CN211008643U - 掘进机工作系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及掘进机技术领域，并提供了一种掘进机工作系统，包括：信息获取装置，设于掘进机本体上，用于获取信息；惯性导航装置，用于获取掘进机本体姿态和位置数据；截割位置获取传感器，用于获取掘进机截割位置数据；处理装置，用于接收信息获取装置获取的信息、掘进机本体姿态和位置数据、掘进机截割位置数据，以获取巷道地图和工作路径信息；控制器，接收掘进机本体姿态和位置数据、掘进机截割位置数据和工作路径信息，并向掘进机本体发出动作指令。本实用新型通过处理装置获取巷道地图，再结合其它传感器的数据获取掘进机本体的工作路径，使掘进机本体自主工作，提高了人身安全性。

Description

掘进机工作系统

技术领域

本实用新型涉及掘进机技术领域，具体而言，涉及掘进机工作系统。

背景技术

在掘进机的应用过程中，大多数的掘进机都需要人为操作，对人员操作能力要求高，不仅效率低下，且现场操作环境恶劣，安全风险较高。有的掘进机会增加一些设备来定位掘进机，以此实现远程采掘。也有的掘进机会在掘进机上增加远程操作系统，工作人员可以通过遥控器远程操作设备。但是都需要较多的人工操作，不能满足无人化开采的目的。

实用新型内容

本实用新型旨在解决上述技术问题的至少之一。

为此，本实用新型的第一目的在于提供一种掘进机工作系统。

为实现本实用新型的第一目的，本实用新型的实施例提供了一种掘进机工作系统，用于控制掘进机本体开挖巷道，所述掘进机本体上设有液压传动部位，掘进机工作系统包括：信息获取装置，设于掘进机本体上，用于获取信息；惯性导航装置，用于获取掘进机本体姿态和位置数据；截割位置获取传感器，用于获取掘进机截割位置数据；处理装置，用于接收所述信息获取装置的信息、所述掘进机姿态和位置数据以及所述掘进机截割位置数据，以获取巷道地图和工作路径信息；控制器，用于接收所述掘进机本体姿态和位置数据、所述掘进机截割位置数据和所述工作路径信息，并向所述掘进机本体发出动作指令。

本实施例提供的掘进机工作系统通过增加扫描仪获取巷道扫描信息，然后处理装置根根扫描信息获取巷道虚拟地图，再结合掘进机本体姿态和位置数据，以及掘进机截割位置数据，获取巷道地图和工作路径信息，然后通过控制器实现掘进机本体的自主工作。

另外，本实用新型提供的上述实施例提供的技术方案还可以具有如下附加技术特征：

所述系统还包括多个追踪仪，根据所述巷道的绝对坐标设于所述巷道内。

通过巷道的坐标值设置追踪仪，在获取坐标后可快速获取巷道地图。

上述任一技术方案中，所述追踪仪为激光追踪仪。

激光追踪仪利用激光束对应激光雷达，以利于根据绝对坐标建立基础坐标系。

上述任一技术方案中，所述激光追踪仪为标靶球。

标靶球由于其呈球状，可以在获取虚拟地图时提高拼接精度。

上述任一技术方案中，还包括无线通讯模块，用于接收所述信息获取装置获取的信息、所述截割断面信息和所述工作路径信息，并将所述截割断面信息和所述工作路径信息发送至所述控制器。

通过无线通讯模块传输数据，可以克服有线传输数据带来的线缆安装问题。

上述任一技术方案中，所述信息获取装置为扫描仪。

扫描仪可以全方位扫描目标信息。

上述任一技术方案中，所述扫描仪为激光雷达。

激光雷达可以对惯性导航装置有校正作用，并可以提供位置信息。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型一个实施例的掘进机工作系统的系统组成示意图；

图2为本实用新型一个实施例的掘进机工作系统的结构图；

图3为本实用新型一个实施例的掘进机工作系统的连接示意图；

图4为本实用新型一个实施例的掘进机工作方法的流程图。

其中，附图1至图4中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

10：掘进机工作系统，100：追踪仪，110：第一标靶球；120：第二标靶球；130：第三标靶球；140：第四标靶球；150：第五标靶球；160：第六标靶球；200：扫描仪，300：惯性导航装置，400：截割位置获取传感器， 500：处理装置，600：控制器，700：掘进机本体，800：无线控制模块， 900：巷道，R1:工作路径信息，R2：截割断面信息，R3：截割位置数据， R4：掘进机本体姿态和位置数据，R5：掘进机本体状态数据。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照附图描述本实用新型一些实施例的技术方案。

