CN115655255A - 一种掘进机行进与截割的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掘进机行进与截割的控制系统及控制方法，涉及机械自动化技术领域，四个第一超声波距离传感器分别安置在掘进机机身的两侧，并根据四个第一超声波距离传感器测得的数据判断掘进机的航向角，里程计和双轴倾角传感器安置在掘进机机身上端，多源激光发射器和摄像头分别安置在掘进机机体上方，进而可以自动完成掘进机机身的位姿检测和定位工作、截割头的位姿检测和截割头截割轨迹规划工作，解决了传统指向激光常出现的超挖、欠挖且无法保证工作人员人身安全的问题和现有位姿检测和定位技术手段需要不断人工调整相关设备或易受环境影响的问题。

Description

一种掘进机行进与截割的控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及机械自动化技术领域，尤其涉及一种掘进机行进与截割的控制系统及控制方法。

背景技术

随着机械自动化行业的发展，自动化技术应用领域越来越广。为了满足近年来提出的增加煤炭产量，减少工人数量的要求，自动化技术愈来愈多的应用在煤矿机械上。掘进工作面尚未安置永久支护，严重威胁到工作人员的生命安全，掘进机作为井下的主要掘进设备，实现其自动化可以提高掘进工作效率，减少工作人员数量，而且对保证施工安全具有重要意义。

现在，掘进作业时主要采用指向激光对掘进机进行导航，掘进质量完全由现场环境和操作工人的熟练程度决定。而且，在掘进过程中，需要不断的人工调整指向激光的位置，工作效率底下。现在提出的一些技术手段，例如十字激光、图像识别等都由于需要不断挪动装置位置或者受环境影响，均不能理想的工作效果。

发明内容

本发明提供一种掘进机行进与截割的控制系统及控制方法，旨在实现自动完成掘进机的位姿检测和定位，并自动控制截割头部分连续完成岩壁的截割工作。

本发明提供的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供的一种掘进机行进与截割的控制系统包括第一超声波距离传感器、里程计、多源激光发射器、双轴倾角传感器、处理器、摄像头、第二超声波距离传感器和截割头驱动液压，其中，四个第一超声波距离传感器分别安置在掘进机机身的两侧，并根据四个第一超声波距离传感器测得的数据判断掘进机的航向角，里程计和双轴倾角传感器安置在掘进机机身上端，多源激光发射器和摄像头分别安置在掘进机机体上方。

可选的，截割头驱动液压上安装有磁致伸缩距离传感器，截割臂转轴上设置有角度传感器，磁致伸缩距离传感器和角度传感器相互配合实现截割头的位姿检测和定位。

可选的，第一超声波距离传感器、里程计、第二超声波距离传感器和双轴倾角传感器相互配合实现掘进机的位姿检测和定位。

可选的，两个第二超声波距离传感器安装在掘进机机身设备箱左右两侧，第二超声波距离传感器面向待截割岩壁安装，第二超声波距离传感器用于测量掘进机与待掘进岩壁之间的距离和角度。

可选的，四个第一超声波距离传感器分别安装在掘进机机身两侧的前后端，四个第一超声波距离传感器的测量参数用于计算掘进机的航向角。

可选的，双轴倾角传感器用于掘进机的俯仰角和翻滚角，多源激光发射器上设置有第一倾角传感器和第二倾角传感器。

第二方面，本发明还提供一种掘进机行进与截割的控制方法，所述控制方法采用如所述权利要求第一方面所述的掘进机行进与截割的控制系统，所述控制方法包括：

在截割头对岩壁进行掘进作业时，由安置在掘进机截割头驱动液压缸中的六个磁致伸缩传感器和安置在截割臂转轴度上的角度传感器实时获取掘进机截割头的位姿信息，实现对截割过程的监控；

