基于航位推算的掘进机自主导航系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于航位推算的悬臂式掘进机自主导航系统及方法，属于煤矿井下移动设备自主导航领域。该系统包括基准UWB(Ultra Wide Band)无线电测距模块组、机身UWB无线电测距模块、捷联惯导系统、全方向里程计、导航计算机、远端显示和控制设备。在掘进机行进前，采用UWB无线电脉冲测距法，确定掘进机的初始位置；当掘进机向前行驶时，捷联惯导系统实时测得掘进机的姿态角和航向角，同时全方向里程计测得的掘进机的里程增量，导航计算机根据航位推算算法生成行进轨迹；当掘进机行驶至预定工作位置时，再次使用UWB无线电脉冲测距法，校准掘进机的位置。导航计算机将导航信息实时发送至远端显示和控制系统，从而实现掘进机在巷道掘进中的自主导航。

Autonomous navigation system and method of TBM Based on dead reckoning

【技术实现步骤摘要】
基于航位推算的掘进机自主导航系统及方法
本专利技术涉及一种煤矿井下移动装备领域的悬臂式掘进机，特别是涉及一种掘进机自主导航系统及其方法。
技术介绍
采煤的无人化、智能化越来越成为煤矿开采领域的发展热点。悬臂式掘进机作为煤矿开采的核心装备之一，自主定位导航是煤矿无人化、智能化的关键基础，而掘进机的精准位姿检测是煤矿巷道定向掘进的保障。在煤矿巷道掘进过程中，一旦掘进方向出现偏差，将会影响整个采区的正常生产，严重时还可能引发巷道内地质灾难，造成井下安全事故，危及到综掘面所有施工人员的人身安全。目前煤矿中广泛应用的定向掘进手段是激光指向法，该方法在掘进巷道后方已知位置上安装点激光指向仪，由矿工目测激光指向仪在前方巷道断面上形成的激光点的位置来判断掘进方向。这种依靠人的肉眼检测方式精度有限，无法得到掘进机确切的位置和姿态数据，并且将矿工至于危险的掘进工作面中。近年来，很多学者及科研机构都对掘进机的导航问题做了研究。国内外已有的掘进机导航技术有：1、基于全站仪的位姿检测方法，该方法利用光的反射原理通过检测安装在机身不同位置上的多个棱镜的空间位置计算出机身在巷道中的位置与姿态角；2、基于激光导向器的测量系统，该方法通过激光接收器或激光标靶接收到的点激光或扇形激光发射器发射的激光信号完成掘进机位姿的测量；3、双目视觉技术，该方法通过在掘进机机身或掘进机后方巷道放置激光点，利用双目视觉感知激光点的相对位置，从而解算出掘进机的位置和姿态；IGPS(IndooGlobalPositioningSystem)技术，该方法将激光接收器安装在掘进机机身已知位置处，通过测量激光接收器在发射站坐标系下的三维坐标，实现对掘进机的绝对定位；惯性测量技术，该方法通过惯性原理，利用三轴加速度计和三轴陀螺仪获得掘进机的加速度和角速度，通过对时间的积分得到位置和姿态信息。以上方法一定程度上完成了掘进机的位置和姿态的检测，但是都存在一定的局限性：(1)在煤矿掘进工作面粉尘浓度高，机身振动大，空间狭小的恶劣环境下，很多精密仪器的测量精度会大大降低。(2)除利用惯性测量技术的方法外，其他测量方法的动态测量能力差，无法实时得到掘进机的行进轨迹和姿态。而利用惯性技术得到的位置信息随时间发散剧烈，纯惯性导航不适用于掘进机这种缓动载体。鉴于以上方法的局限性，为了实现悬臂式掘进机的自主导航，动态获取掘进机的位置和姿态数据，以为掘进机的智能化定向掘进奠定基础。本专利技术通过分析以上方缺陷，结合掘进机的工艺流程，提出了利用捷联惯导系统、全方向里程计和UWB(UltraWideBand)无线电测距模块组合的掘进机自主导航系统及方法。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种煤矿井下悬臂式掘进机的自主导航系统及方法，解决在掘进工作面恶劣的环境下无法实时获取悬臂式掘进机的位置和姿态信息的问题，实现煤矿巷道的自主精准定向掘进，为煤矿开采的无人化、智能化奠定基础。技术方案：本专利技术的目的是这样实现的：该自主导航系统包括基准UWB无线电测距模块组、机身UWB无线电测距模块、捷联惯导系统、全方向里程计、导航计算机、远端显示和导航设备。其中，捷联惯导系统和导航计算机安装在掘进机机身的防爆电控箱内；全方向里程计安装在掘进机的底盘上，其由清障外壳，张紧装置，转盘，测量轮支架，里程编码器，转盘，测量轮构成；机身UWB无线电测距模块安装在掘进机上表面中心处；基准UWB无线定位模块组由3个UWB无线电测距模块组成，安装在掘进机后方巷道上方，其安装位置由煤矿测绘部门确定，作为导航的基准。所述的基于航位推算的掘进机自主导航系统，其特征是：所述的捷联惯导系统由三轴光纤陀螺仪和三轴加速度计组成，其可实时测得掘进机在机体坐标系下三个轴的角速度和加速度。