CN103123391A - 掘进机无线导航定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种掘进机无线导航定位系统和方法，系统包括定位主机、基准无线节点装置、中继无线节点装置和节点投放装置构成。定位主机和节点投放装置安装在掘进机上，基准无线节点装置和中继无线节点装置放在掘进机前进的路线上，位于掘进机机身的纵向中心线上的定位主机位，在掘进机前移时，向两个无线节点装置分别发出不同编码的无线信号，两个无线节点装置接收到定位主机的信号后立即发出响应信号，定位主机可以根据发出和接收信号的时间差，可以得到与两个基准无线节点装置之间的距离，通过两个距离的比较，可以发现掘进机前移与预设直线方向的偏差，定位主机将偏差信息发送给掘进机的控制系统，以实现掘进机前移过程的导航定位。

Description

掘进机无线导航定位系统和方法

技术领域

本发明涉及一种掘进机导航定位系统和方法，尤其是一种掘进机无线导航定位系统和方法。

背景技术

巷道掘进时的精确导向问题是巷道施工时的一个关键问题，导向精度的高低直接影响巷道的施工质量和施工效率。煤矿掘进机为了按照预先规定的路线掘进，目前国内将激光束投射到需要挖掘的煤岩上，根据激光束的指向，人工不断地给操作司机提示，非常麻烦；国外将激光接收器安装在掘进机上，通过掘进机身的调整，进行定向挖掘，这种方法的缺点是由于掘进机的倾斜、跑偏等现象，机身上的激光接收器很难接收到进行导向的激光束，国内有关研究提出了“智能经纬仪导向”的思路，即将激光接收器设计成可以自由活动的测量机器人，该方法实际上由于现场地形和环境的复杂难以实施，此外通过左右行走马达将机身调正需要很长的时间，会大大影响掘进机的工作效率。公开号为CN101266134，名称为“悬臂掘进机头位姿的测量系统及其方法”的专利通过测量掘进机车体在大地坐标系的坐标，测量掘进机车体偏摆角、仰俯角、横滚角和油缸行程，计算悬臂掘进机头相对车体以及大地坐标系的位姿。此法数据采集处理复杂，没有直接标定掘进悬臂对准掘进断面中心坐标的信息，且调整时间较长。目前的无线导航定位方法有许多研究和技术，但大多算法复杂，不利于快速定位和控制。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种结构简单，工作效率高的掘进机无线导航定位系统和方法。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：该定位系统包括：定位主机、基准无线节点装置、中继无线节点装置和节点投放装置；定位主机和节点投放装置安装在掘进机上，定位主机设置在掘进机的机身上，位于掘进机的中心线上，节点投放装置位于定位主机的两侧，基准无线节点装置有两个，预先放置地面作为基准；中继无线节点装置有多个，通过节点投放装置投放至地面，基准无线节点装置和中继无线节点装置放置地面的位置为掘进机前进的中心线对称的两侧。

所述的定位主机由单片机、无线通信模块和接口电路构成；无线通信模块和接口电路与单片机连接，并进行又向通信。

所述的基准无线节点装置和中继无线节点装置由微处理器和无线通信电路构成；微处理器与无线通信电路连接，并进行双向通信，微处理器和无线通信电路由本安电池供电。

所述的节点投放装置由电机驱动电路、步进电机、转臂、激磁电路、电流传感器、电磁线圈和定位漏筒构成；电机驱动电路与步进电机连接，步进电机与转臂的一端连接，转臂的另一端与电磁线圈连接，激磁电路通过电流传感器与电磁线圈连接；电磁线圈与中继无线节点装置连接，在中继无线节点装置的下方有定位漏筒。

所述的电磁线圈包括不锈钢天线、天线塑料护套和外壳，不锈钢天线外套接有天线塑料护套，不锈钢天线位于外壳上，外壳为大半球状，不锈钢天线位于不半球的平面上。

该定位方法是：

（1）首先将两个基准无线节点装置放置掘进机后面中心线对称的两边地面上，定位主机位于掘进机机身的纵向中心线上；

（2）掘进机前移时，定位主机向两个基准无线节点装置分别发出不同编码的无线信号，两个基准无线节点装置接收到定位主机的信号后立即发出响应信号；

（3）定位主机可以根据发出和接收信号的时间差，可以得到与两个基准无线节点装置之间的距离，通过两个距离的比较，确定与掘进机前移与预设直线方向的偏差；

（4）定位主机将偏差信号通过接口电路发送至掘进机的控制系统，调整掘进机的方向，保证掘进机的定向前移；

（5）当定位主机随着掘进机前移接收不到两个基准无线节点装置的无线信号时，定位主机控制掘进机上的两个节点投放装置投放两个中继无线节点装置，代替两个基准无线节点装置与定位主机继续相同的通信定位；

