CN104776843A - 一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿参数的测量方法，由两个双轴倾角传感器，两个位移传感器，两个红外激光发射器，两个球形激光接收器及A/D转换模块组成。双轴倾角传感器测量掘进机的俯仰角和滚动角；位移传感器通过测量油缸的位移可得到掘进机截割头的空间位置。红外激光发射器与球形激光接收器在巷道固定坐标系中组成测量系统，发射器发射出三束激光，接收器在接收到光束后，利用光束之间的几何关系与发射器的旋转角速度通过前方交会原理确定接收器的空间坐标。得到悬臂式掘进机的偏角和偏距，完成掘进机机身位姿参数测量。本发明具有成本低、精度高、操作简单等优点，可对悬臂式掘进机的机身及截割头的位姿进行测量。

Description

一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测方法

技术领域：

本发明涉及一种煤矿井下采掘设备位置与姿态及其特殊部位的位姿检测的技术领域，特别是涉及一种悬臂式掘进机的位姿及其截割部位的位姿测量方法。

背景技术：

悬臂式掘进机是井下采掘装备中十分重要的一种，是我国煤巷综掘机械化生产中应用最为广泛的巷道掘进设备，其主要用于部分断面的截割，其突出的结构特点是在其回转台上安装有可伸缩摆动的悬臂，在悬臂的前端装有截割头，通过悬臂的摆动以及截割头的旋转，可以实现煤岩的脱落，掘进机操作台可以对截割头的运行轨迹进行控制，可以截割出各种形状的，例如矩形、拱形等断面的巷道，掘进机同时拥有行走及装载功能。

巷道掘进过程中，悬臂式掘进机的一般工艺流程为：掘进机行走到制定位置(准备环节)→截割→锚杆支护→永久支护(铺锚网)→循环。目前悬臂式掘进机在作业时的指向及定位主要通过巷道后方的激光指向仪在巷道断面上形成的光斑作为掘进机司机的主要参考，通过掘进机司机的手动操作以及过往经验控制掘进机截割头的运行轨迹，从而完成巷道断面的截割。煤矿综掘工作面的工作环境十分恶劣，噪音较大且粉尘严重，对于工作人员的健康以及工作效率有较大的影响，虽然激光指向仪的指向精度较高，但是在具体的操作环境下，由于综掘工作面粉尘严重，可见度较低，很大程度上要依赖掘进机司机的经验进行控制，因此在这种情况下巷道的超挖欠挖现象十分严重，在真实的生产环境下一般会有工作人员在巷道掘进面附近对于巷道的成型截割情况进行检查与反馈，在一定程度上控制了巷道的超挖与欠挖，但是增加了工作的人员数量，进一步增大了危险性，因此在进行巷道断面截割时，掘进机的远程控制以及自主巡航是未来的发展方向。

悬臂式掘进机的远程控制及自主巡航需要及时检测出掘进机的位姿信息以及截割部的位置，确定机身与截割头的运动轨迹，从而推断出巷道断面的成形状况，结合煤矿综掘面的巷道质量验收标准，确定是否符合设计要求，首先要确定的就是掘进机的方向角，即掘进机机身中线与巷道设计中线之间的角度。

现有的测量悬臂式掘进机位姿的方法有：通过全站仪(防爆型)等类似设备和通过相关设备从地上转移到井下的空间位置参考点测量出掘进工作进行前掘进机所处的精确空间位置，比较其与巷道设计中线的差值，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。现在未有广泛使用的截割头位置测量方法，大部分情 况下凭借激光指向仪以及掘进机司机的经验进行控制。

中国专利文献公告号为CN201013380Y公开的全自动掘进机，其通过航天技术中的导航定位仪，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，以此实现全自动掘进。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，而且航天仪器一般实时性较强，掘进机运动缓慢且掘进工作周期较长，故无法得到所需的精确结果，由于井下存在大量粉尘及掘进过程中的较大振动，使其可靠性较低，另外，精密航天仪器的造价较高，考虑到单个悬臂式掘进机的制造成本，推广较为困难。

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，该方案选择采用线状激光器发射扇形激光光束，线激光发射器由激光指向仪和线激光器机架定位，发出扇形激光束，在掘进机机身上形成线形光斑，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。该方法的问题在于不能得到掘进机的方向角即无法得到掘进机机身中线与巷道轴线之间的位置关系，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，在掘进机不断掘进及移动的过程中，需要不断的向前进行移站，施工工作量增大，工作难度较高，同时在此专利中没有对掘进机截割头的位置进行检测，无法得到完整的悬臂式掘进机位姿信息。

