一种自动测绘定位的掘进方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种自动测绘定位的掘进方法及系统，包括：将设计系统给出的井巷模型离散为底板中轴多段线和井巷断面轮廓多边形；以掘进机的右侧指向为X轴、以掘进机的机头方向指向为Y轴、以与XOY面垂直且总体指向上为Z轴设置掘进机的机身坐标系；按照所述机身坐标系的坐标轴增量标定激光靶球位置到掘进机回转中心的相对位置坐标增量；利用定位机器人和指北仪定位掘进机激光靶球的位置坐标；根据所述激光靶球的位置坐标和激光靶球位置在机身坐标系中的相对位置坐标增量计算掘进机悬臂的运动基点坐标；根据底板中轴多段线、井巷断面轮廓多边形和掘进机悬臂的运动基点坐标控制掘进机对径向断面进行截割。本发明专利技术能够精确定位掘进机，操作无人化。

【技术实现步骤摘要】
一种自动测绘定位的掘进方法及系统
本专利技术属于井巷自动掘进
，具体涉及一种自动测绘定位的掘进方法及系统。
技术介绍
无论是采矿工程的井巷掘进、道路工程的隧道掘进，还是水利工程的涵洞掘进都属于艰巨的施工项目，另外，受复杂地质条件和地质灾害的影响，伤亡事故时有发生，仅仅依靠人工作业，不仅劳动强度大、施工效率低，而且人身安全和人身健康难以保障。因此，出现了各式各样的辅助掘进施工机械，如掘进机、连采机、盾构机、凿岩机等，有些机械已经改造为能够实现远程控制的智能装备。目前，矿山使用最多的就是智能型悬臂式巷道掘进机，这种掘进机虽然可以实现自动控制，由于没有实现地下空间的自动测量、施工设备的精确定位和开凿空间的实时建模与可视化，至今，无法实现地下掘进工程的完全自动化无人化，严重影响了智能掘进工程的技术进步。虽然公开号为CN101169038A、名称为全自动掘进机的专利技术专利给出了一种利用地测数据及航天导航定位仪进行截割头的定位方法，由于地下没有卫星信号，航天导航定位仪不能直接使用，到目前为止，地下空间，特别是井巷空间的定位基点还是靠人工用导线联系测量获取，因此，该专利并没有解决在绝对地理空间中的井巷自动测量和设备自动定位问题，更无法实现掘进工作面的自动建模与可视化，无法真正的掘进智能化和无人化。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种自动测绘定位的掘进方法及系统，以解决上述技术问题。第一方面，本申请实施例提供一种自动测绘定位的掘进方法，所述方法包括：将设计系统给出的井巷模型离散为底板中轴多段线和井巷断面轮廓多边形；以掘进机的右侧指向为X轴、以掘进机的机头方向指向为Y轴、以与XOY面垂直且总体指向上为Z轴设置掘进机的机身坐标系；按照所述机身坐标系的坐标轴增量标定激光靶球位置到掘进机回转中心的相对位置坐标增量；利用定位机器人和指北仪定位掘进机激光靶球的位置坐标；根据所述激光靶球的位置坐标和激光靶球位置在机身坐标系中的相对位置坐标增量计算掘进机悬臂的运动基点坐标；根据底板中轴多段线、井巷断面轮廓多边形和掘进机悬臂的运动基点坐标控制掘进机对径向断面进行截割。结合第一方面，在第一方面的第一种实施方式中，所述按照机身坐标系的坐标轴增量标定激光靶球位置到掘进机回转中心的相对位置坐标增量包括：Δx＝-Lw,Δy＝Lj,Δz＝-Dh-Jh，设定在三个坐标轴上的增量分别为Δx、Δy和Δz；其中，定位靶球的高度为Dh，其底部A点沿掘进机机身坐标的Y轴到回转盘中心的距离为Lj，沿掘进机机身的X轴到回转盘中心的距离为Lw，回转盘中心到悬臂运动基点的高程为Jh。结合第一方面和第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第二种实施方式中，所述利用指北仪获取所述掘进机姿态包括：获取定位机器人的测量基点坐标为(xj，yj，zj)；根据指北仪测得的视北方向αs和人工预先磁偏见θc计算真北方向αN＝αs+θc；利用全站仪或激光雷达照准掘进机上的激光靶球，并参考真北方向得到基点(xj，yj，zj)到激光靶球的方位角αf以及倾角αq和斜距L；根据所述基点(xj，yj，zj)和方位角αf以及倾角αq和斜距L计算出掘进机上激光靶球的位置(xb，yb，zb)：xb＝xj+L×cos(αq)×sin(αf)yb＝yj+L×cos(αq)×cos(αf)zb＝zj+L×sin(αq)。