CN120928362A - 一种掘锚一体机与后配套设备间的测距方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤矿掘进装备控制技术领域，为解决目前在井下粉尘、金属遮挡及振动等恶劣环境下无法实现设备间连续、可靠测距，导致无法安全跟机的技术问题，提供了一种掘锚一体机与后配套设备间的测距方法、装置、电子设备及存储介质，通过部署UWB、红外热成像和超声波雷达三类传感器，并根据实时环境参数动态分配其权重系数，再经多级融合算法得到精确测距值；进而引入基于巷道坡度和设备负载率的安全距离自适应机制，动态控制后配套设备的跟随速度。本发明有效提升了测距系统的抗干扰能力和环境适应性，显著降低了碰撞风险，保障了物料输送对位的连贯性与精度，同时降低了系统成本，为煤矿智能化协同作业提供了可靠支撑。

Description

一种掘锚一体机与后配套设备间的测距方法、装置、电子设备 及存储介质

技术领域

本发明属于煤矿掘进装备控制技术领域，具体涉及一种掘锚一体机与后配套设备间的测距方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

多机设备的协同控制是煤矿智能化的重要功能之一，设备间的跟随行走，安全防碰撞是协同控制的主要部分。而设备间间距的准确测量感知是实现设备跟随行走和防碰撞的前提。掘锚一体机作为当前煤矿快速掘进的龙头装备已经取得了广泛应用，其后配套设备通常包括锚杆转载机和梭车等，当前，掘锚一体机与后配套设备的协同跟随行走还未实现常态化运行，严重影响了煤矿智能化的发展进度，降低了煤矿掘进作业效率。而未实现与后配套设备的协同的根本原因就在于当前掘锚一体机与后配套设备之间的距离无法实现准确的测量，感知不精准直接带来控制的偏差和安全问题，掘锚一体机需与后配套设备保持精确距离，以确保物料输送对位和防碰撞安全。虽然当前已经有超声波、UWB、激光雷达等多种方式应用，但没有一种测距方式能实现在恶劣环境和高遮挡环境下的准确测量，也未对测距方法等进行过详细规划设计。

现有的掘锚一体机与后配套之间的测距方式主要存在以下问题：UWB测距方式虽抗干扰强，但在金属遮挡严重的井下环境中易出现信号衰减；红外热成像依赖设备温度变化，但粉尘覆盖可能降低热辐射检测精度；超声波雷达易受粉尘、振动干扰，仅适用于短距离补充测距，单一传感器测量存在较大局限。现有方案多基于静态或单点测距，难以适应设备移动中的实时位置变化；高精度方案比如如激光雷达成本高昂，且环境适应性差，容易损坏，难以在煤矿井下大规模应用。实际应用中，掘锚一体机与后配套设备间的距离精度不需要太高，且其主要目的是实现跟随行走中的运料卸料对位和防碰撞，且其工作场景并非全部是截割时粉尘大的环境，各工作场景的测距环境和需求各不相同。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的上述至少一个技术问题，提供了一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法、装置、电子设备及存储介质。

根据第一方面，一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法，包括如下步骤：

S1：获取掘锚一体机与后配套设备运行时的UWB数据、红外热成像数据、超声波数据以及环境参数，并基于所述环境参数调整所述UWB数据、红外热成像数据以及超声波数据的权重占比，得到相对应的第一权重系数、第二权重系数以及第三权重系数，所述环境参数包括粉尘浓度、金属遮挡强度、掘锚一体机移动速度；

S2：基于所述第一权重系数、第二权重系数以及第三权重系数，通过多级融合算法对所述UWB数据、红外热成像数据、超声波数据进行融合计算，得到所述掘锚一体机与后配套设备的实时距离；