实施例1：

如图1至图3所示，本实施例提供了一种掘进机工作系统10，用于控制掘进机本体700开挖巷道900，例如煤矿巷道。掘进机本体700上设有状态获取传感器，以检测掘进机本体700的掘进机状态，通常，掘进机工作系统中常用激光指向仪作为导向，而惯性导航装置300单独使用，技术手段单一简陋。惯性导航装置300在使用时存在漂移的缺点，且只能提供方向信息，不能提供位置信息，掘进机在巷道中只能获得与巷道相对的位置关系。有的掘进机工作系统中会增加摄像仪、陀螺仪、航姿仪等设备来定位掘进机本体700，以此实现远程采掘，但是仍然需要较多的人工，无法实现掘进机本体700的自主工作状态，自主化和智能化水平很低。

鉴于此，如图1所示，本实施例提供了一种能够自主工作的掘进机工作系统10，包括：信息获取装置信息获取装置200、惯性导航装置300、截割位置获取传感器400、处理装置500和控制器600。

信息获取装置200用于获取信息，包括巷道表面信息和掘进机本体状态数据，可以选用扫描仪作为信息获取装置200，信息获取装置200设于掘进机本体700的顶部，例如三维扫描仪，用于扫描巷道900，以获取扫描信息。在掘进机本体700工作之前，通过信息获取装置200对巷道900 进行全方向扫描。信息获取装置200采用三维扫描仪，更具体地，可以是激光雷达。

激光雷达为三维激光扫描仪，可对惯性导航装置300有校正作用，并可以提供位置信息。激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是，向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对目标进行识别。

激光雷达在随掘进机本体700前进的过程中，不断扫描巷道表面，将获取的掘进机本体姿态和位置信息发送至处理装置500，处理装置500结合其它数据经过分析计算获取巷道内的虚拟地图。

惯性导航装置300通过检测掘进机本体700的姿态，以获取掘进机本体姿态和位置数据R4。

惯性导航装置300和激光雷达均设于掘进机本体700的顶部，惯性导航装置300的其中两个输出端分别与控制器600和处理装置500连接。惯性导航装置300将测量元件直接捆绑在载体上，测量元件角速率陀螺仪和加速度计沿着机体三轴方向安装。这样测量元件测量到的坐标系物理量均为载体坐标系的物理量。惯性导航装置300的输出经导航坐标系解算，可算出载体的姿态矩阵，再从姿态矩阵中提取到载体的位置信息、姿态信息。例如，本实用新型中的惯性导航装置300可以采用光纤陀螺仪。

截割位置获取传感器400通过检测掘进机的截割部及其他油缸状态，以获取掘进机截割位置数据R3。

数字油缸与掘进机的机架和截割臂连接，在机器中心线对称布局；当数字油缸的行程改变时，截割臂将会绕其和机架铰接的点在垂直面内摆动；当数字油缸的活塞杆伸长时，截割臂往巷道上方摆动，当数字油缸的活塞杆缩短时，截割臂往巷道下方摆动。截割臂水平摆动依靠水平工作台的扭转来实现。机架整体安装在水平扭转转台上，水平扭转转台由对称布局的水平回转油缸推动，水平回转油缸的活塞杆与转台链接、缸筒与机架链接。工作时，一侧的水平回转油缸的活塞杆伸长，另一侧的水平回转油缸的活塞杆相应地缩短，通过活塞杆一个伸长一个缩短来推动转台，从而带动截割臂绕水平中心左右摆动，实现截割臂的水平摆动。因此，将状态获取传感器固定于掘进机的液压传动部位，实时测量悬臂的伸出和缩回的位移量。例如可以选用位移传感器。

