综掘机械装备的自动导航控制系统技术方案

本实用新型专利技术涉及综合机械化掘进机控制技术领域，具体涉及一种综掘机械装备的自动导航控制系统；包括固定于综掘机机身之上的IMU惯性测量单元和里程计、安装于掘进机的机身内的自动导航控制系统计算机、设置在综掘机内部的综掘机机身和炮头控制油路、设置在综掘机驾驶位左侧的综掘机报警系统；实现综掘机及其炮头位姿的高精度自动检测、控制，提高综掘机的掘进效率，降低工人劳动强度，适用于煤矿井下掘进工作面的自动自动导航控制控制工作需要，特别是能够实现综掘机掘进距离、方向以及炮头边界的精确控制，保证掘进轨迹、煤壁截割整齐，实现掘进过程中综掘机机身及炮头位姿的闭环控制。

Automatic navigation control system for fully mechanized excavation equipment

The utility model relates to the technical field of integrated mechanized roadheader control, in particular to an automatic navigation and control system for comprehensive mechanized roadheader equipment, which comprises an IMU inertial measuring unit and an odometer fixed on the fuselage of the comprehensive roadheader, an automatic navigation and control system computer installed in the fuselage of the comprehensive roadheader, and a computer installed in the comprehensive roadheader. Fully mechanized tunneling machine body and gun head control oil circuit, set in the driving position of the left side of the fully mechanized tunneling machine alarm system; to achieve high-precision automatic detection and control of the position and posture of the fully mechanized tunneling machine and its gun head, improve the tunneling efficiency of the fully mechanized tunneling machine, reduce the labor intensity, suitable for the coal mine underground tunneling face automatic navigation control The control work needs, especially to realize the accurate control of the heading distance, direction and the edge of the head of the fully mechanized tunneling machine, to ensure that the heading trajectory and the cutting of the coal wall are neat, and to realize the closed-loop control of the position and attitude of the body and the head of the fully mechanized tunneling machine in the process of tunneling.