截割头走过本次规划的所有轨迹后，掘进机更换位置，通过两个第二超声波测距传感器继续测量掘进机与岩壁之间的距离和角度，结合掘进机的位姿信息继续对截割头进行轨迹规划；

当截割头走完所规划的全部轨迹后，由摄像头识别岩壁是否清楚干净，若没有清除干净，则规划轨迹后继续清除剩余部分；

当前截割工作完成后，掘进机继续移动，根据其位姿、机身到墙壁的距离和激光落点继续规划截割头轨迹，重复截割工作；

多源激光器在倾角传感器的辅助下自动补偿掘进机俯仰角和翻滚角的变化，使激光依然以原角度出射，进而掘进机根据指令自动掘进弯道。

可选的，所述当前截割工作完成后，掘进机继续移动，根据其位姿、机身到墙壁的距离和激光落点继续规划截割头轨迹，具体包括：

当前截割工作完成后，掘进机继续移动，根据掘进的位姿参数调整激光发射器的俯仰角和翻滚角，使发射器位姿自适应掘进机位姿；

当需要水平掘进巷道时，按1：1补偿掘进机俯仰角，当需要掘进斜坡时，改变补偿系数；

激光发射器仅改变俯仰角和翻滚角，当控制掘进机改变航向角时，激光跟随一起运动，以相同的形状照射在不同角度的岩壁上；

根据掘进机到岩壁的距离和与岩壁之间的夹角和利用图像识别技术得到的激光落点的具体位置继续规划截割头轨迹。

本发明提供的一种掘进机行进与截割的控制系统及控制方法，四个第一超声波距离传感器分别安置在掘进机机身的两侧，并根据四个第一超声波距离传感器测得的数据判断掘进机的航向角，里程计和双轴倾角传感器安置在掘进机机身上端，多源激光发射器和摄像头分别安置在掘进机机体上方，进而可以自动完成掘进机机身的位姿检测和定位工作、截割头的位姿检测和截割头截割轨迹规划工作，解决了传统指向激光常出现的超挖、欠挖且无法保证工作人员人身安全的问题和现有位姿检测和定位技术手段需要不断人工调整相关设备或易受环境影响的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例的一种掘进机行进与截割的控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种掘进机行进与截割的控制系统安装位置示意图；

图3本发明实施例的一种多源激光发射器的激光落点示意图；

图4为本发明实施例的一种多源激光发射器的结构示意图；

图5为本发明实施例的一种掘进机行进与截割的控制方法的流程示意图；

图6为本发明实施例的一种掘进机行进与截割的控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合图1～图6对本发明实施例的一种掘进机行进与截割的控制系统及控制方法进行详细的说明。

为了解决传统指向激光常出现的超挖、欠挖且无法保证工作人员人身安全的问题和现有的部分技术手段需要不断人工调整相关设备或易受环境影响的问题，本发明提出了一种掘进机行进与截割的控制系统及控制方法，主要用于自动完成掘进机机身的位姿检测和定位工作、截割头的位姿检测和截割头截割轨迹规划工作。

参考图1～图6所示，本发明实施例提供的一种掘进机行进与截割的控制系统包括第一超声波距离传感器1、里程计2、多源激光发射器3、双轴倾角传感器4、处理器5、摄像头6、第二超声波距离传感器8和截割头驱动液压9，其中，四个第一超声波距离传感器1分别安置在掘进机机身的两侧，并根据四个第一超声波距离传感器1测得的数据判断掘进机的航向角，里程计2和双轴倾角传感器4安置在掘进机机身上端，多源激光发射器3和摄像头6分别安置在掘进机机体上方。

参考图1～图6所示，一号第一超声波距离传感器101、二号第一超声波距离传感器102、三号第一超声波距离传感器103、四号第一超声波距离传感器104分别安装在掘进机机身的两侧的四个边角处，利用四个第一超声波距离传感器1测得的距离结合掘进机机身参数计算掘进机的航向角，根据测得航向角的数据，控制液压阀控制履带对掘进机航向角进行修正。

参考图1～图6所示，考虑到巷道中岩石并不平整，为了完成掘进机机身检测和定位、截割头的位姿检测和轨迹规划、多源激光自适应掘进机位姿三个工作，本发明实施例的掘进机行进与截割的控制系统使用了六个超声波距离传感器、一个双轴倾角传感器、一个里程计、一个角度传感器、两个倾角传感器和六个磁致伸缩传感器。

参考图1～图6所示，截割头驱动液压9上安装有磁致伸缩距离传感器，截割臂转轴上设置有角度传感器7，磁致伸缩距离传感器和角度传感器7相互配合实现截割头的位姿检测和定位。第一超声波距离传感器1、里程计2、第二超声波距离传感器8和双轴倾角传感器4相互配合实现掘进机的位姿检测和定位。一号第二超声波距离传感器801和二号第二超声波距离传感器802分别安装在掘进机机身设备箱左右两侧，第二超声波距离传感器8面向待截割岩壁安装，第二超声波距离传感器8用于测量掘进机与待掘进岩壁之间的距离和角度。两个第二超声波距离传感器8安置在掘进机机身设备箱左右两侧，测距部分面向待截割岩壁，用于测量掘进机与待掘进岩壁之间的距离和角度。根据掘进机到岩壁的距离和与岩壁之间的夹角和图像识别技术得到的激光落点的具体位置，便可进行截割头的轨迹规划。

