具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明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发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

如图1所示，根据本发明的一个实施例的控制方法，包括如下步骤：步骤102，获取采掘设备的机身姿态方位信息；步骤104，获取液压缸位移数据和截割臂角度数据；步骤106，根据机身姿态方位信息、液压缸位移数据和截割臂角度数据，确定截割头的位姿参数，根据位姿参数控制截割动作。该方法适用于采掘设备，采掘设备包括机身(又称车身)、设置在机身上的截割臂、设置在截割臂上的截割头以及驱动截割头进行伸缩的液压缸。

在该实施例中，为减少超挖现象，提高截割作业质量，在控制截割动作的过程中，充分考虑到采掘设备的机身位置，通过(高精度惯性导航装置)获取机身姿态方位信息，结合巷道断面的具体参数，能够准确获知采掘设备机身与巷道的相对位置，进而用于指导截割头的位姿确定流程。进一步地，根据实时采集到的机身姿态方位信息(指示采掘设备在巷道中的位置以及姿态)、液压缸位移数据(指示截割头伸缩距离)和截割臂角度数据(指示截割臂与巷道中轴线之间的夹角)共同决定截割动作，只需要在采掘设备开始截割动作前通过上位机操作界面输入巷道断面的长、宽、高就能够进行自动截割，采掘设备在截割作业过程中不需要进行人工干预。相较于现有的人工目测截割臂(截割头)和巷道断面决定截割动作的方案，不需要人工操作截割过程，具有更高的截割精确度。相较于现有的自动化截割控制方案，其输入参数更少，更方便控制，降低人工成本。

根据上述实施例的控制方法，还可以选择在采掘设备工作的井上、井下安装客户端操作台，实时将截割头姿态信息、可视化系统监控视频数据、机身各电机电压电流参数、系统采集的参数、截割轨迹监控等信息发送至显示屏，用于显示和远程操作，同时进行远程参数设置。进一步提升采掘设备的可操作性。

根据上述任一实施例的控制方法，可选地，根据位姿参数控制截割动作，具体包括：根据巷道断面的形状与参数，控制截割头自上而下进行多次水平截割，并记录水平截割次数，其中，单次水平截割包括：从巷道断面的一侧开始截割，沿水平方向截割至巷道断面的另一侧结束，从而完成单次水平截割；完成单次水平截割后，降低截割头高度，以使截割头处于下一个水平截割过程的初始位置；每次降低截割头的高度后，当前水平截割过程的截割路径与上次水平截割过程的截割路径方向相反；完成多次水平截割后，沿巷道断面的边缘轮廓进行修边截割。

在该实施例中，截割头的路径规划包括：从巷道上方至下方进行多次水平截割，自上而下的截割路径有效降低巷道顶板被超挖的风险，每次完成水平截割后降低截割头高度，进入下一层的水平截割；降低截割头位置后不需要控制截割头回到巷道的起始侧，有利于惯性导航系统进行对点修正，再结合巷道断面参数的限制，进一步降低了巷道侧壁超挖风险。每次开始新一层的截割动作均伴随着截割头运动方向的改变，总体上截割头的运行轨迹为S形(蛇形)路径，降低截割头多次复位(回到起始点)带来的定位误差。最后沿着巷道断面的边缘轮廓进行修边截割，由于断面形状和参数为确定的常数，根据巷道断面的形状和参数进行最后的修边截割，提高了截割作业的精确度。

根据上述任一实施例的控制方法，可选地，根据位姿参数控制截割动作，具体还包括：根据水平截割次数以及截割头初始路径方向，确定截割头当前的路径方向。

在该实施例中，对水平截割过程进行计数，并记录第一次水平截割的行进方向，根据每次水平截割均会改变截割头行进方向的路径规划，可确定实时的截割头路径方向(行进方向)。例如，从巷道断面的左上角开始，从左向右完成一次水平截割，截割头移动至巷道的右侧，之后截割头降低相当于截割头直径的高度，从右向左完成第二次水平截割，则在奇数次的水平截割过程中，截割头从左往右移动，在偶数次的水平截割过程中，截割头从右往左移动。

根据上述任一实施例的控制方法，可选地，根据位姿参数控制截割动作，具体还包括：根据截割臂角度数据以及机身姿态方位信息确定液压缸伸缩补偿量，并根据液压缸伸缩补偿量控制截割动作。

在该实施例中，采掘设备机身的偏移和/或截割臂在水平方向上的偏移均会导致截割头与巷道断面相对距离的改变，在水平截割过程中加入实时的截割头液压缸伸缩补偿能够有效提高巷道断面的截割质量，进一步地，考虑到采掘设备机身与巷道相对位置的改变会影响截割头的位姿，所以本申请提出在制定液压缸伸缩补偿量的过程中结合机身姿态方位信息和截割臂角度数据确定截割头的位姿，根据查表法能够得到具体的补偿量数值。

