数据等。

根据本公开实施例的掘进控制装置，通过将掘进设备当前的掘进巷道、掘进设备的位置和姿态、以及截割头的位置和姿态数字化，可以自动化地、精确地控制掘进设备的位置和姿态、以及截割头的位置和姿态，人为操作少，在提高掘进工作的准确性和一致性的同时，还可以提高掘进工作人员的安全性。

在一种可能的实现方式中，处理模块14可以通过专用硬件电路实现，也可以通过与通用处理硬件(例如CPU、单片机、现场可编程逻辑器件FPGA等)结合可执行逻辑指令实现，以执行处理模块14的工作过程。本公开对处理模块14的实现方式不做限制。

其中，处理模块14可以用于根据预设巷道模型、实时巷道模型、第一模型生成用于调整掘进设备100与当前掘进巷道之间的相对位置和/或截割头10与当前掘进巷道的断面a之间的相对位置的调整指令，并根据该调整指令调整掘进设备100与当前掘进巷道之间的相对位置和/或截割头10与当前掘进巷道的断面a之间的相对位置。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述预设巷道模型、所述实时巷道模型、所述第一模型，对所述掘进设备100与所述当前掘进巷道之间的相对位置和/或所述截割头10与所述当前掘进巷道的断面a之间的相对位置进行调整，包括以下操作一至操作五中至少一项调整操作。

操作一，在确定所述第一模型的中心线与所述预设巷道模型的中心线之间存在夹角的情况下，根据所述夹角调整所述掘进设备100的姿态。

其中，由于第一模型用于指示与在当前掘进巷道中执行掘进作业的掘进设备100相关的参数，预设巷道模型的中心线的方向与预设掘进路线的方向一致，所以，可以通过判断第一模型的中心线的方向(也即，掘进设备100执行掘进作业的方向)是否与预设巷道模型的中心线的方向(也即，预设掘进路线的方向)平行(也即，判断第一模型的中心线与预设巷道模型的中心线之间是否存在夹角)，并根据判断的结果，确定掘进设备100执行掘进作业的方向是否与预设掘进路线的方向一致。

其中，在确定第一模型的中心线与预设巷道模型的中心线之间存在夹角的情况下，可以确定掘进设备100执行掘进作业的方向与预设掘进路线的方向不一致，则可以根据该夹角控制掘进设备100向逆时针方向或顺时针方向进行旋转，以使得第一模型的中心线与预设巷道模型的中心线平行，以保证掘进设备100执行掘进作业的方向与预设掘进路线的方向一致。例如，在确定第一模型的中心线与预设巷道模型的中心线之间的夹角为45度的情况下，可以控制掘进设备100逆时针旋转45度。

操作二，在确定根据所述实时巷道模型和所述第一模型确定出的所述掘进设备100与所述当前掘进巷道的断面a之间的第一距离与对应的第一预设距离不一致的情况下，调整所述掘进设备100与所述当前掘进巷道之间的相对位置。

其中，第一距离可以指示掘进设备100与当前掘进巷道的断面a之间的距离，可以包括掘进设备100的中心点、掘进设备100的截割头10等掘进设备100的任意部件或位置与当前掘进巷道的断面a之间的距离等，本公开对此不作限制。第一预设距离可以根据掘进设备100的参数以及巷道掘进标准等确定，以使得掘进设备100能够以该巷道掘进标准执行掘进作业。例如，可以设置掘进设备100的中心点与当前掘进巷道的断面a之间的第一预设距离为7米，则在第一距离为9米的情况下，可以判断第一距离大于第一预设距离，并控制掘进设备100向前移动2米。

操作三，在确定根据所述实时巷道模型和所述第一模型确定出的所述掘进设备100与所述当前掘进巷道的两侧的第二距离与对应的第二预设距离不一致的情况下，调整所述掘进设备100与所述当前掘进巷道之间的相对位置。

其中，可以根据掘进设备100的参数、实际掘进需求例如掘进设备100与当前掘进巷道的两侧(即，当前掘进巷道的右侧面c和左侧面)之间需要预留工作人员的安全通行距离等，设置相同或不同的掘进设备100与当前掘进巷道的右侧面c之间的第二预设距离以及掘进设备100与当前掘进巷道的左侧面之间的第二预设距离。例如，在当前掘进巷道的宽度为5米，掘进设备100的宽度为2.8米的情况下，可以设置掘进设备100与当前掘进巷道的右侧面c之间的第二预设距离为1米，掘进设备100与当前掘进巷道的左侧面之间的第二预设距离为1.2米。在确定掘进设备100与当前掘进巷道的右侧面c之间的距离为0.8米，掘进设备100与当前掘进巷道的左侧面之间的距离为1.4米的情况下，可以控制掘进设备100向左移动0.2米，以使掘进设备100与当前掘进巷道的两侧的第二距离与对应的第二预设距离一致。