（6）节点投放装置投放中继无线节点装置的方法是，首先定位主机控制激磁电路使电磁线圈产生磁场，同时控制电机驱动电路驱动步进电机转动转臂，当电磁线圈吸住中继无线节点装置的不锈钢天线后，通过电流传感器的检测得到确认，然后将转臂旋转到对准定位漏筒的上部，中断激磁电路的供电，使得电磁线圈磁场消失，中继无线节点装置脱离磁场吸力后顺着定位漏筒达到地面，实现中继无线节点装置的定位投放；

（7）定位主机发出无线激活信号，将原来处于休眠状态投放到地面的中继无线节点装置唤醒，使中继无线节点装置代替基准无线节点装置继续通过无线方式进行定位工作。

有益效果，由于采用了上述方案，该发明较好的地解决了掘进机在没有传统激光引导的条件下，实现自主导航定位的前移。采用相对位置的三角形定位方法，首先将两个基准无线节点装置放置掘进机后面中心线对称的两边地面上，与掘进机中心线上的定位主机构成等腰三角形的三个顶点，通过位于掘进机中心线上的定位主机与基准无线节点装置利用无线信号通信获得等腰三角形的两条边长，通过等腰三角形的两条边长判断掘进机是否处前进在巷道中心线上；当掘进机远离距基准无线节点装置的无线通信距离时，掘进机通过自动投放中继无线节点装置，代替原来基准无线节点装置，继续采用几何定位方法进行掘进机的导航，实现掘进机在矿井的导航定位，结构简单，工作效率高。

优点是，定位算法简单，定位所用的无线节点装置，还可用于掘进机信号的传输，为掘进机的远程监测和控制提供条件。在环境恶劣煤矿井下实现掘进机的远程控监测和控制，为无人采矿的自动化工程建设创造条件。

附图说明

图1是本发明的掘进机无线导航定位系统构成示意图。

图2是本发明的定位主机结构框图。

图3是本发明的无线节点装置的结构框图。

图4是本发明的节点投放装置的构成示意图。

图5是本发明的无线节点装置外形图。

图6是本发明的掘进机定位方法说明图。

图7是本发明的掘进机导航定位示意图。

图中，1、定位主机；2、基准无线节点装置；3、中继无线节点装置；4、节点投放装置；5、单片机；6、无线通信模块；7、接口电路；8、微处理器；9、无线通信电路；10、本安电池；11、电机驱动电路；12、步进电机；13、激磁电路；14、电流传感器；15、转臂；16、电磁线圈；17、定位漏筒；18、掘进机。

具体实施方式

实施例1：该定位系统包括：定位主机1、基准无线节点装置2、中继无线节点装置3和节点投放装置4；定位主机1和节点投放装置4安装在掘进机18上，节点投放装置4位于定位主机1的两侧，基准无线节点装置2有两个，通过人工放置在地面；中继无线节点装置3有数十个，通过节点投放装置4投放至地面，基准无线节点装置2和中继无线节点装置3放置地面的位置为掘进机18前进的中心线对称的两侧。

所述的定位主机1由单片机5、无线通信模块6和接口电路7构成；无线通信模块6和接口电路7与单片机5连接，并进行又向通信；单片机5的型号为ATMEGA16，无线通信模块6的型号为NRF905，接口电路的型号为MAX232。

所述的基准无线节点装置2和中继无线节点装置3由微处理器8和无线通信电路9构成；微处理器8与无线通信电路9连接，并进行双向通信，微处理器8和无线通信电路9由本安电池供电。微处理器8的型号为MSP430，无线通信电路9的型号为NRF401。