根据上述任一实施例的控制方法，可选地，确定液压缸伸缩补偿量的过程，具体包括：根据机身姿态方位信息确定截割头在巷道断面中的位置信息；根据截割臂角度数据确定截割臂与巷道中轴线的之间的夹角信息；根据液压缸位移数据、截割臂的长度信息、位置信息和夹角信息确定液压缸伸缩补偿量。

在该实施例中，液压缸伸缩量的补偿方式采用实时反馈的截割头位姿信息，通过主控制器进行查表法得到油缸补偿量数据。具体地，根据机身姿态方位信息能够获取截割头在巷道断面中的坐标，根据截割臂偏转角度能够确定截割臂与巷道中轴线的夹角，根据截割臂长度和实时的液压缸位移距离能够确定截割头与地面之间的直线距离，由于截割臂、地面和巷道断面三者组成了直角三角形，据此可实时修正截割头位置，进行液压缸伸缩补偿。

根据上述任一实施例的控制方法，可选地，获取采掘设备的机身姿态方位信息，具体包括：根据陀螺仪和加速度计采集到的实时数据，确定采掘设备的机身姿态方位信息，以获取掘进设备在巷道中的相对位置。该实施例根据设置在机身上的高精度陀螺仪和加速度计获取采掘设备的机身姿态方位信息，从而确定掘进设备与两侧巷道壁的相对位置，从而根据掘进设备与两侧巷道壁的相对位置调整截割头位姿参数，保证截割精确度，降低超挖风险。

在该实施例中，依靠惯导系统使用高精度陀螺仪和加速度计，实现全自主的机身姿态方位信息的获取，精准定位采掘设备在巷道中的相对位置，同时液压缸内的位移传感器、机身上的角度传感器将数据实时传送给主控制器，经主控制器解析后发送给惯性导航系统，惯导系统结合采掘设备的智能实时传感器网络发出的多传感器信息，经精确的模型计算得出实时的截割头位姿参数，并将参数传送给主控器用来控制截割动作。

根据上述任一实施例的控制方法，获取液压缸位移数据和截割臂角度数据，具体包括：根据设置在液压缸上的位移传感器采集到的实时数据确定液压缸位移数据，以获取截割头的截割深度。根据设置在机身上的角度传感器采集到的实时数据确定截割臂角度数据，以获取截割臂与巷道中轴线之间的水平夹角。当截割臂与巷道中轴线处于同一竖直平面(垂直于地面的平面)时，夹角为0。

在该实施例中，液压缸设置在截割头与截割臂之间，通过液压缸的伸缩可控制截割深度(截深)，由位移传感器采集液压缸的位移数据，从而确定每一时刻下液压缸、截割头和截割臂的整体长度。设置在采掘设备机身上的角度传感器则用于检测截割臂与巷道中轴线之间的水平夹角，若截割臂能够独立旋转，角度传感器可设置在截割臂的旋转机构(例如，旋转油缸)中，若截割臂随机身旋转，则角度传感器可设置在机身上。

实施例二

如图2所示，是根据本发明的一个实施例的控制方法的系统构架示意图，在掘进机的实际应用场景中，其涉及到的系统结构包括：位移、角度传感网络；主控制器；掘进机动作执行系统；惯性导航系统；位姿监控系统和远程操作系统。其中，位移、角度传感网络用于获取液压缸位移数据和截割臂角度数据，惯性导航系统用于获取掘进机的机身姿态方位信息，主控制器用于根据惯性导航系统和位移、角度传感网络的数据控制掘进机动作执行系统(包括截割臂、截割头、履带组件等动作组件及相应的驱动装置)，以实现截割动作，位姿监控系统和远程操作系统则用于进行实时数据展示和远程操作。

在该实施例中，惯性导航系统使用高精度陀螺仪和加速度计，实现全自主掘进机机身姿态方位信息的获取，精准定位掘进机在巷道中的相对位置。油缸内的位移传感器、机身的角度传感器将数据实时传送给主控制器，经主控制器解析后发送给惯性导航系统。惯性导航系统结合掘进机智能实时传感器网络发出的多传感器信息，经精确的模型计算得出实时的截割头位姿参数，并将参数传送给主控器用来控制截割动作。在井上、井下安装了客户端操作台，实时将截割头姿态信息、可视化系统监控视频数据、掘进机机身各电机电压电流参数、系统采集的参数、截割轨迹监控等信息发送至显示屏，用于显示和远程操作，同时进行远程参数设置。