处理装置500设于远程控制室内，例如可以是计算机，用于接收信息获取装置200的获取信息、掘进机本体姿态和位置数据R4、掘进机本体700 的截割位置数据R3和掘进机本体700的状态数据，以获取巷道虚拟地图，处理装置500再结合掘进机本体姿态和位置数据R4、掘进机本体700的截割位置数据R3和掘进机本体状态数据R5，在虚拟地图的基础上获取巷道地图。信息获取装置200采集到的点云数据信息传输至远程控制室内的处理装置500，处理装置500对点云数据进行分析处理，并绘制虚拟地图。处理装置500结合虚拟地图和接收到的掘进机本体姿态和位置数据R4、掘进机截割位置数据R3和掘进机本体状态数据R5，获取巷道地图，同时获取截割断面信息R2和工作路径信息R1。

控制器600用于接收掘进机本体姿态和位置数据R4、掘进机本体截割位置数据R3、截割断面信息R2和工作路径信息R1，并向掘进机本体700发出动作指令。控制器600是整个掘进机本体700姿态控制系统的核心。控制器 600完成各种信号的收集，通过算法计算掘进机本体700和截割头的位置和姿态信息，并与控制驱动形成闭环控制，从而最终实现掘进机本体700的自动驾驶与截割头动作自动控制。

控制器600由姿态解算、位置标定、导航修正和作动控制四个模块组成。

位置标定模块用于接收标定过程时传送来的位置基准信息和距离信息，以及掘进机本体姿态及位置数据，以计算获取掘进机本体当前基准位置，并转给姿态解算模块。

导航修正模块用于接收操作面板发送来的修正量数值，计算导航位置修正信息，转发给姿态解算模块。

姿态解算模块实时接收送来的角速度等测量值，并实时计算掘进机本体当前位置姿态信息；在位置标定模块送来基准位置信息时，姿态解算模块会计算当前位置姿态信息和基准位置信息之间的偏差，然后对当前位置姿态信息进行标定，使当前位置姿态信息与基准位置信息一致；在导航修正模块送来导航信息的修正信息时，姿态解算模块会将当前位置姿态信息与修正量叠加，重新计算当前位置信息。

作动控制模块在接收到操作面板发送来的操作指令后，计算相应的作动控制指令，并发送给执行机构，执行相应的动作。

由此看见，本实用新型的掘进机工作系统的工作方法是，首先获取巷道虚拟地图，然后根据在虚拟地图的基础上结合相关传感器的数据获取巷道地图和掘进机本体700的工作路径信息R1，掘进机根据工作路径信息 R1自主工作。具体地，该工作系统通过信息获取装置200获取巷道扫描信息，然后经过处理装置500分析处理获取巷道虚拟地图，再结合姿态和位置数据以及截割部状态数据，处理装置500计算出掘进机本体700的行进路径信息，以实现掘进机的姿态控制和截割，完成掘进机本体700的自主工作。

实施例2：

本实施例提供了一种掘进机工作系统10。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征。

该系统还包括追踪仪100，追踪仪100根据巷道的绝对坐标设于巷道900 内。具体地，如图2所示，追踪仪100可以选择激光追踪仪，例如标靶球。标靶球在巷道内可以设置为六个，分别为第一标靶球110、第二标靶球120、第三标靶球130、第四标靶球140、第五标靶球150和第六标靶球160，巷道900的两端分别设置为三个，其中，可以先设置第一标靶球110、第二标靶球120、和第三标靶球130，随着巷道900挖掘的伸入，再设置第四标靶球140、第五标靶球150和第六标靶球160，等挖到第四标靶球140、第五标靶球150和第六标靶球160的位置，再人工撤掉，在沿工作路径的方向上再次设置。多个标靶球均设于巷道内，标靶球的设置位置根据如下方式确定：首先获取巷道地质资料，以确定巷道绝对坐标值，然后利用绝对坐标值在巷道中布设标靶球。这时，激光雷达通过扫描标靶球和巷道900 获取扫描信息，然后将扫描信息发送给处理装置500，处理装置500经过分析计算获取巷道虚拟地图。

实施例3：

本实施例提供了一种掘进机工作系统10。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征。

系统还包括无线通讯模块800，用于接收扫描信息、截割断面信息R2 和工作路径信息R1，并将截割断面信息R2和工作路径信息R1发送至控制器600，用于控制掘进机本体700的动作。

