本申请涉及竖井掘进机技术领域，具体而言，涉及一种竖井掘进机姿态确定系统及姿态确定方法，所述系统包括计算机、垂准仪组件，支撑平台以及姿态采集模块，其中：姿态采集模块设置在竖井掘进机顶部的载物平台上，包括陀螺仪、双轴倾斜仪、控制箱以及相机；支撑平台为多层，设置在载物平台的上方；计算机设置在上层支撑平台上，与控制箱进行通讯连接；垂准仪组件设置在竖井的内壁上，通过多层支撑平台的测量通道照射在载物平台上。本申请采用垂准仪、相机、双轴倾斜仪及陀螺仪结合的方式，计算竖井掘进机的姿态，消除由于自身自转角带来的水平偏差值的影响，能够精确的进行竖井掘进机水平偏差姿态的解算。平偏差姿态的解算。平偏差姿态的解算。
【技术实现步骤摘要】
一种竖井掘进机姿态确定系统及姿态确定方法
[0001]
[0002]本申请涉及竖井掘进机
，具体而言，涉及一种竖井掘进机姿态确定系统及姿态确定方法。
[0003]
技术介绍
[0004]掘进机一般分为水平掘进机和竖井掘进机，在竖井掘进机施工过程中，竖井姿态确定系统是用于实时监视竖井掘进机的位置及姿态的重要系统。通过该系统可以实时掌握竖井掘进机的位置及姿态，使竖井掘进机能够按照垂直向下的方向向下挖掘，保证竖井成形的质量。目前，应用于竖井掘进机的姿态确定系统非常少。
[0005]在现有技术中，专利(CN106246186B)公开了一种竖井掘进机导向控制及调整方法，利用位移测量系统测得竖井掘进机轴线水平位移偏移量以及姿态测量系统测得竖井掘进机轴线掘进角度偏移量。专利(CN111272156B)公开了一种用于确定竖井掘进机姿态的自动测量设备、方法、系统，使用双感光靶、双轴倾斜仪获取相关数据并通过计算得出掘进机当前的倾斜俯仰姿态、偏移量和滚动角。专利(CN112964236A)公开了一种用于竖井掘进机的激光姿态确定系统及其导向方法，使用双激光发射器、激光靶、倾角仪获取相关数据并通过计算得出竖井掘进机当前竖井掘进机的大地坐标与设计轴线的偏差以及竖井掘进机的偏航角。
[0006]但是，在第一个专利未考虑掘进机在实际工作中产生的自转问题，部分设备因没有及时纠正掘进机的自转角度而削弱了其工作性能或者使用寿命，而掘进机的自转角度也影响着水平位移偏移量的测量，按照上述方案测得的水平位移偏移量会出现较大误差。第二个和第三个专利虽然考虑了竖井掘进机在使用过程中自转角度对竖井掘进机的姿态影响，但是其计算的自转角精度不高，也并未提及如何消除自转角对竖向掘进机姿态的影响，其次两种方案对确定竖井掘进机的设备的安装使用要求较高，在复杂环境下难以保证，并且未考虑人为安装测量设备的误差最终无法准确的解算出掘进机的偏移量与自转角。
[0007]
技术实现思路
[0008]本申请的主要目的在于提供一种竖井掘进机姿态确定系统及姿态确定方法，采用垂准仪、相机、双轴倾斜仪及陀螺仪结合的方式，计算竖井掘进机的姿态。
[0009]为了实现上述目的，本申请提供了一种竖井掘进机姿态确定系统，包括计算机、垂准仪组件，支撑平台以及姿态采集模块，其中：所述姿态采集模块设置在竖井掘进机顶部的载物平台上，用于采集所述载物平台移动的位置信息及角度信息，所述姿态采集模块包括陀螺仪、双轴倾斜仪、控制箱以及相机；