操作四，在确定根据所述实时巷道模型确定出的所述当前掘进巷道的断面的形状a与对应的预设巷道断面q的形状不匹配的情况下，调整所述截割头10的姿态。

其中，预设巷道断面q的上边缘的形状可以为折线形、曲线型等形状，预设巷道断面q的形状可以为矩形、梯形、不规则形、半圆拱形、圆弧拱形、三心拱、马蹄形、椭圆形和圆形等等，本领域技术人员可以根据实际不同的需求设置预设巷道断面q的形状，本公开对此不作限制。

举例来说，图4示出根据本公开实施例的当前掘进巷道的断面a的形状与预设巷道断面q的形状的示意图。如图4所示，假定预设巷道断面q的形状为马蹄形。实线表示当前掘进巷道的断面a，虚线表示预设巷道断面q，当前掘进巷道的断面a的上边缘与预设巷道断面q的上边缘之间存在间隙，则可以确定当前掘进巷道的上边缘存在欠挖的情况，需要调整截割头10的姿态并控制截割头10继续向当前掘进巷道上方执行掘进作业，以使得当前掘进巷道的断面a的形状与对应的预设巷道断面p的形状匹配。

操作五，在确定根据所述实时巷道模型和所述第一模型确定出的所述截割头10与所述当前掘进巷道的断面a之间的第三距离与对应的第三预设距离不一致的情况下，调整所述截割头10与所述当前掘进巷道的断面a之间的相对位置。

在掘进设备100停止作业的情况下，若误启动掘进设备100，可能会使得截割头10移动，继续对当前巷道进行掘进，因此，需要使截割头10与当前掘进巷道的断面a之间保持安全距离，避免在掘进设备100停止作业时，对当前巷道造成误掘进的情况，其中，可以设置第三预设距离大于或等于安全距离。例如，可以设置第三预设距离为2米，在确定第三距离为1.5米的情况下，可以控制截割头10向后(即y轴方向)移动0.5米。

其中，如图2所示，若截割头10直接固定在掘进设备100的机身20上，则通过调整掘进设备100与当前掘进巷道的断面a之间的相对位置，就可以实现对截割头10与当前掘进巷道的断面a之间的相对位置的控制。如图3所示，若截割头10通过截割臂30间接固定在掘进设备100的机身20上，则通过调整截割臂30和/或掘进设备100与当前掘进巷道的断面a之间的相对位置，可以实现对截割头10与当前掘进巷道的断面a之间的相对位置的控制。

图5示出根据本公开实施例的另一掘进控制装置的结构示意图。在一种可能的实现方式中，如图5所示，所述装置还可以包括指北仪15，用于对所述三维扫描仪11进行检测，得到所述三维扫描仪11的方位数据。其中，三维扫描仪11的方位数据可以包括三维扫描仪11的方位角。所述根据所述点云数据在预设巷道模型所在的参考系中建立实时巷道模型，可以包括：根据所述点云数据和所述方位数据，在预设巷道模型所在的参考系中建立所述实时巷道模型。

在一种可能的实现方式中，如图2所示，指北仪15可以设置在掘进设备100机身20上与三维扫描仪11对应的位置，如与三维扫描仪11相连且位于三维扫描仪11的下方。

在一种可能的实现方式中，如图5所示，所述装置还可以包括图像采集设备16，用于对所述掘进设备100当前所处空间进行拍摄，得到所述空间的图像数据。所述处理模块14，还用于根据所述图像数据控制所述掘进设备100清除所述当前所处空间中需要清除的障碍物。其中，可以设置一个或多个图像采集设备16，各图像采集设备16可以分别设置在掘进设备100的机身20上的不同于三维扫描仪11、惯性导航仪12的任意能够对掘进设备100当前所处空间进行拍摄的位置，本公开对图像采集设备16的设置个数和设置位置均不作限制。例如，如图2所示，可以设置4个图像采集设备16，分别设置在掘进设备100的机身20的左前方、右前方、左后方、右后方，以方便采集掘进设备100左前方、右前方、左后方、右后方的空间中的图像数据。

