掘进机自主定位定向系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种掘进机自主定位定向系统及方法，属于掘进机自主巡航领域。该系统包括可编程计算机控制器；自主行走式定位基站群；陀螺寻北仪；倾角传感器；掘进机机身定位匣。其中，定位基站群相对于巷道坐标系位置已知，当掘进机行进时，使用超宽带无线电脉冲测距法，依次检测机身3个定位匣相对于定位基站群的三维坐标，并根据三维坐标，解算掘进机位姿参数。当掘进机停止时，通过陀螺寻北仪及倾角传感器对掘进机位姿参数进行再次矫正。当掘进机行进距离超过系统有效检测范围时。4个自主行走式定位基站按照自主标定策略依次向前移动，同时进行基站三维坐标更新。从而在巷道掘进中，实现掘进机完全自主化的定位定向。

【技术实现步骤摘要】
掘进机自主定位定向系统及方法
本专利技术涉及一种巷道掘进领域的掘进机，特别是涉及一种掘进机自主定位定向系统及其方法。
技术介绍
掘进机是实现地下巷道掘进工作的核心设备。在传统的地下巷道掘进过程中。掘进机的掘进路线首先由地测部门绘制，根据安装在巷道后方的点激光指向仪发射至巷道前方岩壁的激光斑的位置，由掘进机驾驶员控制掘进机的掘进方向。由于矿井巷道环境恶劣，这种掘进方法不仅效率低，而且精度有限。此外，点激光指向仪固定在巷道后方顶板处，安装、拆卸、标定十分麻烦，并且大大增加了矿井工作人员的工作强度及工作危险性。随着社会的进步，矿井工作人员的安全受到了越来越多的关注。近年来，一些高等院校和其他科研机构针对巷道无人化掘进问题进行了一定的研究。公开号为“CN101266134A”专利名称为“悬臂掘进机机头位姿测量系统及其方法”，该专利试图利用全站仪测量掘进机位姿，再通过悬臂油缸传感器及倾角传感器推导截割头空间位置。公开号为“CN101392653A”专利名称为“隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量装置”。该专利试图将全站仪和CCD相机应用到盾构机姿态测量中。公开号为“CN101975063A”专利名称为“掘进机激光引导定位定向装置及方法”。该专利利用巷道原有的点激光指向仪，在掘进机悬臂上安装一个激光接收器，通过点激光指向仪发射的光斑在激光接收器上的位置，来判断悬臂的位置，再通过悬臂油缸及悬臂倾角传感器推导出掘进机的位姿信息。公开号为“CN102506770A”专利名称为“一种掘进机偏向角检测装置及检测方法”。该专利将线激光发射器安装在掘进机中线上，在巷道后方顶板处安装滑轨、步进电机及激光接收器，步进电机控制激光接收器在滑轨上移动，旨在捕捉掘进机机身发出的线激光。从而推算掘进机相对于巷道中线的偏向角。公开号为“CN102589514A”专利名称为“掘进机位姿参数测量装置及其方”。该专利利用点激光指向仪及两个安装在掘进机机身上的两个可摇摆的矩形光传感器来推算出掘进机的位姿参数。上述几种方法有许多共同之处，即先将巷道基准固定在巷道后方。再利用点激光、线激光、红外线等进行测量，建立掘进机坐标系与巷道坐标系的几何关系，再通过数学解算得到掘进机相对于基准的位置关系。但这些方法都存在很多局限性：(1)井下环境恶劣，粉尘很大，不利于红外线、激光及可见光的传输，从而导致测量精度低。(2)上述几种方法都需要在巷道后方人工建立基准，当掘进距离超过系统有效测量范围时，再次需要对基准进行人工移动和标定。上述这些系统只达到了半自动化水平，矿井工作人员仍然处于危险中，无法从根本上把劳动力从地下解放出来。公开号为“CN101169038A”专利名称为“全自动掘进机”，该专利试图将惯性导航系统应用至掘进机定位定向中，该专利理论上达到了全自动掘进作业，但是该系统无法建立掘进机与巷道基准的联系，而惯性导航系统的误差随系统运行时间的增加而迅速增大，从而导致系统失效，因此，该系统存在很大局限性，不具备实用价值。公开号为“CN103123391A”专利名称为“掘进机无线导航定位系统及方法”。该专利较上述几种方法又做出了一定创新。该专利将巷道后方的两个无线节点装置作为基准，在掘进机上安装一个定位点。