S3：根据所述实时距离与安全距离阈值进行比较，根据比较结果控制后配套设备的跟随速度和位置偏移量。

优选地，步骤S2中通过多级融合算法对所述UWB数据、红外热成像数据、超声波数据进行融合计算，包括：

采用改进型卡尔曼滤波对所述UWB数据、红外热成像数据、超声波数据进行状态预测；

根据所述第一权重系数、第二权重系数以及第三权重系数对状态预测结果进行加权最小二乘法融合。

优选地，步骤S3中所述安全距离阈值的动态调整包括：

实时采集掘锚一体所处巷道的巷道坡度角以及掘锚一体机运行时的设备负载率；

当所述巷道坡度角增大或所述设备负载率提高时，所述安全距离阈值增加，当所述巷道坡度角减小或所述设备负载率降低时，所述安全距离阈值减小。

优选地，安全距离阈值动态调整公式为：

式中，为安全距离基准值；为巷道坡度角；坡度角修正系数；为设备负载率，取值范围为0~1；负载率修正系数。

根据第二方面，一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距装置，能够执行如第一方面以及任一优选实施例所述的一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法，包括：

传感器组，用于采集掘锚一体机与后配套设备运行时的UWB数据、红外热成像数据、超声波数据以及环境参数；

控制终端，用于接收所述传感器组采集的数据，并进行数据处理，同时根据数据处理结果生成对应的控制指令；

执行机构，用于响应所述控制指令，控制掘锚一体机与后配套设备的行进动作；

其中，传感器组与控制终端通过通讯模块建立数据连接，控制终端与执行机构通过驱动模块连接。

优选地，所述传感器组，包括UWB测距模块、红外热成像仪和超声波雷达；

所述UWB测距模块包括分别在掘锚一体机左后侧和右后侧部署的UWB基站以及后配套设备上相对设置的UWB标签，所述UWB基站和所述UWB标签形成双侧测距链路，通过CAN总线与控制单元通信连接；

所述红外热成像仪安装在所述后配套设备前端，且位于后配套设备中心线位置，聚焦于掘锚一体机运输机尾的驱动电机区域，采集的红外热成像数据通过以太网传输至控制终端；

所述超声波雷达倾斜15°向下安装在所述掘锚一体机的机尾末端，且至少并排安装3个超声波雷达，监测范围至少覆盖120°扇形区域，通过CAN总线与控制终端通信连接。

优选地，所述控制终端包括主控单元、电源模块、驱动模块、显示模块和通讯模块；

所述主控单元包括掘锚一体机控制器和后配套设备控制器，通过所述掘锚一体机控制器接收所述传感器组采集的数据并进行融合计算，所述后配套设备控制器通过以太网接收所述掘锚一体机控制器的传输数据，根据所述传输数据提取出后配套设备的动作控制信息；

所述电源模块包括本安型电源模块和开关电源模块，所述本安型电源模块用于为所述传感器组和通讯模块供电，所述开关电源模块为主控单元、驱动模块和显示模块供电；

所述驱动模块包括电机驱动器和电磁阀驱动器，用于根据所述主控单元生成的控制指令选择对应的驱动器；

所述显示模块包括工控机和显示屏，所述工控机通过网络与所述掘锚一体机控制器、后配套设备控制器及红外热成像仪通信，所述显示屏用于图像数据、传感器测距数据及掘锚一体机和后配套设备的动作状态；

所述通讯模块包括矿用本安型基站和交换机；所述矿用本安型基站用于实现掘锚一体机与后配套设备间的以太网信号传输；所述交换机用于连接掘锚一体机控制器、显示模块及红外热成像仪。

优选地，所述执行机构还包括声光报警器，用于接收控制终端生成的控制指令，用于防碰撞报警和设备动作预警。

第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括：存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法、装置、电子设备及存储介质，从井下复杂工况的实用性出发，通过传感器组内的多传感器协同融合与动态调控机制，实现了掘锚一体机与后配套设备间高鲁棒性的连续测距与安全协同控制，显著降低了碰撞风险并提升了物料输送对位精度。

本发明提出多传感器互补部署与权重动态分配机制，针对粉尘、金属遮挡、振动等干扰源，创造性设计UWB、红外热成像与超声波雷达的差异化布局策略，并基于实时环境参数动态调整对应传感器数据的权重，突破单一传感器在恶劣环境下的失效瓶颈，保障测距数据的连续性与可靠性。

本发明通过分级融合算法与自适应安全调控逻辑，采用改进型卡尔曼滤波与加权最小二乘法结合的多级融合模型，通过状态方程和噪声协方差动态修正提升移动场景下的测距精度；同时设计跟随距离自适应公式，引入巷道坡度和设备负载率动态调整安全阈值，实现防碰撞与跟随连贯性的平衡。