通过根据图像采集设备采集的掘进设备当前所处空间的图像数据，可以确定掘进设备当前所处空间中是否存在需要清除的障碍物，并在确定掘进设备当前所处空间中存在需要清除的障碍物的情况下，控制掘进设备清除需要清除的障碍物。

在一种可能的实现方式中，如图3所示，所述截割头10还可以通过截割臂30设置在所述掘进设备100(也即，掘进设备100可以包括截割头10、截割臂30和机身20)上，所述装置还可以包括：角度传感器(图中未示出)，用于对所述截割臂30进行检测，得到所述截割臂30的姿态数据。所述根据所述掘进设备100的参数、所述掘进设备100的位置数据和姿态数据、所述截割头10的位置数据和姿态数据在所述参考系中建立针对所述掘进设备100的第一模型，可以包括：根据所述掘进设备100的参数、所述掘进设备100的位置数据和姿态数据、所述截割头10的位置数据和姿态数据、所述截割臂30的姿态数据在所述参考系中建立所述掘进设备100的第一模型。

其中，角度传感器可以设置在截割臂30上的任意能够对截割臂的姿态进行检测的位置，本公开对角度传感器的设置位置不作限制。由于截割头10可以通过截割臂30固定连接在掘进设备100的机身20上，因此，当截割头10通过截割臂30连接在掘进设备100的机身20上时，可以通过截割臂30的姿态数据、截割头10的位置数据和姿态数据确定截割头10相对于掘进设备100的位置和姿态。从而可以根据掘进设备100的参数、掘进设备100的位置数据和姿态数据、截割头10的位置数据和姿态数据、截割臂30的姿态数据，精确地在预设巷道模型所在的参考系中建立掘进设备100的第一模型。

在一种可能的实现方式中，该掘进控制装置还可以包括显示组件，该显示组件的显示内容可以包括点云数据、掘进设备100的位置数据和姿态数据、截割头10的位置数据和姿态数据、处理模块14的处理过程、需要对掘进设备100的位置和姿态进行调整的具体数值、需要对截割头10的位置和姿态进行调整的具体数值等，本公开对此不作限制。其中，显示组件包括液晶显示组件、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光半导体)显示组件、CRT(Cathode Ray Tube，阴极射线管)显示组件中的任意一种，本公开对此不作限制。

其中，可以基于Unity3D软件以数字孪生等形式在显示组件中进行显示内容的显示，本公开对此不作限制。例如，可以通过在显示预设巷道模型的Unity3D软件中加载点云数据，进行该点云数据以及实时巷道模型的建立过程的显示。还可以通过加载掘进设备100的参数、掘进设备100的位置数据和姿态数据、截割头10的位置数据和姿态数据，进行掘进设备100的参数、掘进设备100的位置数据和姿态数据、截割头10的位置数据和姿态数据以及针对掘进设备100的第一模型的建立过程的显示。

在一种可能的实现方式中，在处理模块14出现故障或误操作的情况下，还可以进行人为介入控制。例如，掘进工作人员可以直接根据显示组件的显示内容对掘进设备100与当前掘进巷道之间的相对位置和/或截割头10与当前掘进巷道的断面a之间的相对位置进行调整。

通过设置显示组件，可以实现掘进控制装置的控制过程的可视化，在同一参考系中观测预设巷道模型、实时巷道模型、第一模型之间的相对位置，以及需要对掘进设备的位置和姿态、截割头的位置和姿态进行调整的具体数值，方便对掘进设备的位置和姿态、截割头的位置和姿态进行调整。

本公开实施例还提供了一种掘进控制方法。图6示出根据本公开实施例的掘进控制方法的流程图。如图6所示，该方法包括以下步骤S11至步骤S14。

在步骤S11中，控制三维扫描仪对掘进设备当前的掘进巷道进行检测，得到当前掘进巷道的点云数据。

在步骤S12中，控制惯性导航仪对所述掘进设备进行检测，得到所述掘进设备的位置数据和姿态数据。

在步骤S13中，控制姿态仪对所述掘进设备的截割头进行检测，得到所述截割头的位置数据和姿态数据。

在步骤S14中，根据所述点云数据在预设巷道模型所在的参考系中建立实时巷道模型，以及根据掘进设备的参数、所述掘进设备的位置数据和姿态数据、所述截割头的位置数据和姿态数据在所述参考系中建立针对所述掘进设备的第一模型；以及根据所述预设巷道模型、所述实时巷道模型、所述第一模型，对所述掘进设备与所述当前掘进巷道之间的相对位置和/或所述截割头与所述当前掘进巷道的断面之间的相对位置进行调整。