【技术实现步骤摘要】
综掘机械装备的自动导航控制系统
本技术涉及综合机械化掘进机（综掘机）控制
，具体涉及一种综掘机械装备的自动导航控制系统及控制方法。
技术介绍
当前煤矿井下掘进工作面的综掘机位置和位姿测定工作，仅利用激光指向仪为综掘机在掘进过程中提供指向辅助，综掘机机身的具体位姿仍需通过人工来加以判断，无法实现综掘机位姿的自动导航控制，更无法实现对综掘机炮头边界（X、Y方向，如图1所示）的精确控制。整个掘进控制过程为人工、开环控制，无法实现综掘机掘进边界、机身和炮头位姿的自动控制。这不仅严重地影响井下工作面的掘进准确性，而且掘进的效率、安全性也无法得到保证。因此，有必要设计一种综掘机械装备自动导航控制系统，以实现综掘机自身及其炮头位姿的自动监测与闭环控制。
技术实现思路
本技术为解决当前煤矿井下掘进工作面的综掘机位置和位姿测定工作中，机身的具体位姿仍需通过人工来加以判断，无法实现综掘机掘进边界、机身和炮头位姿的自动控制的技术问题，提供一种综掘机械装备的自动导航控制系统。为解决上述技术问题，本技术所采用的技术方案为：一种综掘机械装备的自动导航控制系统，包括固定于综掘机机身之上的IMU惯性测量单元和里程计、安装于掘进机的机身内的自动导航控制系统计算机、设置在综掘机内部的综掘机机身和炮头控制油路、设置在综掘机驾驶位左侧的综掘机报警系统；IMU惯性测量单元和里程计、自动导航控制系统计算机及综掘机机身和炮头控制油路为输出部件，IMU惯性测量单元、里程计、综掘机机身和炮头控制油路均与自动导航控制系统计算机保持实时通讯；IMU惯性测量单元和里程计同样也是输入部件，监测综掘机机身的位姿变化信号，自动导航控制系统计算机为自动导航控制系统中间部分，负责接受IMU惯性测量单元和里程计发出的信号，并与综掘机机身和炮头的控制油路和综掘机报警系统保持通讯联系，形成闭环控制系统。本技术综掘机械装备的自动导航控制系统各部分的功能作用为：IMU惯性测量单元，包含三个激光陀螺仪和三个加速度计，使用综掘机电源，主要用于测量综掘机位姿信息。里程计，具备防爆和无线通讯功能，主要用于测量综掘机位置信息。自动导航控制系统计算机，用于运行自动导航控制系统软件，安装于掘进机的机身内（封装、预留数据输入、存储与输出接口-SUB接口），具备防爆和无线通讯功能。综掘机机身和炮头控制油路，负责控制炮头的各种截割动作。综掘机报警系统，负责接收自动导航控制系统计算机发出的报警指令，能够发出灯光、声音信号。所述综掘机械装备的自动导航控制系统的控制过程如下：首先，向自动导航控制系统计算机导入预设的巷道掘进轨迹，确定测量基准点，并以该点为基准，调整综掘机的初始姿态，以保证机身、炮头纵轴方向中心线与设计掘进轨迹的中心线基本重合于一条直线；然后，IMU惯性测量单元和里程计接受数据,获取综掘机及其炮头的实时位置、位姿信息、并将信号发送至自动导航控制系统计算机；最后，自动导航控制系统计算机将实时掘进轨迹在控制软件中计算,并以数字和图形的形式显示在计算机的屏幕上，自动导航控制系统的控制软件中包含综掘机机身位姿的误差计算与补偿模块，补偿模块在综掘机机身位姿误差累计到一定值时，通过控制软件中包含的IMU惯性测量单元和里程计的数学模型，计算相应的误差补偿量，对综掘机机身和炮头位姿进行相应的调整控制；同时自动导航控制系统计算机实时地监测综掘机炮头的截割角度，进行炮头的边界控制：当炮头接近设计的煤壁截割边界时，自动导航控制系统计算机向综掘机报警系统发出信号，综掘机报警系统发出灯光和声音报警；当炮头越界截割时，自动导航控制系统计算机向综掘机机身和炮头控制油路发出信号，其控制油路自动锁死，并进行相应地回调，保证煤壁的截割整齐。与现有技术相比本技术具有以下有益效果：本技术的自动导航控制系统及其控制方法可自动确定综掘机的位置、位姿、掘进距离和轨迹，并能实时地监测综掘机炮头的截割角度，与综掘工作面的设计轨迹进行对比，对综掘机机身位姿、炮头的截割边界进行自动控制，保证掘进轨迹与煤壁的截割整齐，当炮头接近设计的煤壁截割边界时，综掘机报警系统发出不同级别的灯光、声音报警；当综掘机机身偏离设计轨迹或炮头越界截割时，其控制油路自动锁死，并进行相应地回调控制。本技术保证了综掘机工作的准确性，提高了生产效率，降低了工人的劳动强度，适用于各种井下掘进工作面的掘进工作，能使煤矿企业获得更大的经济效益，同时推动煤矿井下的自动化设备升级。