所述的节点投放装置4由电机驱动电路11、步进电机12、转臂15、激磁电路13、电流传感器14、电磁线圈16和定位漏筒17构成；电机驱动电路11与步进电机12连接，步进电机12与转臂15的一端连接，转臂15的另一端与电磁线圈16连接，激磁电路13通过电流传感器14与电磁线圈16连接；电磁线圈16与中继无线节点装置3连接，在中继无线节点装置3的下方有定位漏筒17。

所述的电磁线圈16包括不锈钢天线、天线塑料护套和外壳，不锈钢天线外套接有天线塑料护套，不锈钢天线位于外壳上，外壳为大半球状，不锈钢天线位于不半球的平面上。

本发明的一种掘进机无线导航定位方法是：

（1）首先将两个基准无线节点装置2放置掘进机18后面中心线对称的两边地面上，定位主机1位于掘进机18机身的纵向中心线上；

（2）掘进机18前移时，定位主机1向两个基准无线节点装置2分别发出不同编码的无线信号，两个基准无线节点装置2接收到定位主机1的信号后立即发出响应信号；

（3）定位主机1可以根据发出和接收信号的时间差，可以得到与两个基准无线节点装置2之间的距离，通过两个距离的比较，确定掘进机前移与预设直线方向的偏差；

（4）定位主机1将偏差信号通过接口电路7发送至掘进机18的控制系统，调整掘进机的方向，保证掘进机的定向前移；

（5）当定位主机1随着掘进机前移接收不到两个基准无线节点装置2的无线信号时，定位主机1控制掘进机上的两个节点投放装置4投放两个中继无线节点装置3，代替两个基准无线节点装置2与定位主机1继续相同的通信定位。

（6）节点投放装置4投放中继无线节点装置3的方法是，首先定位主机1控制激磁电路13使电磁线圈16产生磁场，同时控制电机驱动电路11驱动步进电机12转动转臂15，当电磁线圈16吸住掘进机上放置的中继无线节点装置3的不锈钢天线后，通过电流传感器14的检测得到确认，然后将转臂15旋转到对准定位漏筒17的上部，中断激磁电路13的供电，使得电磁线圈16的磁场消失，中继无线节点装置3脱离磁场吸力后顺着定位漏筒17达到地面，实现中继无线节点装置的定位投放。

（7）定位主机1发出无线激活信号，将原来处于休眠状态投放到地面的中继无线节点装置3唤醒，使中继无线节点装置3代替基准无线节点装置2继续通过无线方式进行定位工作。

图1中是基本构成示意图，系统主要由定位主机1、基准无线节点装置2、中继无线节点装置3和节点投放装置4构成；

图2中是定位主机结构框图，定位主机1由单片机5、无线通信模块6和接口电路7构成，定位主机1通过无线通信模块6与基准无线节点装置2和中继无线节点装置3通信，通过接口电路7输出信号至节点投放装置4和掘进机控制系统；

图3中是无线节点装置的结构框图，基准无线节点装置2和中继无线节点装置3通信的电路原理相同，都由微处理器8和无线通信电路9构成。

图4中是节点投放装置4的示意图，由电机驱动电路11、步进电机12、转臂15、激磁电路13、电流传感器14、电磁线圈16和定位漏筒17构成。投放中继无线节点装置3的方法是，首先定位主机1控制激磁电路13使电磁线圈16产生磁场，同时控制电机驱动电路11驱动步进电机12转动转臂15，当电磁线圈16吸住中继无线节点装置3的不锈钢天线后，通过电流传感器14的检测得到确认，然后将转臂15旋转到对准定位漏筒17的上部，中断激磁电路13的供电，使得电磁线圈16的磁场消失，中继无线节点装置3脱离磁场吸力后顺着定位漏筒17达到地面，实现中继无线节点装置的定位投放。

图5中是无线节点装置外形图，主体呈半圆体，天线末端为不锈钢，主体外壳为ABS工程塑料。

图6中是掘进机定位方法说明图，两个基准无线节点装置2放置掘进机18后面中心线对称的两边地面上，定位主机1位于掘进机18机身的纵向中心线上；掘进机18前移时，定位主机1向两个基准无线节点装置2分别发出不同编码的无线信号，两个基准无线节点装置2接收到定位主机1的信号后立即发出响应信号；定位主机1可以根据发出和接收信号的时间差，可以得到与两个基准无线节点装置2之间的距离d1和d2，通过两个距离的比较，可以发现掘进机前移与预设直线方向的偏差.即如果d1-d2>0，则表示掘进机距中心线偏右；即如果d1-d2<0，则表示掘进机距中心线偏左；即如果d1-d2=0，则表示掘进机前移方向在中心线上。由此可以保证掘进机的直线导航前移。