通过上述描述，准确方便测量悬臂式掘进机包括其截割头的所有位姿信息，提出一种简单且经济使用的检测方法是在本技术领域中亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种经济实用、使用方便且能完全体现悬臂式掘进机所有位姿参数的检测方法，以此来实现井下掘进机自主巡航与截割的关键问题。

为解决上述技术问题，本发明的悬臂式掘进机机身与截割头的位姿检测方法中所需的设备包括：发射扇面激光与选通光的红外激光发射器1、设置于掘进机机身后部与中线平行的可接收扇面激光信号并且能进行坐标解算的平面球形接收器2、设置机身电控箱盖板上的两轴倾角传感器4与安装与掘进机升降和回转液压缸内的矿用油缸位移传感器5。

机身俯仰角β、滚动角γ依靠机身上安装的两个倾角传感器进行测量。具体过程为:第一步，将两台倾角传感器安装在机身合适位置上。第一台传感器的角度检测方向，应设定为与机身中线平行的方向:该传感器的输出信号，应反映机身平面与水平面在机身纵方向上的绝对夹角。第二台传感器的角度检测方向，应设定为与机身中线垂直的方向；该传感器的输 出信号，应反映机身平面与水平面在机身横向上的绝对夹角。第二步，设法获知当前巷道底板的纵向水平倾角值、横向水平倾角值。此项数据可由煤矿地测部门设法负责提供。第三步，将第一台倾角传感器的角度读数，与当前巷道底板的纵向倾角相减，即可获得机身平面与当前巷道底板平而纵向之间的夹角值。此数值即是机身俯仰角β。将第二台倾角传感器的角度读数，与当前巷道底板的横向倾角相减，即可获得机身平面与当前巷道底板平面横向之间的夹角值。此数值即是机身滚动角γ。

工作时，机身俯仰角β主要依靠两轴倾角传感器4(用于监测机身中线平行方法的上的两轴倾角传感器A)获取。具体过程为：第一步，将倾角传感器A安装在机身电控箱盖板上。A传感器的角度检测方向，应设定为与机身中线平行的方向。该传感器的输出信号，应反映机身平面与水平面在机身纵方向上的绝对夹角。第二步，设法获知当前巷道底板的纵向水平倾角值。此项数据可由煤矿地测部门设法负责提供。第三步，将倾角传感器A的角度读数，与当前巷道底板的纵向倾角相减，即可获得机身平面与当前巷道底板平面纵向之间的夹角值。此数值即是机身俯仰角β。

此外，机身滚动角γ主要依靠机身倾角传感器3(用于监测机身中线平行方法的上的两轴倾角传感器B)获取。具体过程为:第一步，将倾角传感器B安装机身电控箱盖板上。B传感器的角度检测方向，应设定为与机身中线垂直的方向。该传感器的输出信号，应反映机身平面与水平面在机身横向上的绝对夹角。第二步，设法获知当前巷道底板的横向水平倾角值。此项数据可由煤矿地测部门设法负责提供。