其中，本公开对步骤S11、步骤S12、步骤S13的执行顺序不作限制，可以依次执行，也可以同时执行等。

根据本公开实施例的掘进控制方法，通过将掘进设备当前的掘进巷道、掘进设备的位置和姿态、以及截割头的位置和姿态数字化，可以自动化地、精确地控制掘进设备的位置和姿态、以及截割头的位置和姿态，人为操作少，在提高掘进工作的准确性和一致性的同时，还可以提高掘进工作人员的安全性。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述预设巷道模型、所述实时巷道模型、所述第一模型，对所述掘进设备与所述当前掘进巷道之间的相对位置和/或所述截割头与所述当前掘进巷道的断面之间的相对位置进行调整，包括以下至少一项调整操作：

在确定所述第一模型的中心线与所述预设巷道模型的中心线之间存在夹角的情况下，根据所述夹角调整所述掘进设备的姿态；

在确定根据所述实时巷道模型和所述第一模型确定出的所述掘进设备与所述当前掘进巷道的断面之间的第一距离与对应的第一预设距离不一致的情况下，调整所述掘进设备与所述当前掘进巷道之间的相对位置；

在确定根据所述实时巷道模型和所述第一模型确定出的所述掘进设备与所述当前掘进巷道的两侧的第二距离与对应的第二预设距离不一致的情况下，调整所述掘进设备与所述当前掘进巷道之间的相对位置；

在确定根据所述实时巷道模型确定出的所述当前掘进巷道的断面的形状与对应的预设巷道断面的形状不匹配的情况下，调整所述截割头的姿态；

在确定根据所述实时巷道模型和所述第一模型确定出的所述截割头与所述当前掘进巷道的断面之间的第三距离与对应的第三预设距离不一致的情况下，调整所述截割头与所述当前掘进巷道的断面之间的相对位置。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：控制指北仪对所述三维扫描仪进行检测，得到所述三维扫描仪的方位数据。其中，所述根据所述点云数据在预设巷道模型所在的参考系中建立实时巷道模型，包括：根据所述点云数据和所述方位数据，在预设巷道模型所在的参考系中建立所述实时巷道模型。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：控制三维扫描仪根据预设间隔时间向所述惯性导航仪发送所述点云数据；以及控制惯性导航仪在接收到所述点云数据的情况下，根据所述点云数据进行自动校准。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：控制图像采集设备对所述掘进设备当前所处空间进行拍摄，得到所述空间的图像数据；以及根据所述图像数据控制所述掘进设备清除所述当前所处空间中需要清除的障碍物。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：控制角度传感器对所述截割臂进行检测，得到所述截割臂的姿态数据。其中，所述根据所述掘进设备的参数、所述掘进设备的位置数据和姿态数据、所述截割头的位置数据和姿态数据在所述参考系中建立针对所述掘进设备的第一模型，包括：根据所述掘进设备的参数、所述掘进设备的位置数据和姿态数据、所述截割头的位置数据和姿态数据、所述截割臂的姿态数据在所述参考系中建立所述掘进设备的第一模型。

本公开实施例还提供了一种掘进设备，包括：

机身，

截割头，设置于所述机身上；

上述掘进控制装置。

本公开实施例还提供了一种掘进控制装置，包括：

处理器；

用于存储处理器可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为：执行所述掘进控制方法。

本公开实施例还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述掘进控制方法。

图7示出了根据本公开实施例的一种用于实现上述掘进控制方法的装置800的框图。例如，装置800可以是计算机，平板设备等。

参照图7，装置800可以包括以下一个或多个组件：处理组件802，存储器804，电源组件806，多媒体组件808，音频组件810，输入/输出(I/O)的接口812，传感器组件814，以及通信组件816。

处理组件802通常控制装置800的整体操作，诸如与显示，电话呼叫，数据通信，相机操作和记录操作相关联的操作。处理组件802可以包括一个或多个处理器820来执行指令，以完成上述的方法的全部或部分步骤。此外，处理组件802可以包括一个或多个模块，便于处理组件802和其他组件之间的交互。例如，处理组件802可以包括多媒体模块，以方便多媒体组件808和处理组件802之间的交互。

存储器804被配置为存储各种类型的数据以支持在装置800的操作。这些数据的示例包括用于在装置800上操作的任何应用程序或方法的指令，联系人数据，电话簿数据，消息，图片，视频等。存储器804可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