本技术采用模块化设计思想，可适用于不同掘进要求的掘进工作面，并采用无线信号传输，计算机信号处理，实时性好、精度高、噪音低，能够实现精密控制，易于升级。附图说明图1为技术综掘机械装备的自动导航控制系统的结构示意图。图2为综掘机掘进边界示意图。图中标记如下：1-IMU惯性测量单元，2-里程计，3-自动导航控制系统计算机，4-综掘机机身和炮头控制油路，5-综掘机报警系统，6-基准点,7-掘进面，8-煤层。具体实施方式以下结合具体实施例对本技术作进一步说明。实施例1如图1所示，一种综掘机械装备的自动导航控制系统，包括固定于综掘机机身之上的IMU惯性测量单元1和里程计2、安装于掘进机的机身内的自动导航控制系统计算机3、设置在综掘机内部的综掘机机身和炮头控制油路4、设置在综掘机驾驶位左侧的综掘机报警系统5；IMU惯性测量单元1和里程计2、自动导航控制系统计算机3及综掘机机身和炮头控制油路4为输出部件，IMU惯性测量单元1、里程计2、综掘机机身和炮头控制油路4均与自动导航控制系统计算机3保持实时通讯；IMU惯性测量单元1和里程计2同样也是输入部件，监测综掘机机身的位姿变化信号，自动导航控制系统计算机3为自动导航控制系统中间部分，负责接受IMU惯性测量单元1和里程计2发出的信号，并与综掘机机身和炮头的控制油路4和综掘机报警系统5保持通讯联系，形成闭环控制系统。IMU惯性测量单元1和里程计2、自动导航控制系统计算机3及综掘机机身和炮头控制油路4为输出部件，IMU惯性测量单元1和里程计2检测综掘机机身的位姿实时数据，综掘机机身和炮头控制油路4发出的控制指令，均与自动导航控制系统计算机3保持实时通讯；IMU惯性测量单元1和里程计2同样也是输入部件，监测综掘机机身的位姿变化信号，自动导航控制系统计算机3为自动导航控制系统中间部分，负责接受IMU惯性测量单元1和里程计2发出的信号，并与综掘机机身和炮头的控制油路4和综掘机报警系统5保持通讯联系，形成闭环控制系统。所述的综掘机械装备的自动导航控制系统的控制过程如下：首先，向自动导航控制系统计算机3导入预设的巷道掘进轨迹，确定测量基准点，并以该点为基准，调整综掘机的初始姿态，以保证机身、炮头纵轴方向中心线与设计掘进轨迹的中心线基本重合于一条直线（机身、炮头纵轴方向中心线与设计掘进轨迹的中心线基本重合于一条直线L，如图2所示）；然后，IMU惯性测量单元1和里程计2接受数据,获取综掘机及其炮头的实时位置、位姿信息、并将信号发送至自动导航控制系统计算机3；最后，自动导航控制系统计算机3将实时掘进轨迹在控制软件中计算,并以数字和图形的形式显示在计算机的屏幕上，自动导航控制系统的控制软件中包含综掘机机身位姿的误差计算与补偿模块，补偿模块在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种综掘机械装备的自动导航控制系统，其特征在于，包括固定于综掘机机身之上的IMU惯性测量单元（1）和里程计（2）、安装于掘进机的机身内的自动导航控制系统计算机（3）、设置在综掘机内部的综掘机机身和炮头控制油路（4）、设置在综掘机驾驶位左侧的综掘机报警系统（5）；IMU惯性测量单元（1）和里程计（2）、自动导航控制系统计算机（3）及综掘机机身和炮头控制油路（4）为输出部件，IMU惯性测量单元（1）、里程计（2）、综掘机机身和炮头控制油路（4）均与自动导航控制系统计算机（3）保持实时通讯；IMU惯性测量单元（1）和里程计（2）同样也是输入部件，监测综掘机机身的位姿变化信号，自动导航控制系统计算机（3）为自动导航控制系统中间部分，负责接受IMU惯性测量单元（1）和里程计（2）发出的信号，并与综掘机机身和炮头的控制油路（4）和综掘机报警系统（5）保持通讯联系，形成闭环控制系统。

【技术特征摘要】
1.一种综掘机械装备的自动导航控制系统，其特征在于，包括固定于综掘机机身之上的IMU惯性测量单元（1）和里程计（2）、安装于掘进机的机身内的自动导航控制系统计算机（3）、设置在综掘机内部的综掘机机身和炮头控制油路（4）、设置在综掘机驾驶位左侧的综掘机报警系统（5）；IMU惯性测量单元（1）和里程计（2）、自动导航控制系统计算机（3）及综掘机机身和炮头控制油路（4）为输出部件，IMU惯性测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁春豪，丛佩超，梁婧玉，李丽绒，
申请(专利权)人：山西焦煤集团有限责任公司，
类型：新型
国别省市：山西,14