掘进机是移动工作的，因此无法通过电缆进行连接。但由于实时解算时，基准站的位置数据对掘进机导航算法来说是比较重要的，因此本实施例采用无线通讯模块800在扫描仪和处理装置之间建立数据连接。

无线通讯模块800可用于接收激光雷达的扫描信息，并将扫描信息发送至处理装置500，同时接收处理装置计算之后获取的工作路径信息R1，并将路径信息发送至控制器，以通过控制器控制掘进机本体的动作。

实施例4：

本实施例提供了一种掘进机工作系统10。除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征。

掘进机工作系统10，包括：追踪仪100、信息获取装置200、无线通讯模块800、惯性导航装置300、截割位置获取传感器400、处理装置500 和控制器600。

标靶球在巷道内可以设置为六个，巷道的两端分别设置为三个。具体地，追踪仪100可以选择激光追踪仪，例如标靶球。标靶球在巷道内可以设置为六个，分别为第一标靶球110、第二标靶球120、第三标靶球130、第四标靶球140、第五标靶球150和第六标靶球160，巷道900的两端分别设置为三个，其中，可以先设置第一标靶球110、第二标靶球120、和第三标靶球130，随着巷道900挖掘的伸入，再设置第四标靶球140、第五标靶球150和第六标靶球160，等挖到第四标靶球140、第五标靶球150和第六标靶球160的位置，再人工撤掉，在沿工作路径的方向上再次设置。当完成一个工作循环后，移动标靶球，开始下一个工作循环的工作，往复循环进行自主工作，可以实现掘进机的无人化自主截割工作。

多个标靶球均设于巷道内，标靶球的设置位置根据如下方式确定：首先获取巷道地质资料，以确定巷道绝对坐标值，然后利用绝对坐标值在巷道中布设标靶球。这时，激光雷达通过扫描标靶球和巷道900获取扫描信息，然后将扫描信息发送给处理装置500，处理装置500经过分析计算获取巷道虚拟地图。

信息获取装置200和惯性导航装置300均设于掘进机本体700的顶部，信息获取装置200选用激光雷达，用于扫描巷道900，以通过扫描信息获取巷道虚拟地图。在掘进机本体700工作之前，通过信息获取装置200对巷道900进行全方向扫描。标靶球根据巷道的绝对坐标设于巷道内，在随掘进机本体700前进的过程中，激光雷达不断扫描巷道表面，这时，激光雷达通过扫描标靶球获取扫描信息，然后将扫描信息发送给处理装置500，处理装置500经过分析计算获取巷道虚拟地图。处理装置500再结合掘进机本体姿态和位置数据R4、掘进机本体700的截割位置数据R3和掘进机本体状态数据R5，在虚拟地图的基础上获取巷道地图。

无线通讯模块800接收激光雷达的扫描信息并发送至处理装置500，经过处理装置500的计算分析获取虚拟地图。

惯性导航装置300通过检测掘进机本体700的姿态，以获取掘进机本体姿态和位置数据。

截割位置获取传感器400通过检测掘进机本体700的截割部及其他油缸状态，以获取掘进机截割位置数据R3。

处理装置500设于远程控制室内，用于接收虚拟地图、掘进机本体姿态和位置数据、掘进机截割位置数据R3和掘进机本体状态数据R5，以获取巷道地图。处理装置500结合虚拟地图和接收到的掘进机本体姿态和位置数据、掘进机截割位置数据R3和掘进机本体状态数据R5，获取巷道地图。

控制器600用于接收掘进机本体姿态和位置数据、掘进机截割位置数据 R3、工作路径信息R1，并向掘进机发出动作指令。控制器600是整个掘进机姿态控制系统的核心。控制器600完成各种信号的收集，通过算法计算掘进机和截割头的位置和姿态信息，并与控制驱动形成闭环控制，从而最终实现掘进机的自动驾驶与截割头动作自动控制。

由此看见，本实用新型的掘进机工作系统的工作方法是，首先获取巷道虚拟地图，然后根据在虚拟地图的基础上结合相关传感器的数据获取巷道地图和掘进机本体700的工作路径信息R1，掘进机根据工作路径信息 R1自主工作。具体地，该工作系统通过信息获取装置200获取巷道扫描信息，然后经过处理装置500分析处理获取巷道虚拟地图，再结合姿态和位置数据以及截割部状态数据，处理装置500计算出掘进机本体700的行进路径信息，以实现掘进机的姿态控制和截割，完成掘进机本体700的自主工作。