图7中是掘进机导航定位示意图，随着掘进机的前移，当掘进机上的主机接收不到地面无线节点装置的信号后，就要控制节点投放装置投放中继无线节点装置3，投放的两个中继无线节点装置3在中心线对称的两侧，可以代替两个基准无线节点装置2继续与定位主机的通信导航定位工作。

Claims (6)

1.一种掘进机无线导航定位系统，其特征是：该定位系统包括：定位主机、基准无线节点装置、中继无线节点装置和节点投放装置；定位主机和节点投放装置安装在掘进机上，定位主机设置在掘进机的机身上，位于掘进机的中心线上，节点投放装置位于定位主机的两侧，基准无线节点装置有两个，预先放置地面作为基准；中继无线节点装置有多个，通过节点投放装置投放至地面，基准无线节点装置和中继无线节点装置放置地面的位置为掘进机前进的中心线对称的两侧。

2.根据权利要求1所述的掘进机无线导航定位系统，其特征是：所述的定位主机由单片机、无线通信模块和接口电路构成；无线通信模块和接口电路与单片机连接，并进行又向通信。

3.根据权利要求1所述的掘进机无线导航定位系统，其特征是：所述的基准无线节点装置和中继无线节点装置由微处理器和无线通信电路构成；微处理器与无线通信电路连接，并进行双向通信，微处理器和无线通信电路由本安电池供电。

4.根据权利要求1所述的掘进机无线导航定位系统，其特征是：所述的节点投放装置由电机驱动电路、步进电机、转臂、激磁电路、电流传感器、电磁线圈和定位漏筒构成；电机驱动电路与步进电机连接，步进电机与转臂的一端连接，转臂的另一端与电磁线圈连接，激磁电路通过电流传感器与电磁线圈连接；电磁线圈与中继无线节点装置连接，在中继无线节点装置的下方有定位漏筒。

5.根据权利要求1所述的掘进机无线导航定位系统，其特征是：所述的电磁线圈包括不锈钢天线、天线塑料护套和外壳，不锈钢天线外套接有天线塑料护套，不锈钢天线位于外壳上，外壳为大半球状，不锈钢天线位于不半球的平面上。

6.一种实施掘进机无线导航定位系统的方法，其特征是：该定位方法是：

（1）首先将两个基准无线节点装置放置掘进机后面中心线对称的两边地面上，定位主机位于掘进机机身的纵向中心线上；

（2）掘进机前移时，定位主机向两个基准无线节点装置分别发出不同编码的无线信号，两个基准无线节点装置接收到定位主机的信号后立即发出响应信号；

（3）定位主机可以根据发出和接收信号的时间差，可以得到与两个基准无线节点装置之间的距离，通过两个距离的比较，确定与掘进机前移与预设直线方向的偏差；

（4）定位主机将偏差信号通过接口电路发送至掘进机的控制系统，调整掘进机的方向，保证掘进机的定向前移；

（5）当定位主机随着掘进机前移接收不到两个基准无线节点装置的无线信号时，定位主机控制掘进机上的两个节点投放装置投放两个中继无线节点装置，代替两个基准无线节点装置与定位主机继续相同的通信定位；

（6）节点投放装置投放中继无线节点装置的方法是，首先定位主机控制激磁电路使电磁线圈产生磁场，同时控制电机驱动电路驱动步进电机转动转臂，当电磁线圈吸住中继无线节点装置的不锈钢天线后，通过电流传感器的检测得到确认，然后将转臂旋转到对准定位漏筒的上部，中断激磁电路的供电，使得电磁线圈磁场消失，中继无线节点装置脱离磁场吸力后顺着定位漏筒达到地面，实现中继无线节点装置的定位投放；

（7）定位主机发出无线激活信号，将原来处于休眠状态投放到地面的中继无线节点装置唤醒，使中继无线节点装置代替基准无线节点装置继续通过无线方式进行定位工作。

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