参考图1～图6所示，双轴倾角传感器4用于掘进机的俯仰角和翻滚角，多源激光发射器上设置有2个倾角传感器7，分别为第一倾角传感器和第二倾角传感器。利用双轴倾角传感器4测得掘进机的俯仰角和翻滚角，结合四个第一超声波距离传感器得到的航向角，进行掘进机机身的位姿检测和航向角修正工作。通过建立巷道坐标系，在已知掘进机各时刻位姿的基础上，利用里程计2测得掘进机在各位姿下行进的路程，便可以完成掘进机的定位工作。

参考图2所示，根据四个第一超声笔距离传感器测得的数据判断掘进机的航向角，并根据当时所需要的航向角，通过处理器控制电磁阀进而控制液压阀对航向角进行纠正；里程计2和双轴倾角传感器4安置在掘进机机身上端，分别获得掘进机走过的路程、掘进机的俯仰角和翻滚角，根据掘进机不同时刻的位姿和在此位姿下走过的路程，完成对掘进机的定位。

在掘进作业时，由安置在掘进机截割头驱动液压缸中的六个磁致伸缩传感器和安置在截割臂转轴度上的角度传感器实时获取掘进机截割头的位姿信息，实现对截割过程的监控。当截割头走完所规划的全部轨迹后，由摄像头识别岩壁是否清楚干净，若没有清除干净，则规划轨迹后继续清除剩余部分。岩壁清楚后，掘进机更换位置，根据其位姿、激光落点和掘进机与待掘进岩壁之间的距离、角度，进行截割头的轨迹规划，重复掘进工作。

进一步的，当岩层清理平整后，掘进机向前移动，根据移动后的掘进机位姿、掘进机机身到墙壁的距离和激光落点继续规划截割头轨迹，重复截割工作。由于多源激光器3不会因为掘进机的航向角而发生自身的位姿变化，当巷道转弯时，多源激光器3会在第一倾角传感器301和第二倾角传感器302的辅助下弥补掘进机俯仰角和翻滚角的变化，使激光依然以原角度出射，因此，掘进机可以根据指令自动掘进弯道。若需要掘进斜坡，仅需修改多源激光器3的俯仰角补偿系数即可。

本发明实施例的各类传感器由信号隔离栅相分隔开，通过数据总线将数据送至处理器5中进行处理。掘进机通过处理器5中的通讯模块与控制室进行交互，不断反馈掘进现场照片，工作人员根据掘进机的工作情况和巷道的成形情况及时调整下一步的操作。

多源激光发射器3、摄像头6分别安置在掘进机机体上方，根据所需要的巷道形状调整多源激光发射器3的出射角度，从而调整在岩壁上落点位置，效果如图3所示。摄像头6捕捉激光落点，结合由两个第二超声波距离传感器8测得的掘进机离岩壁的距离和夹角参数，通过图像识别技术得到激光落点的具体坐标，进而对截割头进行轨迹规划。

参考图5和图6所示，本发明实施例基于相同的发明构思，还提供一种掘进机行进与截割的控制方法，该控制方法适用于图1～图4所示的掘进机行进与截割的控制系统，该控制方法包括：

在截割头对岩壁进行掘进作业时，由安置在掘进机截割头驱动液压缸中的六个磁致伸缩传感器和安置在截割臂转轴度上的角度传感器实时获取掘进机截割头的位姿信息，实现对截割过程的监控；

