CN117780346B - 基于3d可视化模型的远程煤机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能煤机领域，涉及一种基于3D可视化模型的远程煤机控制方法；可以降低对传感器的依赖，实现远程对工作面或掘进面上的设备进行作业控制。技术方案包括：获取井下工作面或掘进面及其相邻两侧的巷道面的坐标，并建立对应巷道的3D模型。对将要对工作面或掘进面进行作业的煤机的行走执行件、动作执行机构的末端设置监测传感器，通过监测传感器获取行走执行件的移动距离以及动作执行机构的末端的运行角度及运行距离。根据煤机在工作面或掘进面处的初始位置，将煤机的中心点设置于巷道的3D模型内。根据煤机的结构、尺寸和初始状态，以及获取的监测传感器的信息，获取巷道的实时3D模型。根据巷道的实时3D模型，生成煤机下一个动作类型。

Description

基于3D可视化模型的远程煤机控制方法

技术领域

本发明属于智能煤机领域，涉及一种基于3D可视化模型的远程煤机控制方法。

背景技术

我国煤矿井下作业多采用采煤机、掘进机等进行作业；采煤机或掘进机等一般由现场工人进行操控实现采煤作业或掘进作业。

基于安全、环保以及高效节能的目的，我国提出了智能化矿山建设的目标。其中，采煤机或掘进机等前线设备无人值守、智能化作业是实现智能化矿山建设的关键之一。

在当前技术中，采煤机或掘进机等前线设备无人值守、智能化作业主要通过图像采集传感器以及激光雷达等传感器配合，以实现对前线设备的位置、动作以及当前作业环境的判断。但是，现场作业环境极其恶劣，传感器采集信号难以处理或采集的信号模糊不清，很大程度影响对前线设备生成下个动作的指令。

发明内容

为克服上述相关技术中的缺陷，本发明提供一种基于3D可视化模型的远程煤机控制方法，可以降低对传感器的依赖，实现远程对工作面或掘进面上的设备进行作业控制。

本发明的一些实施例提供一种基于3D可视化模型的远程煤机控制方法。

所述的基于3D可视化模型的远程煤机控制方法包括：获取井下工作面或掘进面及其相邻两侧的巷道面的坐标，并建立对应巷道的3D模型。对将要对工作面或掘进面进行作业的煤机的行走执行机构、动作执行机构设置监测传感器，通过所述监测传感器获取所述行走执行机构的移动距离以及动作执行机构的运行角度及运行距离。根据所述煤机在所述工作面或掘进面处的初始位置，将所述煤机的中心点设置于所述巷道的3D模型内。根据所述煤机的结构、尺寸和初始状态，以及获取的监测传感器的信息，判断所述煤机在所述3D模型内的位置和在所述工作面或掘进面上的工作进度。根据所述煤机在所述工作面或掘进面上的工作进度，获取所述巷道的实时3D模型。根据所述巷道的实时3D模型，生成所述煤机下一个动作。

优选地，所述获取井下工作面或掘进面及其相邻两侧的巷道面的坐标，并建立对应巷道的3D模型包括：在所述工作面或掘进面及其相邻两侧的巷道面上建立多个网格点。采用激光雷达或激光测距仪对所述工作面或掘进面及其相邻两侧的巷道面上的多个网格点进行坐标采集。对每个网格点的激光扫描角度、激光扫描位置和INS信息进行数据处理后，获取对应的网格点在坐标系中的坐标参数。根据多个网格点的坐标参数生成巷道的3D模型。

优选地，所述煤机的行走执行机构包括行走动力件，所述行走动力件的输出轴上设置有监测传感器，所述监测传感器为第一编码器，所述第一编码器与所述煤机的控制中心电气连接，所述第一编码器用于采集所述行走动力件的输出轴转动角度，以计算所述煤机的行走距离。

优选地，所述动作执行机构包括：动作动力件和动作执行机构的末端，所述动作动力件的输出端与动作执行机构的末端连接；安装于所述动作执行机构的末端的监测传感器包括行程传感器，所述行程传感器用于采集所述动作执行机构的末端、所述动作动力件的外壳之间的相对位移距离。

或者，安装于所述动作执行机构的末端的监测传感器包括第三编码器，所述第三编码器与所述煤机的控制中心电气连接，所述第三编码器用于采集所述动作执行机构的末端的转动角度，以计算所述动作执行机构的末端的运行角度。