本发明通过构建分布式控制架构与轻量化工程落地方案，通过掘锚一体机控制器与后配套设备控制器的分布式计算分工，降低系统通信负荷；硬件上采用矿用本安型传感器和模块化供电设计，确保装置在防爆环境下的稳定运行。

本发明实现算法与硬件的深度场景适配，相比高成本激光雷达方案，本装置通过传感器选型与布局优化降低硬件成本；软件层面摒弃复杂的神经网络模型，采用轻量级融合算法，既满足实时性要求，又为后续数据驱动优化积累特征库。

综上所述，本发明所述测距系统具备环境强适应性、控制实时性及工程易部署性，已成功应用于井下掘进工作面，为煤矿智能化协同作业提供了可靠技术支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，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为本发明提供的一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距装置的结构示意图；

图2为本发明提供的一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的传感器组部署示意图；

图3为本发明提供的一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法；

图4为本发明提供的多传感器权重分配与融合算法的流程图；

图5为本发明提供的掘锚一体机与后配套设备间的跟随距离自适应控制流程示意图。

具体实施方式

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，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内，需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何实际的关系或者顺序。

在煤矿掘进作业中，当前存在着诸多棘手问题。一方面，掘锚一体机结构外形巨大、作业工艺复杂，这使得实现掘锚一体机与后配套设备的准确测距与安全跟机变得十分困难。另一方面，井下环境恶劣，粉尘、金属遮挡、振动等干扰因素频发，导致传感器数据容易失真，影响了掘锚一体机与后配套设备移动中的连续测距与实时位置校准。

而本发明致力于解决上述问题，实现了掘锚一体机与后配套设备在复杂条件下的准确测距与安全跟机。同时，本发明克服了井下干扰导致的传感器数据失真问题，达成了掘锚一体机与后配套设备移动中的连续测距与实时位置校准。此外，通过多传感器互补融合，在保证功能需求的前提下降低了硬件成本。本发明提高了设备质量和智能化水平，其硬件结构尤其是软件算法对于连续采煤机、掘进机、锚杆机等其他煤矿用掘进装备的跟随行走具有典型的示范意义，可进一步推广应用。

为更加明显的介绍本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式作进一步详细的说明。

一种掘锚一体机与后配套设备间的测距方法，包括传感器组部署与数据采集方法、数据融合与误差修正方法、设备控制与反馈机制。其中传感器组部署与数据采集方法主要指不同类型的测距传感器在掘锚一体机和后配套设备上的安装位置与测距原理；数据融合与误差修正方法包括多传感器的优先级逻辑、多传感器权重分配与融合算法；设备控制与反馈机制包括设备间位置对准控制、防碰撞逻辑和跟随距离自适应方法。本发明中后配套设备以锚杆转载机为例对其测距方法进行说明。

如图1所示为一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距装置的结构示意图，包括：

传感器组，用于采集掘锚一体机与后配套设备运行时的UWB数据、红外热成像数据、超声波数据以及环境参数；

控制终端，用于接收所述传感器组采集的数据，并进行数据处理，同时根据数据处理结果生成对应的控制指令；

执行机构，用于响应所述控制指令，控制掘锚一体机与后配套设备的行进动作；

其中，传感器组与控制终端通过通讯模块建立数据连接，控制终端与执行机构通过驱动模块连接。

可选地，所述传感器组，包括UWB测距模块、红外热成像仪和超声波雷达；所述UWB测距模块包括分别在掘锚一体机左后侧和右后侧部署的UWB基站以及后配套设备上相对设置的UWB标签，所述UWB基站和所述UWB标签形成双侧测距链路，通过CAN总线与控制单元通信连接；所述红外热成像仪安装在所述后配套设备前端，且位于后配套设备中心线位置，聚焦于掘锚一体机运输机尾的驱动电机区域，采集的红外热成像数据通过以太网传输至控制终端；所述超声波雷达倾斜15°向下安装在所述掘锚一体机的机尾末端，且至少并排安装3个超声波雷达，监测范围至少覆盖120°扇形区域，通过CAN总线与控制终端通信连接。

