一种掘进机截割头位置测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种掘进机截割头位置测量系统，包括惯组模块，激光测距仪模块、掘进机参数获取模块、CPU计算模块、CAN通信模块、上位机模块。惯组模块实现了运动载体的姿态测量，激光测距仪模块实现了系统前进方向的距离测量，掘进机参数获取模块实现了机身参数的读取，CPU计算模块用于数据传输和位置计算，CAN通信模块实现了数据的传输和交互。本发明专利技术实现了多传感器信息的融合，通过CAN模块进行数据通信，通过CPU对截割头位置信息进行计算，获得掘进机截割头的位置信息。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种掘进机截割头位置测量系统，可用于煤矿掘进机的定位定姿领域。
技术介绍
目前煤矿的掘进机主要是以激光束为指导方向，操作手依据此作为前进的方向，井下的环境恶劣，粉尘浓度大，光线黑暗，严重影响了挖掘的视线，因此容易造成挖掘不准确，欠挖和过挖现象。随着科学技术的智能化和数字化发展，实现煤矿掘进机的数字化和智能化挖掘将成为一个大的趋势。采用设备实时监测掘进机截割头在巷道断面的位置信息，使用数字化通信进行数据传输，采用可视化界面进行显示，便于操作手实时掌握准确的截割头位置信息，严格安装巷道设计者的要求进行挖掘。因此需要设计出一种可靠的截割头位置测量系统。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种掘进机截割头位置测量系统，该系统可用于煤矿挖掘机运动状态的测量，环境适应性强，将获得的截割头位置测量信息传递给操作手，提高了挖掘的准确度。本专利技术的技术解决方案：一种掘进机截割头位置测量系统，包括：惯组模块、激光测距仪模块、掘进机参数获取模块、CPU计算模块、输入CAN通信模块、输出CAN通信模块、上位机模块、回转角度传感器、俯仰角度传感器和位移传感器；激光测距仪模块用于瞄准惯组的安装方向，保证惯组安装的前向与掘进机的截割臂的轴线方向一致；回转角度传感器和俯仰角度传感器分别测量截割头的回转角度和俯仰角度，并通过输入CAN通信模块发送给CPU计算模块，位移传感器测量掘进机的前向距离和垂直方向距离，并通过输入CAN通信模块发送给CPU计算模块；惯组模块通过测量掘进机的角速度和加速度信息进行导航解算，获得掘进机的导航信息并发送给CPU计算模块；掘进机参数获取模块获得掘进机的各项参数信息，形成掘进机参数表并传输给CPU计算模块；CPU计算模块根据所有的输入信息进行处理，计算得到掘进机截割头的位置信息，最后CPU计算模块计算得到的掘进机截割头的位置信息通过输出CAN通信模块发送给上位机模块进行截割头位置显示。所述回转角度传感器、俯仰角度传感器和位移传感器安装在截割头与掘进机机身之间的连接臂上。所述惯组模块包括三轴陀螺和三轴加表，所述导航信息包括位置信息、速度信息、姿态信息、数据标志以及时间，位置信息包括经度、纬度和高度，速度信息包括东向速度、北向速度和天向速度，姿态信息包括俯仰角、横滚角和航向角。所述掘进机参数表具体为：序号参数项目单位1惯导中心至回转轴水平距离mm2惯导中心至回转轴垂直距离mm3惯导中心至回转平面的高度mm4回转轴和俯仰轴公垂线距离mm5安装平台至履带平面垂向高度mm6截割大臂长度mm7截割头最大外包络径向长度mm8掘进机回转轴的零位°9掘进机俯仰轴的零位°。所述CPU计算模块根据所有的输入信息进行处理，计算得到掘进机截割头的位置信息，具体为：(1)计算掘进机的截割头在机身坐标系下的位置信息：z_head_imu=sin(θ_head)*(L_head+L_arm)+H_r2rplane+H_imu2r-H_imu2cp]]>其中，x_head_imu、y_head_imu和z_head_imu分别表示计算的机身坐标系下的截割头的位置坐标值，L_head表示截割头的径向长度，L_arm表示截割大臂的长度，L_r2s表示回转轴和俯仰轴公垂线距离，L_imu2r表示惯导中心至回转轴水平距离，H_r2rplane表示回转轴心至回转平面的高度，H_imu2r表示惯导中心至回转轴垂直距离，H_imu2cp表示惯组安装位置至掘进机履带平面的垂向高度，为回转传感器获得截割头相对惯组的回转角，为俯仰角度传感器获得截割头相对惯组的俯仰角，x_body_g和z_body_g分别为位移传感器获得掘进机侧向移动距离和垂直方向的移动距离；(2)计算掘进机的截割头在巷道坐标系下的位置信息，具体转换方式如下所示：x_head_gy_head_gz_head_g=T*x_head_imuy_head_imuz_head_imu]]>其中，x_head_g、y_head_g和z_head_g分别表示计算的巷道坐标系下的截割头X、Y、Z的位置值，T表示转换矩阵；(3)根据惯组上电工作的时间长度来判断是否需要校标补偿，如果惯组上电工作的时间大于等于10h，则需要校标补偿，进入步骤(4)，否则直接进入步骤(5)；(4)选取截割大臂上的任一点作为标志点，对截割头在巷道坐标系下的位置信息进行校正，将所述标志点旋转至巷道的激光束上任意点，获得此时截割头的位置误差Δx和Δz，具体校正公式如下所示；x′_head_g＝x_head_g-Δxz′_head_g＝z_head_g-Δz其中，x′_head_g和z′_head_g分别表示巷道坐标系下的截割头校正后的位置值，Δx和Δz分别表示巷道坐标系下的截割头修正量；(5)对动态机身位置进行校正，通过位移传感器获得前向的位置信息x_body_g和z_body_g，通过以下的公式分解为X向和Z向的位置值；若从步骤(3)进入步骤(5)则使用公式x″_head_g＝x_head_g+x_body_g；z″_head_g＝z_head_g+z_body_g；进行校正；若从步骤(4)进入步骤(5)则使用公式x″_head_g＝x′_head_g+x_body_g；z″_head_g＝z′_head_g+z_body_g；进行校正，其中x″_head_g和z″_head_g分别表示巷道坐标系下的截割头动态机身校正后的位置值。