一种悬臂式掘进机的位姿测量系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种悬臂式掘进机的位姿测量系统，其包括：设于巷道内的用于发出红外测距激光和用于提供巷道掘进方向的可见激光的激光指向测距仪、设于掘进机上且与掘进机机身轴线平行的光测角仪；光测角仪包括平行于掘进机基准平面设置的倾角传感器。可见激光经光测角仪凸透镜在其焦平面成像，由像点坐标得到光测角仪的光轴相对于激光光束的方向角α′和俯仰角β′，通过平行于掘进机基准平面安装的倾角传感器可得到机身相对于水平面的横滚角γ，进而修正方向角α′、俯仰角β′，完成方向角α、俯仰角β及相对水平面横滚角γ姿态参数的测量。由测距激光得到距掘进机机身距离结合激光指向测距仪的位置坐标、光束发射角度参数可得到掘进机位置坐标。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种煤矿采掘设备的位置和姿态(以下简称位姿)检测的
，特别是涉及一种悬臂式掘进机的位姿测量系统。
技术介绍
悬臂式掘进机是一种部分断面掘进机，其结构特点是在回转座上装有截割用可伸缩悬臂，在悬臂前端装有截割头，通过截割头的旋转和悬臂的上、下、左、右摆动，依次破落煤(岩)，根据对截割头的运动轨迹控制，可截割出梯形、拱形、矩形等断面的巷道，掘进机同时具有装载及行走功能。悬臂式掘进机是我国煤巷综合机械化生产中应用最广泛的巷道掘进机械装备。采用悬臂式掘进机在巷道掘进作业中的一般工艺流程是准备(掘进机行走到位)一割煤(截割)、进料、出煤(渣)一临时支护一永久支护一下一循环。人工操作悬臂式掘进机在巷道掘进作业时，主要依靠激光指向器在巷道断面上形成的光斑作为参考，通过手动操作控制掘进机截割头的运动轨迹，从而形成截割断面。由于工作环境极其恶劣，影响作业人员的健康，安全隐患较大，且截割过程中产生的粉尘严重影响操作人员的视线，极易造成超挖、欠挖现象，虽然在实际施工时还配备了辅助人员反馈前方截割情况，但效果不理想，截割断面不规整，且人员的增加导致安全系数进一步降低，所以在截割作业时采用可使操作者远离掘进机的自动控制截割头运动的模式是发展方向。若要实现截割头运动的自动控制，必须确定其运动轨迹，使其所形成的断面符合设计的要求，首先发布确定在截割前掘进机姿态与该点(位置)设计轴线(方向)间的关系(差值)。现有的测量掘进机位置、姿态的方法均为通过精密的“全站仪类”设备和空间位置参考点测量出截割作业前掘进机所处的精确空间位置，比较其与设计巷道轴线所经过点的关系(差值)，测得掘进机相对水平面的姿态参数，与设计中经过该点的轴线方向比较， 求得两者间的关系(差值)。中国专利文献公告号为CN201013380Y公开的全自动掘进机，其通过航天导航定位仪，实时监测掘进机在惯性空间的绝对位置坐标，对掘进机和截割头进行控制，实现全自动掘进。该方案的关键是要测量出掘进机的精确位置，而煤矿井下恶劣的环境以及掘进机自身的震动已远超出了精密的航天仪器的正常工作条件，故无法得到所需的精确结果，造成其可靠性较低，另外，精密航天仪器的造价较高，导致其实施成本较高。中国专利文献公告号为CN101629807A，公开了一种掘进机机身位姿参数测量系统及方法，该方案采用线状激光器发射扇形激光光束，通过两路光敏元件感应掘进机机身的线性光斑，通过检测光斑位置，结合已知的光敏元件与掘进机机身位置关系计算得到掘进机的位姿参数。该方法的问题在于并没有所需的掘进机姿态与该点设计轴线方向间的关系，而若获得所需的关系参数必先获得掘进机的精确空间位置，而该方案中却没有进行相应的测量。另由于该方案采样基准为扇形激光光束，扇形激光光束限制了其工作距离非常有限，需要频繁调整基准光束位置，施工工作量增加，施工难度较大，影响生产效率，通过两路光敏元件感应线状激光的方式也不能限定掘进机截割动作开始前在巷道横向位置区域， 且该方案不能测量掘进机在地球绝对坐标系中的位置坐标，不能测量基准参考点距掘进机的距离值，因而也无法得到掘进机的掘进工作量信息。因此，如何彻底解决悬臂式掘进机位姿测量问题并提供一种经济实用的测量系统，是本领域要解决的技术问题。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题在于提供一种可靠性较好的、经济实用的悬臂式掘进机位的姿测量系统，以完成悬臂式掘进机机身位姿参数的绝对测量，解决井下掘进机位姿测量无核心设备可用的关键问题。