所述支撑平台为多层结构，设置在所述载物平台的上方；所述计算机设置在所述支撑平台的最上层上，与所述控制箱通过总线进行通讯连接；所述垂准仪组件用于设置在竖井的墙壁上，所述垂准仪组件发射的光线沿所述多层支撑平台的测量通道照射在所述载物平台上，所述相机通过拍照获取所述垂准仪组件的光线投射的图像；所述计算机用于，在竖井掘进机掘进过程中，实时进行位置信息和角度信息的采集以及投射图像的获取，并与初始姿态下竖井掘进机的相应信息进行比对，确定竖井掘进机顶部载物平台与初始姿态下的偏差值，并根据偏差值计算确定竖井掘进机在掘进过程中的姿态。
[0010]进一步的，所述控制箱通过总线分别与所述陀螺仪、所述双轴倾斜仪以及所述相机通讯连接；所述陀螺仪用于采集所述载物平台移动的所述位置信息，所述双轴倾斜仪用于采集所述载物平台移动的所述角度信息。
[0011]进一步的，所述垂准仪组件包括垂准仪、底座以及支架，所述支架用于固定在所述竖井的墙壁上，所述垂准仪通过所述底座固定在所述支架上。
[0012]进一步的，所述计算机用于，以竖井掘进机顶部载物平台的中心点为原点、正北方向为X轴的初始X轴正方向、正东方向为Y轴的初始Y轴正方向，建立初始姿态标定坐标；所述初始姿态标定坐标用于确定所述竖井掘进机顶部的载物平台对应的所述偏差值。
[0013]进一步的，所述陀螺仪的X轴正方向与所述初始姿态标定坐标的初始X轴正方向一致，所述陀螺仪的Y轴正方向与所述初始姿态标定坐标的初始Y轴正方向一致，所述陀螺仪用于基于所述初始姿态标定坐标采集所述位置信息。
[0014]进一步的，所述双轴倾斜仪的X轴正方向与所述初始姿态标定坐标的初始X轴正方向一致，所述双轴倾斜仪的Y轴正方向与所述初始姿态标定坐标的初始Y轴正方向一致，所述双轴倾斜仪用于基于所述初始姿态标定坐标采集所述角度信息。
[0015]进一步的，所述相机拍照区域边界与所述第一坐标系垂直；所述计算机用于，根据所述相机拍摄的所述垂准仪投射光线投射的图像，以所述相机拍摄中心点为原点建立第二坐标系，所述第二坐标系用于确定投射图像光斑的位置。
[0016]进一步的，所述计算机用于：在所述竖井掘进机掘进过程中，根据所述第二坐标系对应的自转角度以及与所述第一坐标系之间的角度，建立第三坐标系，所述第三坐标系用于确定竖井掘进机掘进过程中角度的变化，所述第三坐标系与所述第一坐标系的坐标轴平行；根据载物平台在所述第三坐标系中的位置，能够确定载物平台与初始姿态下的偏差值。
[0017]此外，本申请还提供了一种应用竖井掘进机姿态确定系统的姿态确定方法，包括如下步骤：步骤1：利用相机拍摄垂准仪投射在竖井掘进机顶部载物平台的激光图像；步骤2：获取安装在竖井掘进机顶部载物平台上的双轴倾斜仪的X轴角度和Y轴角度；步骤3：获取安装在竖井掘进机顶部载物平台上的陀螺仪的X轴角度、Y轴角度和方位角角度；步骤4：将
步骤1中的激光图像进行二值化处理，使用Canny算子将二值化后的图像中内容进行边缘提取，通过霍夫圆寻找边缘提取后的图像内的圆元素，并根据垂准仪投射光斑的圆面积大小寻找图像内的垂准仪投射光斑；步骤5：根据光斑圆心的位置以及相机拍摄的中心点，进行坐标系的转换，确定第二坐标系；步骤6：根据第一坐标系确定竖井掘进机顶部载物平台的初始姿态，根据第二坐标系确定垂准仪投射光斑的位置，结合载物平台初始姿态以及垂准仪投射光斑的位置设立初始姿态点；步骤7：竖井掘进机开始进行掘进，根据第二坐标系自转角度以及与第一坐标系之间的角度，建立第三坐标系；步骤8：将步骤6中初始姿态点在第三坐标系中进行转化，确定此时竖井掘进顶部载物平台中心点的偏差值；步骤9：根据双轴倾斜仪的X轴和Y轴的角度以及竖井掘进机顶部载物平台中心到竖井掘进机顶部的距离分别计算竖井掘进机顶部X轴和Y轴偏差值；步骤10：重复上述过程，根据掘进顶部载物平台中心点的偏差值以及竖井掘进机顶部X轴和Y轴偏差值，确定竖井掘进机的姿态。