通过测量两基准到定位点的距离的差值来判断掘进机的偏向。当掘进距离超过有效检测范围时，由掘进机向地面投放中继节点，以此来扩大有效检测范围，但该方法仍然存在许多局限性：(1)该系统只能在二维平面上检测掘进机掘进路线是否为直线，当预设掘进路线为弧线时，则系统无法精准确定掘进机掘进机路线与预设掘进机的偏差，即系统失效。(2)在该系统中，节点与掘进机定位点之间的测距是利用频率在1Ghz以下的无线电波在不同无线模块之间的飞行时间与光速的乘积得来。而不同的模块之间的时钟存在着时钟不同步的问题。由于光速的量级很大，因此微小的时间误差都将大大影响到测距的精度。因此该系统的精度很难满足国家巷道成型标准。(3)该系统在掘进机掘进过程中，要在机身上安装节点投放装置并需携带大量中继节点。一方面随着随着巷道距离的增长，系统成本也随之大大增加。另一方面，随着投放节点数量的增多，也大大增加了系统的复杂性和累积误差。(4)由于巷道环境恶劣，地面凹凸不平，掘进机尾部还要携带随机前行的刮板输送机，并且常伴有煤岩垮落。因此，被投放的中继节点很容易被掩埋或损坏，并且任意一个中继节点被损坏都将导致整个系统的失效，因此该方法不具有较高实用性。鉴于以上专利技术的种种缺陷，为了实现掘进机的完全自主掘进作业，将矿井工作人员彻底从地下巷道的繁重危险的工作中解救出来，经过不断的研究及设计，并经反复试验及改进后，终于创设出确具实用价值的本专利技术。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的主要目的在于，针对目前矿井巷道综掘工作面实际情况及现有掘进机定位及定向技术的种种缺陷。提出一种掘进机自主定位定向系统及方法，主要包括掘进机三维坐标自主定位技术，机身位姿参数自主定向技术，基准自主前移及自主标定技术。旨在实现在整个巷道掘进过程中无需人工参与，掘进机可自主进行定位定向。技术方案：本专利技术的目的是这样实现的：该定位系统包括：可编程计算机控制器；寻北仪；倾角传感器；4个自行走式定位基站；7个自带铷原子钟的超宽带无线电模块，其中3个超宽带无线电模块固定在掘进机机身定位匣中，其余4个分别安装在4个自行走式定位基站上。4个自行走式定位基站位于掘进机后方，作为掘进机定位定向的基准。定位基站相对于巷道起始点的三维坐标已知，由地测人员在巷道掘进开始之前进行测量。所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：所述的自行走式定位基站由轮式行走装置；5路红外测距仪；单片机；步进电机；带有高精度铷原子钟的超宽带无线电模块；本安电池构成。各模块通过接口电路与单片机相连接并可进行实时通信，由本安电池进行供电。所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：所述的超宽带无线电模块由脉冲电路；通信电路；天线；高精度铷原子钟构成；脉冲电路信号经天线可发射3.4-10.6Ghz量级的高频率无线电脉冲。通信电路可对无线电信号进行调制解调，从而实现多个无线电模块之间的双向通信。高精度如原子钟可实时记录脉冲发射时刻和接收时刻。所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：可编程计算机控制器、陀螺寻北仪、2个倾角传感器安装在掘进机机身电控箱内。陀螺寻北仪及倾角传感器通过接口电路与可编程计算机控制器相连接，并可实现实时通信。所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：所述的掘进机机身定位匣包括超宽带无线电模块1个；液压减震油缸3个；伞形橡胶保护盔1个。超宽带无线电模块固定在掘进机机身表面，三个液压减震油缸均匀分布在超宽带无线电模块，减震油缸一端固定在掘进机机身表面，另一端连接伞形橡胶保护盔。所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：所述的掘进机机身定位匣共有3个，每个匣内安装一个超宽带无线电模块，通过接口电路与电控箱内的可编程计算机控制器相连接，并实现实时通信。