优选地，根据所述煤机的结构、尺寸和初始状态，以及获取的监测传感器的信息，判断所述煤机在所述3D模型内的位置和在所述工作面或掘进面上的工作进度的方法包括：建立所述动作执行机构的末端在3D模型中的运行轨迹。根据所述动作执行机构的末端在3D模型中的位置及运行轨迹，以及所述巷道的3D模型中工作面或掘进面的位置，建立所述3D模型内的工作面或掘进面的工作进度。

优选地，所述建立所述3D模型内的工作面或掘进面的工作进度的方法包括：根据所述动作执行机构的末端在3D模型中的运行轨迹，判断所述动作执行机构的末端的运行轨迹与巷道的3D模型中工作面或掘进面是否存在重叠。若所述动作执行机构的末端的运行轨迹与巷道的3D模型存在重叠，则所述煤机对所述工作面或掘进面进行作业。若所述动作执行机构的末端的运行轨迹与巷道的3D模型中工作面或掘进面不存在重叠，则所述煤机未对所述工作面或掘进面进行作业。

优选地，根据所述煤机在所述工作面或掘进面上的工作进度，获取所述巷道的实时3D模型的方法包括：当所述煤机对所述工作面或掘进面进行作业时，获取所述动作执行机构的末端与巷道的3D模型重叠区域，并在巷道的3D模型的基础上，建立去除所述重叠区域后的巷道的3D模型为实时3D模型。

本发明的有益效果在于：

本发明采用监测传感器，可以获取煤机对应的运行轨迹，将煤机的运行轨迹对应的在3D模型建立运行轨迹模型，建立煤机在3D模型内的作业模型，并根据模型来设计煤机的下个动作，可以降低对图像采集传感器或激光雷达传感器的依赖，提高煤机的反应速度和运行效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术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它的附图。

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的步骤S1的流程图；

图3为本发明的步骤S4的流程图；

图4为本发明的步骤S42中建立3D模型内的工作面或掘进面的工作进度的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本发明的一些实施例提供一种基于3D可视化模型的远程煤机控制方法。所述的基于3D可视化模型的远程煤机控制方法包括：

S1、获取井下工作面或掘进面及其相邻两侧的巷道面的坐标，并建立对应巷道的3D模型。

S2、对将要对工作面或掘进面进行作业的煤机的行走执行机构、动作执行机构设置监测传感器，通过所述监测传感器获取行走执行机构的移动距离以及动作执行机构的运行角度及运行距离。

S3、根据所述煤机在所述工作面或掘进面处的初始位置，将所述煤机的中心点设置于所述巷道的3D模型内。

S4、根据所述煤机的结构、尺寸和初始状态，以及获取的监测传感器的信息，判断所述煤机在所述3D模型内的位置和在所述工作面或掘进面上的工作进度。

S5、根据所述煤机在所述工作面或掘进面上的工作进度，获取所述巷道的实时3D模型。

S6、根据所述巷道的实时3D模型，生成所述煤机下一个动作。

在一些示例中，可以通过激光雷达或激光测距仪等设备对井下工作面或掘进面以及巷道面进行测量。一种可行的方法是：以激光雷达或激光测距仪等采集设备所在位置为原点并建立第一空间直角坐标系，对激光雷达或激光测距仪等设备周边的工作面或掘进面或巷道面上多个点进行测距，并计算获取对应点的坐标参数，根据坐标参数和GIS技术建立巷道的3D模型。

对将要在工作面或掘进面作业的煤机进行远程监控，通过传感器采集煤机的行走执行机构以及动作执行机构的动作以及运行距离，可以获知煤机的运行和作业过程。

将煤机的运行和作业过程中，行走执行机构的运行方向和运行距离，以及动作执行机构的末端的动作和运行距离，与巷道的3D模型配合计算，可以获知煤机对工作面或掘进面的作业状态，并以此为依据，生成煤机下一次的作业动作。

当前技术中，一般采用摄像头采集井下作业后工作面或掘进面的状态，并以工作面或掘进面的状态为参考生成煤机下一步的运行动作。本申请与当前技术中所述的方式相比较，具有采集数据准确，干扰较少以及数据处理较少的优点，可以提高煤机的反应速度以及作业准确度。

如图2所示，在一些实施例中，所述获取井下工作面或掘进面及其相邻两侧的巷道面的坐标，并建立对应巷道的3D模型包括：

S11、在所述工作面或掘进面及其相邻两侧的巷道面上建立多个网格点。

S12、采用激光雷达或激光测距仪对所述工作面或掘进面及其相邻两侧的巷道面上的多个网格点进行坐标采集。

S13、对每个网格点的激光扫描角度、激光扫描位置和INS（InformationNetworkSystem，信息网络系统）信息进行数据处理后，获取对应的网格点在坐标系中的坐标参数。