本实施例中，如图2所示，UWB测距模块包括2个UWB基站，2个UWB标签，UWB定位基站与UWB标签一一对应，基站采用DecawaveDW3000芯片组，支持6.8GHz频段，最大测距范围80m，基站和标签采用DC12V供电，基站通过CAN总线将距离的实时数据传递给掘锚一体机控制器，掘锚一体机控制器同时通过ModbusTCP协议将数据传输给后配套设备控制器，UWB基站与标签设计专用安装架，便于快速拆装。

本实施例中，在掘锚一体机左后侧如图2中A点与右后侧如图2中B点各安装1个UWB基站，在锚杆转载机相对应的位置A'、B'点安装UWB标签，形成左右两侧的测距链路A-A'、B-B'，通过飞行时间算法计算两侧水平距离，实时监测掘锚一体机与锚杆转载机的横向偏移量，并测量掘锚一体机与锚杆转载机纵向距离作为辅助判断。

本实施例中，如图2所示，红外热像仪采用DC12V供电，分辨率160×120，测温范围-10℃~400℃，图像数据通过以太网传输给显示模块进行分析解算，同时将图像识别数据传输至掘锚一体机控制器和后配套设备控制器进行实时距离判断，红外热像仪配备自清洁装置，减小粉尘与水雾对识别精度的影响。

本实施例中，在锚杆转载机前端，如图2中C点安装红外热成像摄像仪，聚焦于掘锚一体机运输机尾的驱动电机区域，掘锚一体机运输电机工作时温度显著高于环境，基于热源位置与图像特征，计算掘锚一体机运输机尾与锚杆转载机的纵向距离，并通过边缘检测算法消除粉尘遮挡影响.

本实施例中，如图2所示，超声波雷达采用DC12V供电，采用CAN总线将数据传输给掘锚一体机控制器，掘锚一体机控制器同时通过ModbusTCP协议将数据传输给后配套设备控制器，共安装3个超声波雷达，单个超声波雷达的探测角度40°，频率为40kHz，超声波雷达倾斜15°向下安装，避免煤块堆积影响探测。

本实施例中，在掘锚机一体机运输机尾末端如图2中D区域安装超声波雷达阵列，包含3个超声波雷达传感器，覆盖120°扇形区域，当粉尘浓度低于预设阈值时，提供短距离高频率测距数据，作为UWB与红外的补充校验。

可选地，所述控制终端包括主控单元、电源模块、驱动模块、显示模块和通讯模块；所述主控单元包括掘锚一体机控制器和后配套设备控制器，通过所述掘锚一体机控制器接收所述传感器组采集的数据并进行融合计算，所述后配套设备控制器通过以太网接收所述掘锚一体机控制器的传输数据，根据所述传输数据提取出后配套设备的动作控制信息；所述电源模块包括本安型电源模块和开关电源模块，所述本安型电源模块用于为所述传感器组和通讯模块供电，所述开关电源模块为主控单元、驱动模块和显示模块供电；所述驱动模块包括电机驱动器和电磁阀驱动器，用于根据所述主控单元生成的控制指令选择对应的驱动器；所述显示模块包括工控机和显示屏，所述工控机通过网络与所述掘锚一体机控制器、后配套设备控制器及红外热成像仪通信，所述显示屏用于图像数据、传感器测距数据及掘锚一体机和后配套设备的动作状态；所述通讯模块包括矿用本安型基站和交换机；所述矿用本安型基站用于实现掘锚一体机与后配套设备间的以太网信号传输；所述交换机用于连接掘锚一体机控制器、显示模块及红外热成像仪。

本实施例中，掘锚一体机控制器负责采集所有传感器组的信号，同时完成多传感器部署与数据采集方法、数据融合与误差修正方法、设备控制与反馈机制的运行控制，具备以太网接口和CAN总线接口；后配套设备控制器只直接采集红外热成像仪经过显示模块识别的的图像数据，其余传感器数据经掘锚一体机控制器通过以太网传输给后配套控制器，后配套设备控制器只完成传感器组部署与数据采集方法、设备控制与反馈机制中关于后配套设备的动作部分，不做传感器数据的融合算法计算，具备以太网接口和CAN总线接口。