电源组件806为装置800的各种组件提供电力。电源组件806可以包括电源管理系统，一个或多个电源，及其他与为装置800生成、管理和分配电力相关联的组件。

多媒体组件808包括在所述装置800和用户之间的提供一个输出接口的屏幕。在一些实施例中，屏幕可以包括液晶显示器(LCD)和触摸面板(TP)。如果屏幕包括触摸面板，屏幕可以被实现为触摸屏，以接收来自用户的输入信号。触摸面板包括一个或多个触摸传感器以感测触摸、滑动和触摸面板上的手势。所述触摸传感器可以不仅感测触摸或滑动动作的边界，而且还检测与所述触摸或滑动操作相关的持续时间和压力。在一些实施例中，多媒体组件808包括一个前置摄像头和/或后置摄像头。当装置800处于操作模式，如拍摄模式或视频模式时，前置摄像头和/或后置摄像头可以接收外部的多媒体数据。每个前置摄像头和后置摄像头可以是一个固定的光学透镜系统或具有焦距和光学变焦能力。

音频组件810被配置为输出和/或输入音频信号。例如，音频组件810包括一个麦克风(MIC)，当装置800处于操作模式，如呼叫模式、记录模式和语音识别模式时，麦克风被配置为接收外部音频信号。所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器804或经由通信组件816发送。在一些实施例中，音频组件810还包括一个扬声器，用于输出音频信号。

I/O接口812为处理组件802和外围接口模块之间提供接口，上述外围接口模块可以是键盘，点击轮，按钮等。这些按钮可包括但不限于：主页按钮、音量按钮、启动按钮和锁定按钮。

传感器组件814包括一个或多个传感器，用于为装置800提供各个方面的状态评估。例如，传感器组件814可以检测到装置800的打开/关闭状态，组件的相对定位，例如所述组件为装置800的显示器和小键盘，传感器组件814还可以检测装置800或装置800一个组件的位置改变，用户与装置800接触的存在或不存在，装置800方位或加速/减速和装置800的温度变化。传感器组件814可以包括接近传感器，被配置用来在没有任何的物理接触时检测附近物体的存在。传感器组件814还可以包括光传感器，如CMOS或CCD图像传感器，用于在成像应用中使用。在一些实施例中，该传感器组件814还可以包括加速度传感器，陀螺仪传感器，磁传感器，压力传感器或温度传感器。

通信组件816被配置为便于装置800和其他设备之间有线或无线方式的通信。装置800可以接入基于通信标准的无线网络，如WiFi，2G或3G，或它们的组合。在一个示例性实施例中，通信组件816经由广播信道接收来自外部广播管理系统的广播信号或广播相关信息。在一个示例性实施例中，所述通信组件816还包括近场通信(NFC)模块，以促进短程通信。例如，在NFC模块可基于射频识别(RFID)技术，红外数据协会(IrDA)技术，超宽带(UWB)技术，蓝牙(BT)技术和其他技术来实现。

在示例性实施例中，装置800可以被一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述方法。

在示例性实施例中，还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，例如包括计算机程序指令的存储器804，上述计算机程序指令可由装置800的处理器820执行以完成上述方法。

图8示出了根据本公开实施例的一种用于实现上述掘进控制方法的装置1900的框图。例如，装置1900可以被提供为一服务器。参照图8，装置1900包括处理组件1922，其进一步包括一个或多个处理器，以及由存储器1932所代表的存储器资源，用于存储可由处理组件1922的执行的指令，例如应用程序。存储器1932中存储的应用程序可以包括一个或一个以上的每一个对应于一组指令的模块。此外，处理组件1922被配置为执行指令，以执行上述方法。

装置1900还可以包括一个电源组件1926被配置为执行装置1900的电源管理，一个有线或无线网络接口1950被配置为将装置1900连接到网络，和一个输入输出(I/O)接口1958。装置1900可以操作基于存储在存储器1932的操作系统，例如Windows ServerTM，MacOS XTM，UnixTM,LinuxTM，FreeBSDTM或类似。

在示例性实施例中，还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，例如包括计算机程序指令的存储器1932，上述计算机程序指令可由装置1900的处理组件1922执行以完成上述方法。

本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。

这里参照根据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种掘进控制装置，其特征在于，包括：

三维扫描仪，用于对掘进设备当前的掘进巷道进行检测，得到当前掘进巷道的点云数据；

惯性导航仪，用于对所述掘进设备进行检测，得到所述掘进设备的位置数据和姿态数据；

姿态仪，用于对所述掘进设备的截割头进行检测，得到所述截割头的位置数据和姿态数据；

处理模块，用于根据所述点云数据在预设巷道模型所在的参考系中建立实时巷道模型，以及根据所述掘进设备的参数、所述掘进设备的位置数据和姿态数据、所述截割头的位置数据和姿态数据在所述参考系中建立针对所述掘进设备的第一模型；以及