结合第一方面及第一方面的第一种、第二种实施方式，在第一方面的第三种实施方式中，所述根据激光靶球的位置坐标和激光靶球位置在机身坐标系中的相对位置坐标增量计算掘进机悬臂的运动基点坐标包括：用指北仪获取掘进机的方位角fj、俯仰角qv和横滚角qh；根据方位角fj、俯仰角qv和横滚角qh计算掘进机机身坐标系的三个坐标轴为Jx，Jy和Jz；根据坐标轴和激光靶球坐标增量计算悬臂运动基点的坐标，计算公式为Pe＝(xe,ye,ze)＝Δx×Jx+Δy×Jy+Δz×Jz。结合第一方面，在第一方面的第四种实施方式中，所述方法还包括：利用掘进机的截割悬臂升降油缸传感器监测得到截割悬臂倾角，利用回转台回转油缸传感器监测得到截割臂水平摆角，利用伸缩油缸传感器监测得到悬臂长度；根据截割悬臂倾角、截割臂水平摆角和悬臂长度计算截割头的绝对位置；根据所述截割头的绝对位置计算实施截割断面；利用定位机器人扫描井巷获取井巷三维图像；根据所述实施截割断面和所述井巷三维图像创建实施截割模型并将所述实施截割模型发送至远程控制端；对比所述实施截割模型与原始井巷模式，在所述实施截割模型与原始井巷模型不一致时发出错误警报。结合第一方面，在第一方面的第五种实施方式中，所述方法还包括：控制掘进机保持静止状态；通过定位机器人对定位激光靶球的照准测量，就可由激光靶球坐标和定位机器人基点到激光靶球的方位角αf以及倾角αq和斜距L反算出定位机器人的基点坐标；根据所述定位机器人的基点坐标移动所述定位机器人。结合第一方面及第一方面的第五种实施方式，在第一方面的第六种实施方式中，所述方法还包括：设置两个连线平行于机身坐标系X轴的激光靶球，两个激光靶球分别为定位靶球和平差靶球；根据定位靶球坐标反算定位机器人的第一基点坐标；根据平差靶球坐标反算定位机器人的第二基点坐标；计算所述第一基点坐标和所述第二基点坐标的平均值并将所述平均值作为定位机器人的基点坐标。结合第一方面及第一方面的第六种实施方式，在第一方面的第七种实施方式中，所述方法还包括：获取定位靶球坐标；获取平差靶球坐标；根据所述定位靶球坐标和所述平差靶球坐标校正掘进机姿态。结合第一方面，在第一方面的第八种实施方式中，所述根据底板中轴多段线、井巷断面轮廓多边形和掘进机悬臂的运动基点坐标控制掘进机对径向断面进行截割包括：根据掘进机悬臂的运动基点坐标和传感器监测的截割悬臂倾角、截割臂水平摆角和悬臂长度计算截割头位置坐标；根据所述截割头位置坐标和设计的井巷中轴多段线，按照下一时段巷道断面轮廓多边形计算下个截割步距的断面法向量和轮廓绝对坐标；根据所述断面法向量和轮廓绝对坐标生成截割命令并将所述截割命令发送至掘进机控制器；掘进机控制器控制掘进机执行所述截割命令。第二方面，本申请实施例提供一种自动测绘定位的掘进系统，所述系统包括：设置在掘进机机身上的测量控制模块、定位机器人、前置工控机和远程控制端，所述定位机器人设置在所述掘进机机身后方；所述测量控制模块和定位机器人均与所述前置工控机建立通信连接；所述前置工控机与远程控制端建立通信连接；所述测量控制模块包括：安装于掘进机机身的机身姿态监测陀螺仪，所述监测陀螺仪的安装姿态与预先设置的掘进机的机身坐标系一致；安装于掘进机尾部的激光靶球，所述激光靶球包括定位靶球和平差靶球且定位靶球和平差靶球的连线与预设的机身坐标系X轴平行；所述测量控制模块还包括截割悬臂倾角传感器、截割臂水平摆角传感器和截割头伸缩行程传感器和掘进机控制器；所述测量定位机器人设有跟踪导航模块和行走模块，所述跟踪导航模块通过发射激光定位掘进机上的激光靶球，所述测量定位机器人的跟踪导航模块设有指北仪、倾角传感器和三维扫描单元。