本实施例中，电源模块主要包括本安电源模块和24V开关电源模块，其中本安电源数量为4个，输入DC24V,输出DC12V，单个工作电流为1.5A,分别给红外热像仪、3个超声波雷达、2组UWB测距基站以及通讯模块供电，24V开关电源模块数量为1个，输入AC127V，输出DC24V,工作电流为10A,给主控单元、驱动模块和显示模块供电。

本实施例中，驱动模块包括两种，若掘锚一体机和后配套设备行走是电机驱动，则驱动模块为电机驱动器，主控单元将计算得出的控制指令发送给电机驱动器，若行走是液压驱动，则驱动模块为电磁阀驱动器，主控单元将计算得出的控制指令发送给电磁阀驱动器，最终控制指令在驱动模块转换为控制电流驱动行走电机或行走油缸工作。

本实施例中，工控机主要与掘锚一体机控制器、后配套设备控制器、红外热像仪进行网络通讯，将采集的数据在显示屏上进行显示，包括图像数据，传感器组的测距数据，掘锚一体机设备和后配套设备的动作状态等。

本实施例中，通讯模块包括矿用本安型基站和交换机，其中矿用本安型基站用于实现掘锚一体机和后配套设备之间的以太网信号传输，交换机用于实现掘锚一体机控制器与显示模块、红外热像仪的通讯。

可选地，所述执行机构还包括声光报警器，用于接收控制终端生成的控制指令，用于防碰撞报警和设备动作预警。

本实施例中，执行机构包括声光报警器、行走电机或行走液压油缸，其中声光报警器主要用于实现防碰撞报警和设备动作预警，报警指令来自于掘锚一体机控制器；行走电机或行走液压油缸接收驱动模块的控制指令实现行走电机的正反转和油缸的伸缩，最终实现不同方向和速度的掘锚一体机行走与后配套设备行走。

如图3所示，本发明实施例提供一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法，包括如下步骤：

S1：获取掘锚一体机与后配套设备运行时的UWB数据、红外热成像数据、超声波数据以及环境参数，并基于所述环境参数调整所述UWB数据、红外热成像数据以及超声波数据的权重占比，得到相对应的第一权重系数、第二权重系数以及第三权重系数，所述环境参数包括粉尘浓度、金属遮挡强度、掘锚一体机移动速度；

S2：基于所述第一权重系数、第二权重系数以及第三权重系数，通过多级融合算法对所述UWB数据、红外热成像数据、超声波数据进行融合计算，得到所述掘锚一体机与后配套设备的实时距离；

S3：根据所述实时距离与安全距离阈值进行比较，根据比较结果控制后配套设备的跟随速度和位置偏移量。

本实施例中，主控模块优先采用UWB数据，当UWB数据丢失时切换至红外热成像数据，超声波数据仅用于碰撞预警，不参与动态跟随控制。多传感器权重分配与融合算法如下，根据不同环境参数动态调整传感器权重，具体规则如下表1所示：

其中，、、分别为对应于UWB数据、红外热成像数据以及超声波数据的第一权重系数、第二权重系数以及第三权重系数，满足；各权重占比根据实时传感器置信度如信号强度、噪声比动态微调。采用改进型卡尔曼滤波与加权最小二乘法结合的多级融合算法对所测距离进行测量，其系统状态量为：

式中，表示水平距离；表示纵向距离；表示相对速度。

掘锚一体机和后配套设备间相对位置的水平、纵向分布，以及运动时的相对速度，是判断安全距离、控制跟随运动的核心状态参数，所以将其作为系统状态量建模。状态预测方程为：

式中，表示时刻的预测状态（基于时刻的系统状态量）；表示状态转移矩阵；表示时刻的系统状态量；表示控制输入矩阵；表示掘锚一体机和后配套设备加速度，掘锚一体机和后配套设备运动受加速度控制，所以将其作为控制输入项，通过控制输入矩阵与相乘，体现加速度对状态量的影响；表示过程噪声，实际环境中，掘锚一体机和后配套设备运动巷道内底帮环境、堆煤浮煤等冲击影响，这些无法精确建模的因素，统一用高斯白噪声表示，表示过程噪声协方差矩阵，描述噪声统计特性，通过实验统计、系统辨识方法确定。