为解决上述技术问题，本技术的悬臂式掘进机的位姿测量系统的包括发出红外测距激光和用于提供巷道掘进方向的可见激光的激光指向测距仪1、设于掘进机上且与掘进机机身轴线平行的光测角仪2 ；光测角仪2包括平行于掘进机基准平面设置的倾角传感器10。工作时，激光指向测距仪1分别发出可见激光与红外测距激光，所述可见激光经光测角仪2中的凸透镜11在其焦平面成像，由所述可见激光在该焦平面上的像点坐标得到光测角仪2的光轴相对于所述可见激光的方向角α ‘和俯仰角β'，也即掘进机机身轴线相对于所述可见激光的方向角和俯仰角，通过所述倾角传感器可得到掘进机机身相对于水平面的横滚角Y，进而通过该横滚角Y对所述方向角α ‘和俯仰角β ‘进行修正，从而得出掘进机相对所述可见激光的方向角α、俯仰角β及相对水平面横滚角Y，即得到掘进机的姿态信息；然后，通过所述测距激光得到激光指向测距仪1与掘进机机身的间距，结合激光指向测距仪1所在点的位置坐标、所述可见激光的光束发射角度参数可得到掘进机的位置坐标，从而完成了掘进机的位置、姿态信息的测量。激光指向测距仪1同时提供其作为巷道设计基准的可见激光束指向、测量掘进机 4与空间位置参考点间距离以及向光测角仪输出空间位置参考点坐标、基准指向激光光束方向参数的三大功能。进一步，所述激光指向测距仪1设于用于控制激光指向测距仪1的朝向的调整机构3上，激光指向测距仪1包括激光指向器5、激光测距传感器6、以及与激光指向器5和激光测距传感器6相连的控制电路7 ；所述光测角仪2还包括设于所述凸透镜11的焦平面上的面阵光敏元件9、与该面阵光敏元件9相连的用于检测所述可见激光在该焦平面上的像点坐标的A/D转换及数据处理模块8 ；所述倾角传感器10将测得的数据传传输至A/D 转换及数据处理模块8。作为最优的方案，所述激光指向测距仪1与光测角仪2之间通过所述可见激光进行光数字通信，以使激光指向测距仪1将测得的激光指向测距仪1与掘进机机身的距离、激光指向测距仪1所在点的位置坐标、所述可见激光的光束发射角度参数发送至光测角仪2， 光测角仪2结合所述掘进机相对所述可见激光的方向角α、俯仰角β及相对水平面横滚角 Y，得出掘进机的位置坐标。进一步，所述光测角仪2在进行角度测量和光数字通信时，共用所述面阵光敏元件9。进一步，所述光测角仪还包括设于所述凸透镜11外围的光电引导靶标13，当所述可见激光照射到光电引导靶标13上，A/D转换及数据处理模块8可通过扫描光电引导靶标13上的光敏元件得到所述可见激光照射的部位并输出所述可见激光所在位置的数据信息，以供掘进机驾驶员参考并调整掘进机4机身位姿，以使所述凸透镜11始终能接收所述可见激光。本技术利用已有的激光指向光束，该光束提供了巷道中各点(位置)的设计方向，通过光学测量方式直接获得掘进机机身轴线方向与设计基准轴线方向之间的关系即方向角、俯仰角、掘进机机身与地平面间横滚角；通过测量掘进机与空间参考点间的距离， 及将空间参考点坐标、设计基准轴线方向的数字化后，求得掘进机的位置坐标参数。用此方法在每次截割动作开始前对掘进机位姿信息的测量，即可求得符合要求的截割轨迹，实现对截割头运动的自动控制。本技术的特点是充分利用已有的激光指向光束，避开了需精确测量掘进机位置，而目前无在掘进工作面条件下可用的精密测量仪器的难题；其次，所有测量设备的误差与距离无关；再之，该方法对其测量仪器的精度要求远远小于位置测量对仪器的精度要求， 便于在其恶劣工作环境条件下的实现。本技术进一步要解决的技术问题在于提供一种悬臂式掘进机的位置、姿态参数的在线测量的系统，得到实时的掘进机位置、姿态参数，为悬臂式掘进机的全自动掘进提供数据支持。激光指向测距仪由煤本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种悬臂式掘进机的位姿测量系统，其特征在于包括：设于巷道内的用于发出红外测距激光和用于提供巷道掘进方向的可见激光的激光指向测距仪（１）、设于掘进机上且与掘进机机身轴线平行的光测角仪（２）；光测角仪（２）包括平行于掘进机基准平面设置的倾角传感器（１０）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邓国华，朱承建，周李兵，贾洪刚，顾巧明，陆铮，王全国，贺耀宜，杨帆，陈晓晶，赵立厂，张立斌，
申请(专利权)人：天地常州自动化股份有限公司，中煤科工集团常州自动化研究院，
类型：实用新型
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