这些测得的数据经过A/D转换模块传入可编程计算机控制器，得到悬臂式掘进机的俯仰角和滚动角。机身俯仰角与滚动角的分辨误差小于0.1度。

在掘进机的升降和回转液压缸内分别安装GUC1000型矿用位移传感器，测出升降液压缸伸缩量为l₁、回转右侧液压缸伸缩量为l₂，得到截割头空间位置坐标公式为：

z——截割头在巷道中的纵坐标；

L——截割臂的长度；

Δl——截割头伸缩油缸伸长量；

L₁——截割臂垂直摆动中心(O₂)与升降油缸、机架的铰接(A)点之间的距离；

L₂——截割臂垂直摆动中心(O₂)与升降油缸、截割臂的铰接点(B)之间的距离；

L₀——截割臂处于水平位置时A点与B点之间的距离；

——截割臂处于水平位置时的角；

θ₀——截割臂与O₂B之间的夹角；

在上述公式中，只有l₁为变量，此变量可以通过安装在升降油缸上的GUC1000型矿用位移传感器测得，通过检测得到的l₁即可确定截割头在巷道坐标系中的垂直坐标z。

通过一定的数学关系可以推算出截割头在巷道坐标系中的横坐标。

y——截割头在巷道中的横坐标；

e——O₁点与O₂(水平回转工作台中心)之间的距离；

n——O₄点或者O₅(两水平回转油缸与掘进机机身的铰接点)与O₁点之间的距离；

r——回转台的半径；

L₀——截割头位于水平中间位置时O₄点与O₅点(水平回转油缸与水平回转工作台的铰接点)之间的距离；

θ——截割头位于水平中间位置时的∠O₄O₁O₆；

在上述公式中只有l₂为变量，根据油缸位移传感器检测到l₂，即可确定截割头在巷道坐标系中的水平坐标y。

在检测出垂直升降油缸伸缩量l₁和水平油缸伸缩量l₂，根据上述数学表达式的计算，通过这些测得的数据经过A/D转换模块传入可编程计算机控制器，得到悬臂式掘进机截割头在巷道坐标系中的位置。通过传感器的规格，精度可以达到毫米级。

检测悬臂式掘进机偏距与方向角的装置为安装在掘进机后部平台上的两个平面球形接收器，通过配合安置在掘进机后方一定距离的两个红外激光发射器进行的。红外激光发射器可以发射出三束带有发射器旋转角速度和位置特征信息的激光，包括两束扇形激光和一束选通光。当接收器接收到光束后，可以通过三道光束之间存在的几何关系、发射器的坐标位置、接收时间差以及发射器的旋转速度来计算出相关参数，按照测量原理，两个发射器所在水平 面的水平角和俯仰角可以被计算出来，通过交会原理可以得到接收器所在位置的三维坐标。

本检测系统可以在一个工作周期内对悬臂式掘进机机身上安装接收器的位置的空间坐标进行检测，通过球形平面接收器的安装位置(与掘进机机身中线重合)可以通过这两点的位置对掘进机的方向角与偏距进行转换，从而得到悬臂式掘进机的相关位姿信息。

本测量的优点在于提出了一种可以在同一时刻完成对机身多目标点测量的方法，可以得到悬臂式掘进机机身的方向角等位姿信息，通过与上文中提到的俯仰角、滚动角以及截割头位置信息结合，得到完整的悬臂式掘进机机身与截割头位姿信息。

本检测部分特征在于：通过两组红外激光发射站与两组平面球形接收器组成。两组激光发射装置的组成完全相同，含有电子罗盘电路1、电源电路2、键盘输入设备3、整平基座4、控制器5、无线通讯电路6、激光发射调制电路7、平台旋转驱动电路8。平面球形接收器的组成电路也完全相同，含有激光接收电路9、无线通讯电路10、坐标解算器11。

相关接口连接方式如下：发射装置的控制器5的相应端口应分别与电子罗盘电路1、电源电路2、键盘输入设备3、整平基座4、无线通讯电路6、调制电路7、平台旋转驱动电路8相互连接。平面球形接收器中的坐标解算器11相应端口分别与激光接收电路9、无线通讯电路10相互连接。 

悬臂式掘进机偏角与偏距的检测方法，其特征在于：基于前方交会原理，利用光束之间的几何关系、发射器的旋转速度，位置信息和光束被接收的时间差来计算接收器即目标点所处的空间坐标，主要包括以下步骤：

步骤1：首先需在控制器中设定旋转平台的旋转速度ω，以及其在巷道固定坐标系中的坐标(x,y,z)，通过控制器使得发射器发射带有各自特征的激光信号。

步骤2：接收器先后接收到两组发射器所发射的选通光信号，坐标解算器解调，由于不同发射器具有不同的角速度，通过此特征判断各自选通光被接收的时刻，并将时刻和相应的角速度信息发送。

步骤3：所述两组控制器根据步骤2所得信息，首先控制器需要对比收集到的角速度与数据库中记录的既定角速度是否相符，相符则接收，不相符则忽略；然后根据该时刻信息读取对应时刻的罗盘角度信息；得到水平偏移角α_A，α_B；且能计算接收器相对于发射器所在平面的俯仰角β_A，β_B。

通过上述功能，根据步骤3中测到的水平偏移角α_A，α_B，与接收器相对于发射器所在平面的俯仰角β_A，β_B。可以得到位于悬臂式掘进机机身中线上的两个球形接收器的空间坐标；