观测方程为：

式中，表示观测矩阵，作用是把系统状态 转换为与观测值维度匹配的形式，若传感器组观测的是距离、速度相关物理量，通过物理关系，将 线性组合成观测值的预测量，其本质是“状态到观测”的转换规则；表示观测噪声，因传感器组内各传感器本身存在硬件精度、环境干扰等测量误差，观测值无法完美匹配真实状态映射结果，因此用观测噪声统计这些误差的随机特性。

本实施例中，噪声协方差矩阵根据传感器组对应传感器的权重占比动态调整，从工程需求看，置信度高的传感器，其误差对系统整体观测的影响应占比更低；置信度低的传感器，误差影响占比更高。因此，根据表1中的归一化权重系数和传感器的标定误差，将单个传感器误差的协方差项设计为，基于上述逻辑，构建噪声协方差矩阵，对角元素对应各传感器误差经权重调整后的协方差，非对角元素为0。

构建的协方差矩阵如下式所示：

式中，、、分别为UWB测距模块的标定误差、红外热成像仪的标定误差、超声波雷达的标定误差。

本实施例中，多传感器权重分配与融合算法的流程图如图4所示。其中采用加权最小二乘法对状态预测结果进行融合，融合公式如下所示：

式中，表示归一化权重系数；表示各传感器测量数据。

本实施例中，根据实时距离与安全距离阈值设定设备控制与反馈机制，设备控制与反馈机制包括掘锚一体机与后配套设备间位置对准控制、防碰撞逻辑和跟随距离自适应方法。掘锚一体机与后配套设备间位置对准控制主要指掘锚一体机的运输机尾与锚杆转载机的受料斗位置对准控制，当运输机尾与锚杆转载机受料斗的水平偏移量超过30cm时，触发声光报警，并通过工业以太网发送调速指令至执行机构。根据掘锚一体机的惯性测量单元建立坐标系，同时假设运输机尾中心坐标为，锚杆转载机受料斗中心坐为，水平偏移量通过两点间距离公式计算得出。

当 时触发报警。其中UWB测距模块提供水平 ；红外热成像仪提供纵向距离 。采用PID控制算法生成掘锚一体机行走电机的速度修正值 ，比例值。

本实施例中，若超声波雷达检测到障碍物距离＜1m，立即切断掘锚一体机行走动力，并启动紧急制动。具体流程为采用3组超声波雷达阵列覆盖120°扇形区域，取最小距离作为有效值，避免单点失效。当超声波雷达所测距离值小于1m并且持续超过200ms时，判定为紧急碰撞风险，此时应先切断整机电源，同时触发声光报警信号。

本实施例中，跟随距离自适应指的是根据巷道坡度角与设备负载率进行自适应更新，动态调整安全距离阈值，默认3-5m，以此确保锚杆转载机跟随行走的连贯性。其安全距离阈值动态调整公式为：

式中，为安全距离基准值；为巷道坡度角；坡度角修正系数；为设备负载率，取值范围为0~1；。

本实施例中，巷道坡度角通过掘锚一体机内的惯性测量单元实时测量；设备负载率 通过掘锚一体机内的液压压力传感器计算。安全距离阈值动态调整公式的构建原理为：首先需要确定基准项，在实际工程中为先确定安全距离基准值 ，这是在巷道坡度为0、设备无额外负载（负载率 ）等理想简单工况下，保证锚杆转载机跟随行走连贯性的基本安全距离，是公式的基准项，作为后续修正的基础。其次需要分析影响因素及修正系数，巷道坡度角的影响如下，巷道存在坡度时，设备运行惯性、物料滑动趋势等会改变安全距离需求，坡度越大，设备启停、运行时因重力分力产生的额外位移风险等越大，需要增大安全距离，引入与坡度角修正系数 ，通过大量现场试验、模拟取，统计不同坡度下安全距离增量规律，拟合得到的与坡度角匹配的系数，用形式，体现坡度使安全距离在基准值上按此比例增加；设备负载率 L 的影响如下：设备负载率越高，运行时惯性越大、启停响应越慢，也需要更大安全距离，同样通过工程试验，统计负载率和安全距离需求的关系，确定负载率修正系数 （为试验拟合的负载率修正系数），用形式，体现负载使安全距离在基准值基础上按此比例增加；最后综合安全距离基准值、巷道坡度角和设备负载率的影响，得到上述安全距离阈值动态调整公式。这样，当巷道坡度角增大或设备负载率提高时，安全距离会在基准值基础上相应增大，适配工程中因工况变化对安全距离动态调整的需求，后续再结合实际距离与安全距离的比较，实现锚杆转载机跟随速度的自适应控制。