将角速度和加速度信息发送至防爆电控箱中的导航计算机中，在掘进机行进前，根据捷联惯导初始对准算法可得到掘进机初始的姿态角和航向角；在掘进机行进时，根据姿态更新算法可得到掘进机实时的姿态角和航向。所述的基于航位推算的掘进机自主导航系统，其特征是：所述的全方向里程计由清障外壳、张紧装置、转盘、测量轮支架、里程编码器、测量轮构成。清障外壳安装在掘进机底盘中心处，下部弧形边缘距地面3cm，主体为圆柱形，底部为向外侧具有弧度以实现清障功能；张紧装置安装在清障外壳内部，其对测量轮施加张紧力使测量轮始终与地面接触同时还具备减震能力；转盘连接在张紧装置下方，使测量轮实现360°的转向；测量轮支架上接转盘，下联测量轮；里程编码器轴向安装在测量轮与测量轮支架连接的轴上，实时检测掘进机的里程增量。所述的基于航位推算的掘进机自主导航系统，其特征是：所述的基准UWB无线定位模块组由3个UWB无线电测距模块组成，其由模块支架悬挂安装在掘进机后方巷道顶部，其位置由煤矿测绘部门确定，作为导航的基准。UWB无线电模块可以发射脉冲3.4-10.6Ghz量级的高频率无线电脉冲。UWB无线电模块可以互相接收来自对方的无线电信号，从而使实现无线电模块之间的双向通信。UWB无线电模块内部有高精度的原子钟可以精确记录发出脉冲信号与接收到脉冲信号的时刻。所述的基于航位推算的掘进机自主导航系统，其特征是：所述导航计算机安装在掘进机机身防爆电控箱内，其通过接口电路与捷联惯导系统、里程编码器和机身UWB无线电测距模块进行数据通信，并将解算出的导航信息通过通信光缆发送至远端显示和控制系统。所述的基于航位推算的掘进机自主导航系统的自主导航方法是：(1)在掘进机进行掘进工作之前，由测绘部门人员按照巷道设计要求精确确定基准UWB无线电测距模块组在巷道中的安装位置，以此作为掘进机自主导航的基准。以基准处为坐标原点建立巷道平面坐标系，并通过测量基准UWB无线电测距模块在模块支架上的安装位置确定各模块的坐标，将以上坐标信息输入至防爆电控箱中的导航计算机中，完成导航初始化。(2)掘进机启动后，开始行驶之前。3个UWB无线电测距模块依次向安装在机身上的机身UWB无线电测距模块发射不同相位的高频率无线电脉冲信号，机身UWB无线电模块在接收到脉冲信号的瞬间也立即反射一个自身相位的脉冲信号到基准UWB无线电模块。UWB无线电模块内部的铷原子钟记脉冲信号在两个UWB无线电测距模块之间传播两次的时间。将时间信息发送到防爆电控箱内的导航计算机中，根据无线电测距算法公式，将时间信息转化为距离信息，得到3个基准UWB无线电模块与机身UWB无线电模块两两之间的距离关系，解算出掘进机在巷道到平面坐标系中的初始坐标，作为导航的起点。(3)与步骤(2)同时开始进行，捷联惯导系统进行初始对准，将三轴光纤陀螺仪测得角增量和三轴加速度计测得加速度增量发送到防爆电控箱内的导航计算机中，根据初始对准算法可解算出载体坐标系与导航坐标系的姿态转换矩阵，从而解算出掘进机的初始横滚角θo、俯仰角γo、航向角(4)导航计算机将掘进机初始位置、航向和姿态信息通过通信光缆发送至远端显示和控制系统，对掘进机的位置、航向和姿态按照预定轨迹做出及时调整。(5)掘进机向巷道截面预定工作位置行驶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于航位推算的掘进机自主导航系统，其特征是：该系统包括：基准UWB无线电测距模块组、机身UWB无线电测距模块、捷联惯导系统、全方向里程计、导航计算机、远端显示和导航设备。其中，捷联惯导系统和导航计算机安装在掘进机机身的防爆电控箱内；全方向里程计安装在掘进机的底盘上，其由清障外壳，张紧装置，转盘，测量轮支架，里程编码器，转盘，测量轮构成；机身UWB无线电测距模块安装在掘进机上表面中心处；基准UWB无线定位模块组由3个UWB无线电测距模块组成，安装在掘进机后方巷道上方，其安装位置由煤矿测绘部门确定，作为导航的基准。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于航位推算的掘进机自主导航系统，其特征是：该系统包括：基准UWB无线电测距模块组、机身UWB无线电测距模块、捷联惯导系统、全方向里程计、导航计算机、远端显示和导航设备。其中，捷联惯导系统和导航计算机安装在掘进机机身的防爆电控箱内；全方向里程计安装在掘进机的底盘上，其由清障外壳，张紧装置，转盘，测量轮支架，里程编码器，转盘，测量轮构成；机身UWB无线电测距模块安装在掘进机上表面中心处；基准UWB无线定位模块组由3个UWB无线电测距模块组成，安装在掘进机后方巷道上方，其安装位置由煤矿测绘部门确定，作为导航的基准。