截割头走过本次规划的所有轨迹后，掘进机更换位置，通过两个第二超声波测距传感器继续测量掘进机与岩壁之间的距离和角度，结合掘进机的位姿信息继续对截割头进行轨迹规划；

当截割头走完所规划的全部轨迹后，由摄像头识别岩壁是否清楚干净，若没有清除干净，则规划轨迹后继续清除剩余部分；

当前截割工作完成后，掘进机继续移动，根据其位姿、机身到墙壁的距离和激光落点继续规划截割头轨迹，重复截割工作；

多源激光器在倾角传感器的辅助下自动补偿掘进机俯仰角和翻滚角的变化，使激光依然以原角度出射，进而掘进机根据指令自动掘进弯道。

进一步的，当前截割工作完成后，掘进机继续移动，根据其位姿、机身到墙壁的距离和激光落点继续规划截割头轨迹，具体包括：

当前截割工作完成后，掘进机继续移动，根据掘进的位姿参数调整激光发射器的俯仰角和翻滚角，使发射器位姿自适应掘进机位姿；

当需要水平掘进巷道时，按1：1补偿掘进机俯仰角，当需要掘进斜坡时，改变补偿系数；

激光发射器仅改变俯仰角和翻滚角，当控制掘进机改变航向角时，激光跟随一起运动，以相同的形状照射在不同角度的岩壁上；

根据掘进机到岩壁的距离和与岩壁之间的夹角和利用图像识别技术得到的激光落点的具体位置继续规划截割头轨迹。

本发明提供的一种掘进机行进与截割的控制系统及控制方法，四个第一超声波距离传感器分别安置在掘进机机身的两侧，并根据四个第一超声波距离传感器测得的数据判断掘进机的航向角，里程计和双轴倾角传感器安置在掘进机机身上端，多源激光发射器和摄像头分别安置在掘进机机体上方，进而可以自动完成掘进机机身的位姿检测和定位工作、截割头的位姿检测和截割头截割轨迹规划工作，解决了传统指向激光常出现的超挖、欠挖且无法保证工作人员人身安全的问题和现有位姿检测和定位技术手段需要不断人工调整相关设备或易受环境影响的问题。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例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。

Claims (8)

1.一种掘进机行进与截割的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括第一超声波距离传感器、里程计、多源激光发射器、双轴倾角传感器、处理器、摄像头、第二超声波距离传感器和截割头驱动液压，其中，四个第一超声波距离传感器分别安置在掘进机机身的两侧，并根据四个第一超声波距离传感器测得的数据判断掘进机的航向角，里程计和双轴倾角传感器安置在掘进机机身上端，多源激光发射器和摄像头分别安置在掘进机机体上方。

2.根据权利要求1所述的掘进机行进与截割的控制系统，其特征在于，截割头驱动液压上安装有磁致伸缩距离传感器，截割臂转轴上设置有角度传感器，磁致伸缩距离传感器和角度传感器相互配合实现截割头的位姿检测和定位。

3.根据权利要求1所述的掘进机行进与截割的控制系统，其特征在于，第一超声波距离传感器、里程计、第二超声波距离传感器和双轴倾角传感器相互配合实现掘进机的位姿检测和定位。

4.根据权利要求1所述的掘进机行进与截割的控制系统，其特征在于，两个第二超声波距离传感器安装在掘进机机身设备箱左右两侧，第二超声波距离传感器面向待截割岩壁安装，第二超声波距离传感器用于测量掘进机与待掘进岩壁之间的距离和角度。

5.根据权利要求1或4所述的掘进机行进与截割的控制系统，其特征在于，四个第一超声波距离传感器分别安装在掘进机机身两侧的前后端，四个第一超声波距离传感器的测量参数用于计算掘进机的航向角。

6.根据权利要求5所述的掘进机行进与截割的控制系统，其特征在于，双轴倾角传感器用于掘进机的俯仰角和翻滚角，多源激光发射器上设置有第一倾角传感器和第二倾角传感器。

7.一种掘进机行进与截割的控制方法，其特征在于，所述控制方法采用如所述权利要求1～6任一项所述的掘进机行进与截割的控制系统，所述控制方法包括：

在截割头对岩壁进行掘进作业时，由安置在掘进机截割头驱动液压缸中的六个磁致伸缩传感器和安置在截割臂转轴度上的角度传感器实时获取掘进机截割头的位姿信息，实现对截割过程的监控；

截割头走过本次规划的所有轨迹后，掘进机更换位置，通过两个第二超声波测距传感器继续测量掘进机与岩壁之间的距离和角度，结合掘进机的位姿信息继续对截割头进行轨迹规划；

当截割头走完所规划的全部轨迹后，由摄像头识别岩壁是否清楚干净，若没有清除干净，则规划轨迹后继续清除剩余部分；

当前截割工作完成后，掘进机继续移动，根据其位姿、机身到墙壁的距离和激光落点继续规划截割头轨迹，重复截割工作；

多源激光器在倾角传感器的辅助下自动补偿掘进机俯仰角和翻滚角的变化，使激光依然以原角度出射，进而掘进机根据指令自动掘进弯道。

8.根据权利要求7所述的掘进机行进与截割的控制方法，其特征在于，所述当前截割工作完成后，掘进机继续移动，根据其位姿、机身到墙壁的距离和激光落点继续规划截割头轨迹，具体包括：

当前截割工作完成后，掘进机继续移动，根据掘进的位姿参数调整激光发射器的俯仰角和翻滚角，使发射器位姿自适应掘进机位姿；

当需要水平掘进巷道时，按1：1补偿掘进机俯仰角，当需要掘进斜坡时，改变补偿系数；

激光发射器仅改变俯仰角和翻滚角，当控制掘进机改变航向角时，激光跟随一起运动，以相同的形状照射在不同角度的岩壁上；

根据掘进机到岩壁的距离和与岩壁之间的夹角和利用图像识别技术得到的激光落点的具体位置继续规划截割头轨迹。

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