实施例三

如图3所示，是根据本发明又一个实施例的控制方法的示意流程图，该控制方法基于实施例二提出的掘进机系统构架，控制方法包括：步骤S202，截割头位姿系统初始化；步骤S204，惯性导航系统自动校准；步骤S206，截割头巷道断面空间位置对点修正；步骤S208，截割头初始位置确定；步骤S210，截割路径规划；步骤S212，掘进机油缸补偿量计算；步骤S214，控制量输出；步骤S216，断面自动截割。

在该实施例中，路径规划包括：从巷道左上角开始截割，整体由上往下进行多次水平截割，这样既方便于惯导系统完成对点修正后不用回到初始位置，而且这种设计方式利于保护顶板不被超挖。油缸伸缩量的补偿方式采用实时反馈的截割头位姿信息，通过主控制器进行查表法得到油缸补偿量数据。截割过程采用计数方式，通过判断计数的奇偶性可获知截割头处于从左往右或从右往左的路径点上。该控制方法可以实现一键启动的自动截割，具体根据规划路径进行截割工作，其中不需要任何其他操作。上位机界面参数只需设置巷道的长宽高，便于操作。

实施例四

下面将结合图4至图9说明本申请提出的控制方法在掘进机设备中的具体应用情况：

如图4所示，是根据本发明又一个实施例的控制方法的示意流程图，其应用在掘进机中，该控制方法包括：步骤S402，上电初始化，count清零；步骤S404，截割头位置校准；步骤S406，count＝count+1(即每完成一次水平截割，截割次数增加1)；步骤S408，count(进行水平截割次数统计，若没有统计次数数据则程序结束)；步骤S410，count为奇数(水平截割计数为奇数)时进入步骤S412，否则进入A流程(参见图5)；步骤S412，启动回转油缸右转；步骤S414，读取截割头横移距离|x1-x2|(参见图7)；步骤S416，拟合横移距离与伸缩补偿量关系式；步骤S418，查表法(获取补偿量数值)；步骤S420，启动伸缩油缸进行截深补偿；步骤S422，(截割头)到达右边界报警；步骤S424，停止右回转动作；步骤S426，启动升降油缸；步骤S428，(截割头)下降截割头直径长度的距离；步骤S430，到达下一个截割初始位置，(完成一次水平截割，计数加1)；

上述步骤主要说明了水平截割计数数值为奇数时，掘进机所执行的步骤，当水平截割计数数值为偶数时则如图5所示：图4中的A部分连接图5中的A部分，图4中的B部分连接图5中的B部分，该控制方法还包括：步骤S502，启动油缸左转；步骤S504，读取截割头横移距离|x1-x2|(参见图7)；步骤S506，拟合横移距离与伸缩补偿量关系式；步骤S508，查表法(获取补偿量数值)；步骤S510，启动伸缩油缸进行截深补偿；步骤S512，(截割头)到达左边界报警；步骤S514，停止左回转动作；步骤S516，启动升降油缸；步骤S518，(截割头)下降截割头直径长度的距离；步骤S520，到达下一个截割初始位置，(完成一次水平截割，计数加1)。

如图6所示，是掘进机在巷道中工作时的示意图，图中：中轴线6是巷道的中轴线，截割臂3与中轴线6的水平夹角为θ，掘进机的机身4在巷道5中行进，机身4上设有截割臂3，截割臂3通过伸缩油缸2连接有截割头1。

上位计算机根据设计的断面形状与参数，规划出巷道5的断面的截割预设轨迹(参见图9)，截割时先从巷道左上角开始沿轨迹AB，再向下沿着CD、EF、GH截割，最后沿着HED、圆弧DIC、CFG进行修边工作。整个断面在水平截割时都进行伸缩油缸2的伸缩量补偿，其中伸缩补偿量的计算根据掘进机截割头1位置与巷道断面的空间位置关系，建立对应的空间三维坐标系，坐标系如图8所示，x轴代表截割时的水平方向，y轴代表巷道5的竖直方向，z轴代表截割头1的截深。

伸缩补偿量的确定：通过惯性导航系统实时给出截割头1在巷道断面中的(x，y)，同时利用角度传感器数值计算每一时刻截割臂3与中轴线6之间的水平夹角，如图7中的水平夹角θ，截割臂L，以及伸缩油缸有补偿时悬臂总长度L1、L2等。其中截割臂与中轴线在同一竖直平面内时，夹角θ＝0。在任意时刻，悬臂与断面水平方向，中轴线同处在一个直角三角形。根据这个关系可以计算，在水平截割时，随着截割头位置的变化，相应在Z轴的油缸伸缩补偿量s。计算公式如下：