根据所述预设巷道模型、所述实时巷道模型、所述第一模型，对所述掘进设备与所述当前掘进巷道之间的相对位置和/或所述截割头与所述当前掘进巷道的断面之间的相对位置进行调整。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述根据所述预设巷道模型、所述实时巷道模型、所述第一模型，对所述掘进设备与所述当前掘进巷道之间的相对位置和/或所述截割头与所述当前掘进巷道的断面之间的相对位置进行调整，包括以下至少一项调整操作：

在确定所述第一模型的中心线与所述预设巷道模型的中心线之间存在夹角的情况下，根据所述夹角调整所述掘进设备的姿态；

在确定根据所述实时巷道模型和所述第一模型确定出的所述掘进设备与所述当前掘进巷道的断面之间的第一距离与对应的第一预设距离不一致的情况下，调整所述掘进设备与所述当前掘进巷道之间的相对位置；

在确定根据所述实时巷道模型和所述第一模型确定出的所述掘进设备与所述当前掘进巷道的两侧的第二距离与对应的第二预设距离不一致的情况下，调整所述掘进设备与所述当前掘进巷道之间的相对位置；

在确定根据所述实时巷道模型确定出的所述当前掘进巷道的断面的形状与对应的预设巷道断面的形状不匹配的情况下，调整所述截割头的姿态；

在确定根据所述实时巷道模型和所述第一模型确定出的所述截割头与所述当前掘进巷道的断面之间的第三距离与对应的第三预设距离不一致的情况下，调整所述截割头与所述当前掘进巷道的断面之间的相对位置。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

指北仪，用于对所述三维扫描仪进行检测，得到所述三维扫描仪的方位数据；

所述根据所述点云数据在预设巷道模型所在的参考系中建立实时巷道模型，包括：根据所述点云数据和所述方位数据，在预设巷道模型所在的参考系中建立所述实时巷道模型。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述三维扫描仪，还用于根据预设间隔时间向所述惯性导航仪发送所述点云数据；

所述惯性导航仪，还用于在接收到所述点云数据的情况下，根据所述点云数据进行自动校准。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

图像采集设备，用于对所述掘进设备当前所处空间进行拍摄，得到所述空间的图像数据；

所述处理模块，还用于根据所述图像数据控制所述掘进设备清除所述当前所处空间中需要清除的障碍物。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述截割头通过截割臂设置在所述掘进设备上，所述装置还包括：

角度传感器，用于对所述截割臂进行检测，得到所述截割臂的姿态数据；

所述根据所述掘进设备的参数、所述掘进设备的位置数据和姿态数据、所述截割头的位置数据和姿态数据在所述参考系中建立针对所述掘进设备的第一模型，包括：

根据所述掘进设备的参数、所述掘进设备的位置数据和姿态数据、所述截割头的位置数据和姿态数据、所述截割臂的姿态数据在所述参考系中建立所述掘进设备的第一模型。

7.一种掘进控制方法，其特征在于，包括：

控制三维扫描仪对掘进设备当前的掘进巷道进行检测，得到当前掘进巷道的点云数据；

控制惯性导航仪对所述掘进设备进行检测，得到所述掘进设备的位置数据和姿态数据；

控制姿态仪对所述掘进设备的截割头进行检测，得到所述截割头的位置数据和姿态数据；

根据所述点云数据在预设巷道模型所在的参考系中建立实时巷道模型，以及根据掘进设备的参数、所述掘进设备的位置数据和姿态数据、所述截割头的位置数据和姿态数据在所述参考系中建立针对所述掘进设备的第一模型；以及

根据所述预设巷道模型、所述实时巷道模型、所述第一模型，对所述掘进设备与所述当前掘进巷道之间的相对位置和/或所述截割头与所述当前掘进巷道的断面之间的相对位置进行调整。

8.一种掘进设备，其特征在于，包括：

机身，

截割头，设置于所述机身上；

如权利要求1至6中任意一项所述的掘进控制装置。

9.一种掘进控制装置，其特征在于，包括：

处理器；

用于存储处理器可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为：执行所述权利要求7所述的掘进控制方法。

10.一种非易失性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求7所述的掘进控制方法。

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