S14、根据多个网格点的坐标参数生成巷道的3D模型。

在一些示例中，建立包含工作面或掘进面的巷道3D模型时，可以采用激光雷达完成。例如，在对应的巷道的工作面或掘进面以及巷道侧面上建立多个网格点，网格点是在工作面或掘进面以及巷道侧面建立的虚拟点。示例性地，在工作面上可以建立网格点，网格点可以是：与工作面基本平行的竖直面上的网格的交点，正投影至工作面上的虚拟点。根据3D模型要求可以调整网格密度，即调整网格中相邻两条网格线的间距，例如，网格中相邻两条网格线的间距可以是1mm或5mm或10mm。

激光雷达对每个网格点进行测距，以激光雷达所在位置建立第一空间直角坐标系，并根据激光扫描角度、激光雷达在第一空间直角坐标系中的位置以及测距数值，可以计算每个网格点在第一空间直角坐标系中的坐标参数。

获取的坐标参数传输至GIS软件中，GIS软件例如可以为MapGIS。根据各网格点的坐标参数生成对应巷道的3D模型。

在一些实施例中，所述煤机的行走执行机构包括行走动力件，所述行走动力件的输出轴上设置有监测传感器，所述监测传感器为第一编码器，所述第一编码器与所述煤机的控制中心电气连接，所述第一编码器用于采集所述行走动力件的输出轴转动角度，以计算所述煤机的行走距离。

在一些示例中，通过采集煤机的行走执行机构的运行信息，可以获知煤机在井下的运行方向和运行距离，示例性地，行走执行机构可以包括履带式行走装置或轮胎式行走机构。

其中，履带式行走装置包括驱动轮和导向轮，在与驱动轮连接的动力轴上设置有第一编码器，通过第一编码器可以获取履带式行走装置的运行距离，在与导向轮连接的动力轴上设置有第二编码器，通过第二编码器可以获取履带式行走装置的运行方向，具体地，获取两个导向轮的转动速度之差，并以此分析履带式行走装置的运行方向；也就是说，通过分析第一编码器和第二编码器获取的数据，以及煤机的初始位置，可以分析煤机在井下的位置。

或者，轮胎式行走机构的动力输出轴上设置有第一编码器，轮胎式行走机构的转向轴上设置有第二编码器，通过第一编码器可以获取轮胎式行走机构的运行距离，第二编码器可以获取车轮的转向；也就是说，通过分析第一编码器和第二编码器获取的数据，以及煤机的初始位置，可以分析煤机在井下的位置。

在本申请中，煤机可以是掘进机或采煤机，均可以采用上述履带式行走装置或轮胎式行走机构。当然对于采煤机而言，行走执行件还可以包括轨道、牵引部，通过在牵引部的输出轴上设置第一编码器，可以获取采煤机的运行距离和运行后的位置。

在一些实施例中，所述动作执行机构包括：动作动力件和动作执行机构的末端，所述动作动力件的输出端与动作执行机构的末端连接。安装于所述动作执行机构的末端的监测传感器包括行程传感器，所述行程传感器用于采集所述动作执行机构的末端、所述动作动力件的外壳之间的相对位移距离。

或者，安装于所述动作执行机构的末端的监测传感器包括第二编码器，所述第二编码器与所述煤机的控制中心电气连接，所述第二编码器用于采集所述动作执行机构的末端的转动角度，以计算所述动作执行机构的末端的运行角度。

在一些示例中，煤机例如可以是掘进机，掘进机的动作执行机构可以包括装运部分和截割部分，其中，装运部分可以包括铲板部和运输部，铲板部用于将巷道地面的渣土收集至运输部上，运输部将渣土运输至掘进位置后方，铲板部的动力输出件可以是铲板电机，运输部的动力输出件可以是运输电机。

截割部分可以包括：截割电机、截割头升降油缸和截割头回转油缸，截割头升降油缸可以控制截割头在上下范围内摆动，截割头回转油缸可以控制截割头在左右范围内摆动，截割电机用于驱动截割头回转。