[0018]本专利技术提供的一种竖井掘进机姿态确定系统及姿态确定方法，具有以下有益效果：本申请采用垂准仪、相机、双轴倾斜仪及陀螺仪结合的方式，计算竖井掘进机的姿态，同时在计算过程中预测上一次坐标经竖井掘进机运行自转后的坐标，同时使用预测后的坐标与此次实际测量点的坐标进行计算，由此消除由于自身自转角带来的水平偏差值的影响，能够精确的进行竖井掘进机水平偏差姿态的解算。
[0019]附图说明
[0020]构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种竖井掘进机姿态确定系统，其特征在于，包括计算机、垂准仪组件，支撑平台以及姿态采集模块，其中：所述姿态采集模块设置在竖井掘进机顶部的载物平台上，用于采集所述载物平台移动的位置信息及角度信息，所述姿态采集模块包括陀螺仪、双轴倾斜仪、控制箱以及相机；所述支撑平台为多层结构，设置在所述载物平台的上方；所述计算机设置在所述支撑平台的最上层上，与所述控制箱通过总线进行通讯连接；所述垂准仪组件用于设置在竖井的墙壁上，所述垂准仪组件发射的光线沿所述多层支撑平台的测量通道照射在所述载物平台上，所述相机通过拍照获取所述垂准仪组件的光线投射的图像；所述计算机用于，在竖井掘进机掘进过程中，实时进行位置信息和角度信息的采集以及投射图像的获取，并与初始姿态下竖井掘进机的相应信息进行比对，确定竖井掘进机顶部载物平台与初始姿态下的偏差值，并根据偏差值计算确定竖井掘进机在掘进过程中的姿态。2.如权利要求1所述的竖井掘进机姿态确定系统，其特征在于，所述控制箱通过总线分别与所述陀螺仪、所述双轴倾斜仪以及所述相机通讯连接；所述陀螺仪用于采集所述载物平台移动的所述位置信息，所述双轴倾斜仪用于采集所述载物平台移动的所述角度信息。3.如权利要求2所述的竖井掘进机姿态确定系统，其特征在于，所述垂准仪组件包括垂准仪、底座以及支架，所述支架用于固定在所述竖井的墙壁上，所述垂准仪通过所述底座固定在所述支架上。4.如权利要求3所述的竖井掘进机姿态确定系统，其特征在于，所述计算机用于，以竖井掘进机顶部载物平台的中心点为原点、正北方向为X轴的初始X轴正方向、正东方向为Y轴的初始Y轴正方向，建立初始姿态标定坐标；所述初始姿态标定坐标用于确定所述竖井掘进机顶部的载物平台对应的所述偏差值。5.如权利要求4所述的竖井掘进机姿态确定系统，其特征在于，所述陀螺仪的X轴正方向与所述初始姿态标定坐标的初始X轴正方向一致，所述陀螺仪的Y轴正方向与所述初始姿态标定坐标的初始Y轴正方向一致，所述陀螺仪用于基于所述初始姿态标定坐标采集所述位置信息。6.如权利要求4所述的竖井掘进机姿态确定系统，其特征在于，所述双轴倾斜仪的X轴正方向与所述初始姿态标定坐标的初始X轴正方向一致，所述双轴倾斜仪的Y轴正方向与所述初始姿态标定坐标的初始Y轴正方向一致，所述双轴倾斜仪用于基...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴志洋，王慈航，杨甜甜，丁晓辉，杨正凡，付凯凯，匡余，王龙驹，徐胜，刘泉，王大源，
申请(专利权)人：中交天和机械设备制造有限公司，
类型：发明
国别省市：
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