本实施例中，掘锚一体机与后配套设备间的跟随距离自适应控制流程如图5所示，首先实时获取巷道坡度角和设备负载率；其次根据安全距离阈值动态调整公式计算得出的安全距离阈值与实际距离进行比较，若实际距离大于更新后的安全距离阈值，则降低锚杆转载机跟随速度；若实际距离小于更新后的安全距离阈值，则控制后配套设备加速跟进。

本发明实施例还提供一种计算机设备，具有上述图1所示的一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距装置。

本发明可选实施例提供的一种计算机设备，该计算机设备包括：一个或多个处理器、存储器，以及用于连接各部件的接口，包括高速接口和低速接口。各个部件利用不同的总线互相通信连接，并且可以被安装在公共主板上或者根据需要以其它方式安装。处理器可以对在计算机设备内执行的指令进行处理，包括存储在存储器中或者存储器上以在外部输入/输出装置(诸如，耦合至接口的显示设备)上显示GUI的图形信息的指令。在一些可选的实施方式中，若需要，可以将多个处理器和/或多条总线与多个存储器和多个存储器一起使用。同样，可以连接多个计算机设备，各个设备提供部分必要的操作(例如，作为服务器阵列、一组刀片式服务器、或者多处理器系统)。

处理器可以是中央处理器，网络处理器或其组合。其中，处理器还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路，可编程逻辑器件或其组合。上述可编程逻辑器件可以是复杂可编程逻辑器件，现场可编程逻辑门阵列，通用阵列逻辑或其任意组合。

其中，所述存储器存储有可由至少一个处理器执行的指令，以使所述至少一个处理器执行实现上述实施例示出的方法。

存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据计算机设备的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非瞬时存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非瞬时固态存储器件。在一些可选的实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该计算机设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

存储器可以包括易失性存储器，例如，随机存取存储器；存储器也可以包括非易失性存储器，例如，快闪存储器，硬盘或固态硬盘；存储器还可以包括上述种类的存储器的组合。

该计算机设备还包括通信接口，用于该计算机设备与其他设备或通信网络通信。

本发明实施例中，计算机设备主要指集成上述装置的掘锚一体机控制器和通讯设备，安装于掘锚一体机防爆电控箱内；后配套设备控制器和通讯设备，安装于后配套设备防爆电控箱内，支持无线数据传输。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，上述根据本发明实施例的方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可记录在存储介质，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程存储介质或非暂时机器可读存储介质中并将被存储在本地存储介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件的存储介质上的这样的软件处理。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体、随机存储记忆体、快闪存储器、硬盘或固态硬盘等；进一步地，存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件，当软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现上述实施例示出的方法。

本发明实施例中，计算机可读存储介质，包括本机的嵌入式TF卡存储卡和云端数据库，嵌入式TF卡存储历史测距数据与故障日志；云端数据库支持测距数据的长期存储与分析，用于优化滤波算法等算法参数。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，都应该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所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：获取掘锚一体机与后配套设备运行时的UWB数据、红外热成像数据、超声波数据以及环境参数，并基于所述环境参数调整所述UWB数据、红外热成像数据以及超声波数据的权重占比，得到相对应的第一权重系数、第二权重系数以及第三权重系数，所述环境参数包括粉尘浓度、金属遮挡强度、掘锚一体机移动速度；

S2：基于所述第一权重系数、第二权重系数以及第三权重系数，通过多级融合算法对所述UWB数据、红外热成像数据、超声波数据进行融合计算，得到所述掘锚一体机与后配套设备的实时距离；