在本申请中，为实现对掘进机的各个动作精确采集，可以在铲板电机、运输电机以及截割电机的输出轴上各安装第三编码器，第三编码器用于采集回转型输出轴的转动角度，并以此计算输出轴对应的动作执行机构的末端动作。在与截割头升降油缸或截割头回转油缸连接的动作执行机构的末端安装行程传感器，用于采集对应的动作执行机构的末端在其特定的运行路径上的运行距离。

当综合多个传感器采集的数据进行判断时，可以计算获知掘进机在一段时间内的作业过程，并结合掘进机的初始状态，即可获知掘进机在一段时间内完成作业过程后的状态。

可以理解的是，各个动作执行机构的末端是在特定的轨迹范围内作往复运动，因此，对于动作执行机构的末端，仅需采集其运行距离，结合其特定运行轨迹即可判断该动作执行机构的末端相对煤机的中点位置。

需要补充的是，在本申请中，煤机的动作执行机构可以归类为：回转输出型动力件和直线往复输出型动力件，对于回转输出型动力件可以在输出轴上安装编码器，以采集该回转输出型动力件的输出轴转动角度，直线往复输出型动力件可以在与其连接的部件上设置行程传感器。

其中，动作执行机构的每个动力件需要考虑与其关联的动作执行机构的末端，所谓动作执行机构的末端是指煤机具体进行作业的零件，例如截割头、铲板等。为根据上述传感器采集的数据判断动作执行机构的末端所在位置，可以以煤机的中心点为圆心建立第二空间直角坐标系。并将各动力件的输出数据和动作执行机构的末端在第二空间直角坐标系中的运行路径进行关联，例如：仅在截割头升降油缸动作时，采集截割头升降油缸连接的零件的行程数据和截割头在第二空间直角坐标系的位置数据；或者，仅在截割头回转油缸动作时，采集截割头回转油缸连接的零件的行程数据和截割头在第二空间直角坐标系的位置数据。将每个动力件对应的动作执行机构的末端在第二空间直角坐标系中的运行路径向量化。多个动力件同时动作时，获取多个动力件中与该动作执行机构的末端关联的动力件，根据采集的关联的动力件运行数据，获取每个关联的动力件对应的动作执行机构的末端在第二空间直角坐标系中的向量值，将多个向量值相加后获取的新向量值为动作执行机构的末端在第二空间直角坐标系中的动作。

如此，对行走执行件的数据采集可以获知煤机的中心点的运行方向和距离，将煤机的中心点在3D模型内建立轨迹。以此轨迹上的多个中心点为圆心，建立多个第二空间直角坐标系，并将对应时间的动作执行机构的末端的位置标记至对应的第二空间直角坐标系内，如此可以建立一段时间内动作执行机构的末端在3D模型内的运行轨迹。

如图3所示，在一些实施例中，根据所述煤机的结构、尺寸和初始状态，以及获取的监测传感器的信息，判断所述煤机在所述3D模型内的位置和在所述工作面或掘进面上的工作进度的方法包括：

S41、建立所述动作执行机构的末端在3D模型中的运行轨迹。

S42、根据所述动作执行机构的末端在3D模型中的位置及运行轨迹，以及所述巷道的3D模型中工作面或掘进面的位置，建立所述3D模型内的工作面或掘进面的工作进度。

如图4所示，在一些实施例中，所述建立所述3D模型内的工作面或掘进面的工作进度的方法包括：

S421、根据所述动作执行机构的末端在3D模型中的运行轨迹，判断所述动作执行机构的末端的运行轨迹与巷道的3D模型中工作面或掘进面是否存在重叠。

S422、若所述动作执行机构的末端的运行轨迹与巷道的3D模型存在重叠，则所述煤机对所述工作面或掘进面进行作业。

S423、若所述动作执行机构的末端的运行轨迹与巷道的3D模型中工作面或掘进面不存在重叠，则所述煤机未对所述工作面或掘进面进行作业。

在一些实施例中，根据所述煤机在所述工作面或掘进面上的工作进度，获取所述巷道的实时3D模型的方法包括：

当所述煤机对所述工作面或掘进面进行作业时，获取所述动作执行机构的末端与巷道的3D模型重叠区域，并在巷道的3D模型的基础上，建立去除所述重叠区域后的巷道的3D模型为实时3D模型。

实时3D模型即可认为是：煤机作业后巷道的3D模型，根据当前3D模型以及作业任务，可以由技术人员人工远程控制煤机作业，或者根据既定程序自主作业。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的具体实施方式，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权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于3D可视化模型的远程煤机控制方法，其特征在于，包括：