2.根据权利要求1所述的基于航位推算的掘进机自主导航系统，其特征是：所述的捷联惯导系统由三轴光纤陀螺仪和三轴加速度计组成，其可实时测得掘进机在机体坐标系下三个轴的角速度和加速度。将角速度和加速度信息发送至防爆电控箱中的导航计算机中，在掘进机行进前，根据捷联惯导初始对准算法可得到掘进机初始的姿态角和航向角；在掘进机行进时，根据姿态更新算法可得到掘进机实时的姿态角和航向。


3.根据权利要求1所述的基于航位推算的掘进机自主导航系统，其特征是：所述的全方向里程计由清障外壳、张紧装置、转盘、测量轮支架、里程编码器、测量轮构成。清障外壳安装在掘进机底盘中心处，下部弧形边缘距地面3cm，主体为圆柱形，底部为向外侧具有弧度以实现清障功能；张紧装置安装在清障外壳内部，其对测量轮施加张紧力使测量轮始终与地面接触同时还具备减震能力；转盘连接在张紧装置下方，使测量轮实现360°的转向；测量轮支架上接转盘，下联测量轮；里程编码器轴向安装在测量轮与测量轮支架连接的轴上，实时检测掘进机的里程增量。


4.根据权利要求1所述的基于航位推算的掘进机自主导航系统，其特征是：所述的基准UWB无线定位模块组由3个UWB无线电测距模块组成，其由模块支架悬挂安装在掘进机后方巷道顶部，其位置由煤矿测绘部门确定，作为导航的基准。UWB无线电模块可以发射脉冲3.4-10.6Ghz量级的高频率无线电脉冲。UWB无线电模块可以互相接收来自对方的无线电信号，从而使实现无线电模块之间的双向通信。UWB无线电模块内部有高精度的原子钟可以精确记录发出脉冲信号与接收到脉冲信号的时刻。


5.根据权利要求1所述的基于航位推算的掘进机自主导航系统，其特征是：所述导航计算机安装在掘进机机身防爆电控箱内，其通过接口电路与捷联惯导系统、里程编码器和机身UWB无线电测距模块进行数据通信，并将解算出的导航信息通过通信光缆发送至远端显示和控制系统。


6.一种用权利要求1所述的基于航位推算的掘进机自主导航系统的自主导航方法是：
(1)在掘进机进行掘进工作之前，由测绘部门人员按照巷道设计要求精...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴淼，沈阳，兰玉，
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