坐标解算器以接收器接收到选通光的时刻为计时零点，设定两个计时零点A₀、B₀，四束扇形光先后到达接收器，根据扇形激光所载的角速度的信息特征判断该时刻以哪个计时零点计时。得到四组时刻其中为A发射器的两束扇形激光被接收时刻,得到为B发射器的两束扇形激光被接收时刻，得到根据扇形光束之间的几何关系进一步计算接收器相对于发射器所在平面的俯仰角β_A，β_B。

其中θ是两束扇形光水平面上的夹角为90°，是两束扇形光与垂直面的夹角为30°。ω_A是A发射器的旋转角速度。ω_B是B发射器的旋转角速度。且ω_A≠ω_B。为A发射器中的两束扇形光被接收器接收时刻的时间差。为B发射器中的两束扇形光被接收器接收时刻的时间差。

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{1}{2}(X_B-X_A)[1+\frac{\sin ({\mathrm{\α}}_B-{\mathrm{\α}}_A)}{\sin ({\mathrm{\α}}_B+{\mathrm{\α}}_A)}]\\ y=(X_B-X_A)\frac{\sin {\mathrm{\α}}_B\tan \mathrm{\β}}{\sin ({\mathrm{\α}}_B+{\mathrm{\α}}_A)}\\ z=b\frac{\sin {\mathrm{\α}}_A\sin {\mathrm{\α}}_B}{\sin ({\mathrm{\α}}_B+{\mathrm{\α}}_A)}\end{array}\right.$

α_A，α_B分别为A，B发射器所测得的接收器相对于发射器水平偏移角，；β为上文中测得的俯仰角。

所述多个坐标解算器通过各自端口互连的无线通讯模块将各自接收器的空间坐标发送给上位机，上位机汇总进行悬臂式掘进机偏角与偏距的计算。

此测量系统的测量范围较大，当需要进行移站时，需将设置在巷道两帮的激光发射器以之前所在的位置为基准进行移站，移站后续重新进行标定与校准。

通过以上叙述得到完整的悬臂式掘进机截割头空间位置、俯仰角、滚动角以及偏角与偏距的测量数据。

附图说明

图1悬臂式掘进机位姿检测系统的示意图

图2a悬臂式掘进机偏向角示意图

图2b悬臂式掘进机偏距示意图

图2c悬臂式掘进机俯仰角示意图

图2d悬臂式掘进机滚动角示意图

图3悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统结构组成示意图

图4矿用位移传感器具体安装位置示意图

图5a巷道内截割头水平面内截割投影示意图

图5b巷道内截割头垂直平面内沿悬臂轴向截割状态示意图

图6偏角与偏距测量方案装置布置简图

图7发射器各激光束之间几何关系描述图

图8水平偏角计算原理图

图9前方交会原理图

图中的附图标记:

1:激光发射器；2：激光接收器；3：悬臂式掘进机；4：双轴倾角传感器；5：矿用位移传感器；6、7：A/D转换器；8：可编程控制器；9：电控箱；10：掘进机后机架。

具体实施方式：

以下结合附图，通过测量方法的具体实施方式，对测量原理进行更细致的说明，更深入的介绍本发明的技术手段及功能。本文后的附图及实施方式仅提供参考与说明。

图1为本发明的系统框图，描述了悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统涉及的各个部件之间的组成关系与内在联系。

图2各图所示为本发明所测得的悬臂式掘进机的机身位姿参数示意图，系统只要测得此4个参数，就可以得到悬臂式掘进机机身的所有位姿信息，依次为偏角、偏距、俯仰角和滚动角。

图3所示为悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，标注了悬臂式掘进机在工作时各个关键部位以及各检测装置的安装位置。

通过煤矿地测部门所提供的当前巷道底板的纵向水平倾角值与横向水平倾角值，将双轴倾角传感器的角度读数减去当前巷道底板的纵向倾角，得到的结果即为机身平面与当前巷道底板平面纵向之间的夹角，即为悬臂式掘进机机身的俯仰角。将双轴倾角传感器的角度读数减去当前巷道底板的横向倾角，得到悬臂式掘进机机身的滚动角。将两个倾角传感器中测量得到的数据通过A/D转换模块传入可编程控制器中，就可以完成悬臂式掘进机机身的俯仰角与滚动角的测量。