所述机身坐标系定义为：原点O为机身上安装惯组的位置；X轴指向机身的右，Y轴指向机身的前，Z轴由右手定则确定，且垂直向上；所述巷道坐标系定义为：原点O为巷道入口中心，X轴指向巷道的右，Y轴指向巷道的前，Z轴由右手定则确定，且垂直向上。所述转换矩阵T为3×3的矩阵，具体为：T[0][1]＝sin(γ)*cos(θ)；T[2][0]＝sin(γ)*cos(θ)；T[2][1]＝-sin(θ)；T[2][2]＝cos(γ)*cos(θ)；其中γ、θ为机身的横滚角、偏航角和俯仰角。本专利技术与现有技术相比带来的有益效果为：(1)本专利技术设计了七个模块，从外界传感数据的接收、截割头位置的解本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掘进机截割头位置测量系统，其特征在于包括：惯组模块、激光测距仪模块、掘进机参数获取模块、CPU计算模块、输入CAN通信模块、输出CAN通信模块、上位机模块、回转角度传感器、俯仰角度传感器和位移传感器；激光测距仪模块用于瞄准惯组的安装方向，保证惯组安装的前向与掘进机的截割臂的轴线方向一致；回转角度传感器和俯仰角度传感器分别测量截割头的回转角度和俯仰角度，并通过输入CAN通信模块发送给CPU计算模块，位移传感器测量掘进机的前向距离和垂直方向距离，并通过输入CAN通信模块发送给CPU计算模块；惯组模块通过测量掘进机的角速度和加速度信息进行导航解算，获得掘进机的导航信息并发送给CPU计算模块；掘进机参数获取模块获得掘进机的各项参数信息，形成掘进机参数表并传输给CPU计算模块；CPU计算模块根据所有的输入信息进行处理，计算得到掘进机截割头的位置信息，最后CPU计算模块计算得到的掘进机截割头的位置信息通过输出CAN通信模块发送给上位机模块进行截割头位置显示。

【技术特征摘要】
1.一种掘进机截割头位置测量系统，其特征在于包括：惯组模块、激光测距仪模块、掘
进机参数获取模块、CPU计算模块、输入CAN通信模块、输出CAN通信模块、上位机模块、回转
角度传感器、俯仰角度传感器和位移传感器；
激光测距仪模块用于瞄准惯组的安装方向，保证惯组安装的前向与掘进机的截割臂的
轴线方向一致；
回转角度传感器和俯仰角度传感器分别测量截割头的回转角度和俯仰角度，并通过输
入CAN通信模块发送给CPU计算模块，位移传感器测量掘进机的前向距离和垂直方向距离，
并通过输入CAN通信模块发送给CPU计算模块；
惯组模块通过测量掘进机的角速度和加速度信息进行导航解算，获得掘进机的导航信
息并发送给CPU计算模块；
掘进机参数获取模块获得掘进机的各项参数信息，形成掘进机参数表并传输给CPU计
算模块；
CPU计算模块根据所有的输入信息进行处理，计算得到掘进机截割头的位置信息，最后
CPU计算模块计算得到的掘进机截割头的位置信息通过输出CAN通信模块发送给上位机模
块进行截割头位置显示。
2.根据权利要求1所述的一种掘进机截割头位置测量系统，其特征在于：所述回转角度
传感器、俯仰角度传感器和位移传感器安装在截割头与掘进机机身之间的连接臂上。
3.根据权利要求1所述的一种掘进机截割头位置测量系统，其特征在于：所述惯组模块
包括三轴陀螺和三轴加表，所述导航信息包括位置信息、速度信息、姿态信息、数据标志以
及时间，位置信息包括经度、纬度和高度，速度信息包括东向速度、北向速度和天向速度，姿
态信息包括俯仰角、横滚角和航向角。
4.根据权利要求1所述的一种掘进机截割头位置测量系统，其特征在于：所述掘进机参
数表具体为：
序号
参数项目
单位
1
惯导中心至回转轴水平距离
mm
2
惯导中心至回转轴垂直距离
mm
3
惯导中心至回转平面的高度
mm
4
回转轴和俯仰轴公垂线距离
mm
5
安装平台至履带平面垂向高度
mm
6
截割大臂长度
mm
7
截割头最大外包络径向长度
mm
8
掘进机回转轴的零位
°
9
掘进机俯仰轴的零位
°。
5.根据权利要求1所述的一种掘进机截割头位置测量系统，其特征在于：所述CPU计算
模块根据所有的输入信息进行处理，计算得到掘进机截割头的位置信息，具体为：
(1)计算掘进机的截割头在机身坐标系下的位置信息：
其中，x_head_imu、y_head_imu和z_head_imu分别表示计算的机身坐标系下的截割头
的位置坐标值，L_head表示截割头的径向长度，L_arm表示截割大臂的长度，L_r2s表示回转
轴和俯仰轴公垂线距离，L_imu2r表示惯导中心至回转轴水平距离，H_r2rplane表示回转轴
心至回转平面的高度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛正兵，周艳丽，张泽，曾培香，郭纬川，赵新强，管伟涛，侯淑华，马杰，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11