本专利技术的有益效果在于，本专利技术提供的自动测绘定位的掘进方法及系统，通过创建掘进机机身坐标系进而计算激光靶球在机身坐标系中相对于掘进机回转中心的坐标增量，再利用定位机器人和指北仪定位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自动测绘定位的掘进方法，其特征在于，所述方法包括：将设计系统给出的井巷模型离散为底板中轴多段线和井巷断面轮廓多边形；以掘进机的右侧指向为X轴、以掘进机的机头方向指向为Y轴、以与XOY面垂直且总体指向上为Z轴设置掘进机的机身坐标系；按照所述机身坐标系的坐标轴增量标定激光靶球位置到掘进机回转中心的相对位置坐标增量；利用定位机器人和指北仪定位掘进机激光靶球的位置坐标；根据所述激光靶球的位置坐标和激光靶球位置在机身坐标系中的相对位置坐标增量计算掘进机悬臂的运动基点坐标；根据底板中轴多段线、井巷断面轮廓多边形和掘进机悬臂的运动基点坐标控制掘进机对径向断面进行截割。

【技术特征摘要】
1.一种自动测绘定位的掘进方法，其特征在于，所述方法包括：将设计系统给出的井巷模型离散为底板中轴多段线和井巷断面轮廓多边形；以掘进机的右侧指向为X轴、以掘进机的机头方向指向为Y轴、以与XOY面垂直且总体指向上为Z轴设置掘进机的机身坐标系；按照所述机身坐标系的坐标轴增量标定激光靶球位置到掘进机回转中心的相对位置坐标增量；利用定位机器人和指北仪定位掘进机激光靶球的位置坐标；根据所述激光靶球的位置坐标和激光靶球位置在机身坐标系中的相对位置坐标增量计算掘进机悬臂的运动基点坐标；根据底板中轴多段线、井巷断面轮廓多边形和掘进机悬臂的运动基点坐标控制掘进机对径向断面进行截割。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照机身坐标系的坐标轴增量标定激光靶球位置到掘进机回转中心的相对位置坐标增量包括：Δx＝-Lw,Δy＝Lj,Δz＝-Dh-Jh，设定在三个坐标轴上的增量分别为Δx、Δy和Δz；其中，定位靶球的高度为Dh，其底部A点沿掘进机机身坐标的Y轴到回转盘中心的距离为Lj，沿掘进机机身的X轴到回转盘中心的距离为Lw，回转盘中心到悬臂运动基点的高程为Jh。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用指北仪获取所述掘进机姿态包括：获取定位机器人的测量基点坐标为(xj，yj，zj)；根据指北仪测得的视北方向αs和人工预先磁偏见θc计算真北方向αN＝αs+θc；利用全站仪或激光雷达照准掘进机上的激光靶球，并参考真北方向得到基点(xj，yj，zj)到激光靶球的方位角αf以及倾角αq和斜距L；根据所述基点(xj，yj，zj)和方位角αf以及倾角αq和斜距L计算出掘进机上激光靶球的位置(xb，yb，zb)：xb＝xj+L×cos(αq)×sin(αf)yb＝yj+L×cos(αq)×cos(αf)zb＝zj+L×sin(αq)。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据激光靶球的位置坐标和激光靶球位置在机身坐标系中的相对位置坐标增量计算掘进机悬臂的运动基点坐标包括：用指北仪获取掘进机的方位角fj、俯仰角qv和横滚角qh；根据方位角fj、俯仰角qv和横滚角qh计算掘进机机身坐标系的三个坐标轴为Jx，Jy和Jz；根据坐标轴和激光靶球坐标增量计算悬臂运动基点的坐标，计算公式为Pe＝(xe,ye,ze)＝Δx×Jx+Δy×Jy+Δz×Jz。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：利用掘进机的截割悬臂升降油缸传感器监测得到截割悬臂倾角，利用回转台回转油缸传感器监测得到截割臂水平摆角，利用伸缩油缸传感器监测得到悬臂长度；根据截割悬臂倾角、截割臂水平摆角和悬臂长度计算截割头的绝对位置；根据所述截割头的绝对位...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢新明，尹红，
申请(专利权)人：山东蓝光软件有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37