然后实时地将路径点对应的轨迹参数下传给主控制器，主控制器将油缸伸缩补偿量与不同路径点的水平位置距离拟合为高阶非线性曲线，截割时主控制器采用查表法输出需要补偿的伸缩量，并通过输出电液比例阀的控制电压，驱动油缸系统，完成断面自动截割工作。

实施例五

如图10所示，根据本发明的一个实施例的控制装置1000，包括：存储器1002、处理器1004及存储在存储器1002上并可在处理器1004上运行的程序，程序被处理器1004执行时实现如上述任一实施例的控制方法的步骤。该控制装置1000包括如上述任一项实施例的控制方法的全部有益效果，在此不再赘述。

实施例六

如图11所示，根据本发明的一个实施例的采掘设备1100，包括：实施例三所述的控制装置1000；机身；截割臂，截割臂的一端与机身可活动连接，截割臂的另一端安装有截割头；截割头被配置为由液压缸带动，能够沿截割臂的长度方向进行伸缩。控制装置1000运行时能够实现：获取采掘设备的机身姿态方位信息；获取液压缸位移数据和截割臂角度数据；根据机身姿态方位信息、液压缸位移数据和截割臂角度数据，确定截割头的位姿参数，根据位姿参数控制截割动作。因此该采掘设备1100包括如上述任一实施例的控制方法的全部有益效果，在此不再赘述。

实施例七

如图12所示，根据本发明的一个实施例，还提供了一种计算机可读存储介质1200，其上存储有计算机程序1202，上述计算机程序1202被执行时实现上述任一实施例限定的控制方法。

在该实施例中，计算机程序1202被执行时实现：获取采掘设备的机身姿态方位信息；获取液压缸位移数据和截割臂角度数据；根据机身姿态方位信息、液压缸位移数据和截割臂角度数据，确定截割头的位姿参数，根据位姿参数控制截割动作。

根据上述技术方案的计算机程序1202，可选地，根据位姿参数控制截割动作，具体包括：根据巷道断面的形状与参数，控制截割头自上而下进行多次水平截割，并记录水平截割次数，其中，单次水平截割包括：从巷道断面的一侧开始截割，沿水平方向截割至巷道断面的另一侧结束，从而完成单次水平截割；完成单次水平截割后，降低截割头高度，以使截割头处于下一个水平截割过程的初始位置；每次降低截割头的高度后，当前水平截割过程的截割路径与上次水平截割过程的截割路径方向相反；完成多次水平截割后，沿巷道断面的边缘轮廓进行修边截割。

根据上述技术方案的计算机程序1202，可选地，根据位姿参数控制截割动作，具体还包括：根据水平截割次数以及截割头初始路径方向，确定截割头当前的路径方向。

根据上述技术方案的计算机程序1202，可选地，根据位姿参数控制截割动作，具体还包括：根据截割臂角度数据以及机身姿态方位信息确定液压缸伸缩补偿量，并根据液压缸伸缩补偿量控制截割动作。

根据上述技术方案的计算机程序1202，可选地，确定液压缸伸缩补偿量的过程，具体包括：根据机身姿态方位信息确定截割头在巷道断面中的位置信息；根据截割臂角度数据确定截割臂与巷道中轴线的之间的夹角信息；根据液压缸位移数据、截割臂的长度信息、位置信息和夹角信息确定液压缸伸缩补偿量。

根据上述技术方案的计算机程序1202，可选地，获取采掘设备的机身姿态方位信息，具体包括：根据陀螺仪和加速度计采集到的实时数据，确定采掘设备的机身姿态方位信息，以获取掘进设备在巷道中的相对位置。该实施例根据设置在机身上的高精度陀螺仪和加速度计获取采掘设备的机身姿态方位信息，从而确定掘进设备与两侧巷道壁的相对位置，从而根据掘进设备与两侧巷道壁的相对位置调整截割头位姿参数，保证截割精确度，降低超挖风险。

根据上述技术方案的计算机程序1202，可选地，获取液压缸位移数据和截割臂角度数据，具体包括：根据设置在液压缸上的位移传感器采集到的实时数据确定液压缸位移数据，以获取截割头的截割深度。根据设置在机身上的角度传感器采集到的实时数据确定截割臂角度数据，以获取截割臂与巷道中轴线之间的水平夹角。

根据上述实施例，本发明提供了一种控制方法、装置、采掘设备、和计算机可读存储介质，一方面能够提高截割头的截割精度，减少巷道超挖现象，另一方面控制过程不需要人工干预，自动化程度高，降低了操作难度，减少了操作误差导致的安全隐患。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程控制设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程控制设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程控制设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程控制设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离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。