获取井下工作面或掘进面及其相邻两侧的巷道面的坐标，并建立对应巷道的3D模型；

对将要对工作面或掘进面进行作业的煤机的行走执行机构、动作执行机构设置监测传感器，通过所述监测传感器获取所述行走执行机构的移动距离以及动作执行机构的运行角度及运行距离；

根据所述煤机在所述工作面或掘进面处的初始位置，将所述煤机的中心点设置于所述巷道的3D模型内；

根据所述煤机的结构、尺寸和初始状态，以及获取的监测传感器的信息，判断所述煤机在所述3D模型内的位置和在所述工作面或掘进面上的工作进度；

根据所述煤机在所述工作面或掘进面上的工作进度，获取所述巷道的实时3D模型；

根据所述巷道的实时3D模型，生成所述煤机下一个动作；

所述获取井下工作面或掘进面及其相邻两侧的巷道面的坐标，并建立对应巷道的3D模型包括：

在所述工作面或掘进面及其相邻两侧的巷道面上建立多个网格点；

采用激光雷达或激光测距仪对所述工作面或掘进面及其相邻两侧的巷道面上的多个网格点进行坐标采集；

对每个网格点的激光扫描角度、激光扫描位置和INS信息进行数据处理后，获取对应的网格点在坐标系中的坐标参数；

根据多个网格点的坐标参数生成巷道的3D模型；

所述煤机的行走执行机构包括行走动力件，

所述行走动力件的输出轴上设置有监测传感器，所述监测传感器为第一编码器，所述第一编码器与所述煤机的控制中心电气连接，所述第一编码器用于采集所述行走动力件的输出轴转动角度，以计算所述煤机的行走距离；

所述动作执行机构包括：动作动力件和动作执行机构的末端，所述动作动力件的输出端与动作执行机构的末端连接；安装于所述动作执行机构的末端的监测传感器包括行程传感器，所述行程传感器用于采集所述动作执行机构的末端、所述动作动力件的外壳之间的相对位移距离；

或者，安装于所述动作执行机构的末端的监测传感器包括第三编码器，所述第三编码器与所述煤机的控制中心电气连接，所述第三编码器用于采集所述动作执行机构的末端的转动角度，以计算所述动作执行机构的末端的运行角度；

根据所述煤机的结构、尺寸和初始状态，以及获取的监测传感器的信息，判断所述煤机在所述3D模型内的位置和在所述工作面或掘进面上的工作进度的方法包括：

建立所述动作执行机构的末端在3D模型中的运行轨迹，

煤机的动作执行机构归类为：回转输出型动力件和直线往复输出型动力件，以煤机的中心点为圆心建立第二空间直角坐标系，并将各动力件的输出数据和动作执行机构的末端在第二空间直角坐标系中的运行路径进行关联，将每个动力件对应的动作执行机构的末端在第二空间直角坐标系中的运行路径向量化；多个动力件同时动作时，获取多个动力件中与该动作执行机构的末端关联的动力件，根据采集的关联的动力件运行数据，获取每个关联的动力件对应的动作执行机构的末端在第二空间直角坐标系中的向量值，将多个向量值相加后获取的新向量值为动作执行机构的末端在第二空间直角坐标系中的动作；

根据所述动作执行机构的末端在3D模型中的位置及运行轨迹，以及所述巷道的3D模型中工作面或掘进面的位置，建立所述3D模型内的工作面或掘进面的工作进度。

2.根据权利要求1所述的基于3D可视化模型的远程煤机控制方法，其特征在于，所述建立所述3D模型内的工作面或掘进面的工作进度的方法包括：

根据所述动作执行机构的末端在3D模型中的运行轨迹，判断所述动作执行机构的末端的运行轨迹与巷道的3D模型中工作面或掘进面是否存在重叠；

若所述动作执行机构的末端的运行轨迹与巷道的3D模型存在重叠，则所述煤机对所述工作面或掘进面进行作业；

若所述动作执行机构的末端的运行轨迹与巷道的3D模型中工作面或掘进面不存在重叠，则所述煤机未对所述工作面或掘进面进行作业。

3.根据权利要求2所述的基于3D可视化模型的远程煤机控制方法，其特征在于，根据所述煤机在所述工作面或掘进面上的工作进度，获取所述巷道的实时3D模型的方法包括：

当所述煤机对所述工作面或掘进面进行作业时，获取所述动作执行机构的末端与巷道的3D模型重叠区域，并在巷道的3D模型的基础上，建立去除所述重叠区域后的巷道的3D模型为实时3D模型。