该工作系统通过信息获取装置200获取巷道信息，然后经过处理装置 500分析处理获取巷道虚拟地图，再结合姿态和位置数据以及截割部状态数据，处理装置500获取巷道地体，再计算出掘进机本体700的行进路径信息，以实现掘进机的姿态控制和截割，完成掘进机本体700的自主工作。

实施例5：

本实施例提供了一种应用上述掘进机工作系统10的工作方法，以使掘进机实现自主工作。

如图4所示，掘进机工作方法包括如下步骤：

S102：获取巷道虚拟地图。

S104：获取巷道地图和工作路径信息R1。

S106：掘进机根据工作路径信息R1工作。

实施例6：

本实施例提供了一种掘进机工作方法，除上述实施例的技术特征之外，本实施例还包括以下技术特征。

获取巷道虚拟地图的步骤S102中，还包括如下步骤：通过获取巷道地质资料，以确定巷道绝对坐标值，通过绝对坐标值获取基础坐标信息并储存于处理装置500中，处理装置500通过激光雷达发送过来的扫描信息获取巷道虚拟地图。

获取巷道地图和工作路径信息R1的步骤S104中，处理装置500获取巷道虚拟地图后，结合惯性导航装置3发送过来的掘进机本体姿态和位置数据、截割位置获取传感器400发送过来的掘进机截割位置数据R3以及掘进机本体状态数据R5，获取巷道地图，同时在巷道地图内生成工作路径信息R1。

掘进机根据工作路径信息R1工作的步骤S106中，掘进机上的惯性导航装置300获取的数据和截割位置获取传感器400数据进入掘进机的控制器600，控制器600结合工作路径信息R1，利用相关算法和路径信息，控制掘进机本体700自主截割，完成自主工作。实施例7：

本实施例提供了一种应用上述掘进机工作系统10的工作方法，以使掘进机在限定的工作范围内实现自主工作。

在处理装置获取巷道地图和工作路径信息R1的同时，获取巷道断面图，巷道断面图作为掘进机本体700工作的限定范围。

综上，本实用新型实施例的有益效果为：

1.能够快速地获取巷道工作面和掘进机的坐标信息；

2.可确定巷道及掘进机的位置关系；

3.有利于指导掘进机本体700工作路径，完成巷道自主截割成型；

4.传感器之间相互校正、相互依存，保证数据准确，有利于提高精度。

在本实用新型中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“上”、“下”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或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。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种掘进机工作系统，用于控制掘进机本体开挖巷道，所述掘进机本体上设有液压传动部位，其特征在于，包括：

信息获取装置，设于掘进机本体上，用于获取信息；

惯性导航装置，用于获取掘进机本体姿态和位置数据；

截割位置获取传感器，用于获取掘进机截割位置数据；

处理装置，用于接收所述信息获取装置的信息、所述掘进机本体姿态和位置数据以及所述掘进机截割位置数据，以获取巷道地图和工作路径信息；

控制器，用于接收所述掘进机本体姿态和位置数据、所述掘进机截割位置数据和所述工作路径信息，并向所述掘进机本体发出动作指令。

2.根据权利要求1所述的掘进机工作系统，其特征在于，还包括：

多个追踪仪，根据所述巷道的绝对坐标设于所述巷道内。

3.根据权利要求2所述的掘进机工作系统，其特征在于，

所述追踪仪为激光追踪仪。

4.根据权利要求3所述的掘进机工作系统，其特征在于，

所述激光追踪仪为标靶球。

5.根据权利要求1所述的掘进机工作系统，其特征在于，还包括：

无线通讯模块，用于接收所述信息获取装置获取的信息、截割断面信息和所述工作路径信息，并将所述截割断面信息和所述工作路径信息发送至所述控制器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的掘进机工作系统，其特征在于，

所述信息获取装置为扫描仪。

7.根据权利要求6所述的掘进机工作系统，其特征在于，

所述扫描仪为激光雷达。

Images