所述的掘进机自主定位定向系统的掘进机自主定位定向方法是：(1)巷道掘进机开始前，掘进机及定位基站群相对于巷道起始点位置的坐标关系由地测部门进行测量。当巷道掘进开始后，定位基站群保持静止，与此同时，掘进机按照预设掘进机路线向前掘进。(2)当掘进机坐标与位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掘进机自主定位定向系统，其特征是：该系统包括：可编程计算机控制器；陀螺寻北仪；2个倾角传感器；4个自行走式定位基站；7个自带铷原子钟的超宽带无线电模块，其中3个超宽带无线电模块固定在掘进机机身定位匣中，其余4个分别安装在4个自行走式定位基站上。4个自行走式定位基站位于掘进机后方，作为掘进机定位定向的基准。定位基站相对于巷道起始点的三维坐标已知，由地测人员在巷道掘进开始之前进行测量。

【技术特征摘要】
1.一种掘进机自主定位定向系统，其特征是：该系统包括：可编程计算机控制器、陀螺寻北仪、2个倾角传感器、4个自行走式定位基站、7个自带高精度铷原子钟的超宽带无线电模块，其中3个超宽带无线电模块分别固定在3个掘进机机身定位匣中，其余4个分别安装在4个自行走式定位基站上；4个自行走式定位基站位于掘进机后方，作为掘进机定位定向的基准；自行走式定位基站相对于巷道起始点的三维坐标已知，由地测人员在巷道掘进开始之前进行测量。2.根据权利要求1所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：所述的自行走式定位基站由轮式行走装置、5路红外测距仪、单片机、步进电机、带有高精度铷原子钟的超宽带无线电模块、本安电池构成；各超宽带无线电模块通过接口电路与单片机相连接并可进行实时通信，由本安电池进行供电。3.根据权利要求1所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：所述的超宽带无线电模块由脉冲电路、通信电路、天线、高精度铷原子钟构成；脉冲电路信号经天线可发射3.4-10.6Ghz量级的高频率无线电脉冲；通信电路可对无线电信号进行调制解调，从而实现多个超宽带无线电模块之间的双向通信；高精度铷原子钟可实时记录脉冲发射时刻和接收时刻。4.根据权利要求1所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：可编程计算机控制器、陀螺寻北仪、2个倾角传感器安装在掘进机机身电控箱内；陀螺寻北仪及倾角传感器通过接口电路与可编程计算机控制器相连接，并可实现实时通信。5.根据权利要求1所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：单个所述的掘进机机身定位匣中包括超宽带无线电模块1个、液压减震油缸3个、伞形橡胶保护盔1个；超宽带无线电模块固定在掘进机机身表面，3个液压减震油缸均匀分布在超宽带无线电模块周围，液压减震油缸一端固定在掘进机机身表面，液压减震油缸的另一端连接伞形橡胶保护盔。6.根据权利要求1所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：所述的掘进机机身定位匣共有3个，每个匣内安装一个超宽带无线电模块，超宽带无线电模块通过接口电路与电控箱内的可编程计算机控制器相连接，并实现实时通信。7.一种用权利要求1所述的掘进机自主定位定向系统的掘进机自主定位定向方法，其特征是：(1)巷道掘进开始前，掘进机及自行走式定位基站群相对于巷道起始点位置的坐标关系由地测部门进行测量；当巷道掘...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴淼，符世琛，杨健健，王苏彧，贾文浩，李一鸣，陶云飞，张敏俊，宗凯，薛光辉，郝雪弟，田劼，瞿圆媛，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11