S3：根据所述实时距离与安全距离阈值进行比较，根据比较结果控制后配套设备的跟随速度和位置偏移量。

2.根据权利要求1所述一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法，其特征在于，步骤S2中通过多级融合算法对所述UWB数据、红外热成像数据、超声波数据进行融合计算，包括：

采用改进型卡尔曼滤波对所述UWB数据、红外热成像数据、超声波数据进行状态预测；

根据所述第一权重系数、第二权重系数以及第三权重系数对状态预测结果进行加权最小二乘法融合。

3.根据权利要求1所述一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法，其特征在于，步骤S3中所述安全距离阈值的动态调整包括：

实时采集掘锚一体所处巷道的巷道坡度角以及掘锚一体机运行时的设备负载率；

当所述巷道坡度角增大或所述设备负载率提高时，所述安全距离阈值增加，当所述巷道坡度角减小或所述设备负载率降低时，所述安全距离阈值减小。

4.根据权利要求3所述一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法，其特征在于，安全距离阈值动态调整公式为：

式中，为安全距离基准值；为巷道坡度角；坡度角修正系数；为设备负载率，取值范围为0~1；负载率修正系数。

5.一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距装置，能够执行上述权利要求1-4任一项所述的一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法，其特征在于，包括：

传感器组，用于采集掘锚一体机与后配套设备运行时的UWB数据、红外热成像数据、超声波数据以及环境参数；

控制终端，用于接收所述传感器组采集的数据，并进行数据处理，同时根据数据处理结果生成对应的控制指令；

执行机构，用于响应所述控制指令，控制掘锚一体机与后配套设备的行进动作；

其中，传感器组与控制终端通过通讯模块建立数据连接，控制终端与执行机构通过驱动模块连接。

6.根据权利要求5所述的一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距装置，其特征在于，所述传感器组，包括UWB测距模块、红外热成像仪和超声波雷达；

所述UWB测距模块包括分别在掘锚一体机左后侧和右后侧部署的UWB基站以及后配套设备上相对设置的UWB标签，所述UWB基站和所述UWB标签形成双侧测距链路，通过CAN总线与控制单元通信连接；

所述红外热成像仪安装在所述后配套设备前端，且位于后配套设备中心线位置，聚焦于掘锚一体机运输机尾的驱动电机区域，采集的红外热成像数据通过以太网传输至控制终端；

所述超声波雷达倾斜15°向下安装在所述掘锚一体机的机尾末端，且至少并排安装3个超声波雷达，监测范围至少覆盖120°扇形区域，通过CAN总线与控制终端通信连接。

7.根据权利要求5所述的一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距装置，其特征在于，所述控制终端包括主控单元、电源模块、驱动模块、显示模块和通讯模块；

所述主控单元包括掘锚一体机控制器和后配套设备控制器，通过所述掘锚一体机控制器接收所述传感器组采集的数据并进行融合计算，所述后配套设备控制器通过以太网接收所述掘锚一体机控制器的传输数据，根据所述传输数据提取出后配套设备的动作控制信息；

所述电源模块包括本安型电源模块和开关电源模块，所述本安型电源模块用于为所述传感器组和通讯模块供电，所述开关电源模块为主控单元、驱动模块和显示模块供电；

所述驱动模块包括电机驱动器和电磁阀驱动器，用于根据所述主控单元生成的控制指令选择对应的驱动器；

所述显示模块包括工控机和显示屏，所述工控机通过网络与所述掘锚一体机控制器、后配套设备控制器及红外热成像仪通信，所述显示屏用于图像数据、传感器测距数据及掘锚一体机和后配套设备的动作状态；

所述通讯模块包括矿用本安型基站和交换机；所述矿用本安型基站用于实现掘锚一体机与后配套设备间的以太网信号传输；所述交换机用于连接掘锚一体机控制器、显示模块及红外热成像仪。

8.根据权利要求5所述的一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距装置，其特征在于，所述执行机构还包括声光报警器，用于接收控制终端生成的控制指令，用于防碰撞报警和设备动作预警。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括：

存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行权利要求1至4中任一项所述的一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1至4中任一项所述的一种煤矿用掘锚一体机与后配套设备间的测距方法。