图4所示为GUC1000矿用位移传感器安装的具体位置，GUC1000矿用位移传感器是采用磁脉冲原理的高精度绝对行程的位置测量传感器，可精确测量悬臂式掘进机上液压油缸的位移。

图5所示为在巷道中悬臂式掘进机截割头水平面内截割投影示意图，与垂直平面内沿悬臂轴向截割状态示意图。通过数学分析可以得到，只要通过GUC1000矿用位移传感器测量 得到升降液压缸的伸缩量与回转右侧液压缸的伸缩量即可计算得到截割头在巷道中的空间位置，将传感器测的信号通过A/D转换传入可编程控制器中，可得到截割头在巷道中的实时位置。

图6所示为基于iGPS原理的接收装置与发射装置布置简图。如图所示，在掘进机的后方，巷道两帮放置两台红外激光发射装置，接收器固定在悬臂式掘进机后部与机身中线重合的位置。

在开始测量前，需先对发射装置进行整平、初始化，通过发射装置上的整平基座实现发射器的中心轴线垂直于水平面。然后建立测量坐标系的z轴。通过煤矿地测部门的相关测量工具进行初始坐标系的标定，以巷道为固定坐标系得到原始的发射器位置信息，并完成整平操作。通过控制发射器的旋转角速度，使发射器上的旋转平台以设定好的角速度旋转，同时控制发射器发射出带有发射器位置信息与角速度大小的光信号。信号接收器可以对激光信号进行解调，传感器在接收激光信号后，根据激光的强弱可以产生模拟信号，经过A/D转换得到由坐标解算器提取计算出的发射器坐标信息与角速度信息。

坐标解算器可以记录两组发射器选通光到达接收器的时刻，根据不同发射器的不同的旋转角速度判断出红外激光发射器选通光被接收的时刻。根据不同发射器的不同的旋转角速度判断出红外激光发射器选通光被接收的时刻，将时刻与角速度信息通过接收装置内的通讯模块发送至两组发射器，控制器可以得到信息，并且进行比较。再由时刻信息从发射装置中的电子罗盘电路中读取水平偏角α_A，α_B，分别为A和B中读取到的偏角。

通过通讯电路将水平偏角信息传递到坐标解算器中，坐标解算器根据所获得的角度信息与发射器位置信息，利用图(9)所示的前方交会原理计算出接收器的空间坐标，从而得到偏角与偏距。

A＝x_A-x_B

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{x_A-x_B}{y_A-y_B}$

测量系统的运行过程：

1.双轴倾角传感器测量机身俯仰角β与滚动角γ。

2.矿用位移传感器测量升降液压缸与回转右侧液压缸的伸缩量，得到截割头空间位置。

3.偏角偏距测量系统发射装置整平、系统初始化。

4.A、B发射器旋转发射光信号，包括一个选通光与两个红外激光。

5.接收器接收选通光得到水平偏移角，接收扇形激光得到俯仰角。

6.坐标解算器收集信息，计算结果，得到接收器空间坐标。

7.测量软件得到各个信息，得到悬臂式掘进机机身即截割头完整位姿信息。

Claims (3)

1.一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测方法，其特征包括：设置于巷道后方的两个红外激光发射站(1)、安装在悬臂式掘进机机身上的两个球形平面接收器(2)、安装于掘进机机身上的两个两轴倾角传感器(3)，以及安装于悬臂式掘进机升降和回转液压缸内的矿用位移传感器(4)。

2.根据权利要求1所述悬臂式掘进机机身与截割头位姿测量方法，其特征在于：所述的两个红外激光发射站(1)需安置于巷道两帮距离掘进机一定距离的位置，两个发射基站(1)含有相同的结构，主要包括：电子罗盘电路、电源电路、键盘输入设备、基座、控制器、通讯电路、激光发射调制电路、旋转平台驱动电路；两个球形平面接收器(2)需安装在掘进机机身后部，两个球形平面接收器(2)的安装位置需与掘进机机身中线重合，两个接收器(2)含有相同的结构，主要包括：激光接收电路、通讯电路、坐标解算器。

3.悬臂式掘进机机身上的两轴倾角传感器(3)需安装在机身电控箱盖板上，分别用于检测机身中线平行方向与机身中线垂直方向的相关参数；矿用位移传感器(4)需安装在掘进机悬臂式掘进机升降和回转的液压缸内。