CN107130975B - 基于线激光阵列旋转扫描的掘进机精确纠偏装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于线激光阵列旋转扫描的掘进机精确纠偏装置及方法，该纠偏装置包括控制系统、捷联惯导和线激光阵列，线激光阵列包括固定基台，固定基台上设置步进电机，步进电机输出轴与旋转柱相连，在旋转柱的外圆柱表面沿轴向间隔设置若干激光测距传感器；该纠偏方法包括：通过捷联惯导实时采集掘进机位置坐标信息，对掘进机做粗略定位，每隔固定周期通过激光测距传感器获取掘进机相对于巷道轴线的偏移量，根据偏移量对掘进机做位置修正，实现掘进机的精确纠偏。本发明通过捷联惯导与线激光阵列旋转扫描联合作用，可实现掘进机的精确纠偏。
Description
技术领域
本发明涉及悬臂式掘进机精确纠偏装置及方法，尤其是一种基于线激光阵列旋转扫描与捷联惯导联合作用的掘进机精确纠偏装置及方法。
背景技术
掘进机作为巷道机械化掘进中最重要的设备，其工作情况直接影响到施工质量。实际施工中，掘进机无论是在行走过程中还是作业过程中，其运行轨迹总是会发生与巷道轴线偏离的问题，在掘进机的行进轨迹测量及纠偏控制上，目前掘进机使用的多个激光点测量到巷道两侧距离，由于巷道两侧凹凸不平等影响，每个激光点测出的距离偏差很大，无法反应出平均距离特征，这种方式测量及纠偏的结果存在很大偏差，不能较高程度的跟巷道设计轨迹吻合，从而影响工程质量。因此，一种便捷高效、自动精确测量和纠偏作业的掘进机自动化技术函待出现。
发明内容
发明目的：本发明目的是克服上述背景技术的不足，提供一种基于线激光阵列的旋转扫描的掘进机精确纠偏装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种基于线激光阵列旋转扫描的掘进机精确纠偏装置，包括控制系统、捷联惯导和线激光阵列，控制系统通过通讯控制电缆分别连接捷联惯导和线激光阵列，线激光阵列包括固定基台、旋转柱、激光测距传感器和步进电机，固定基台上设置步进电机，步进电机输出轴与旋转柱相连，在旋转柱的外圆柱表面沿轴向间隔设置若干激光测距传感器。
一种上述纠偏装置的掘进机纠偏方法，该方法包括：
在掘进机左右两侧对称设置两个纠偏装置，在掘进机中心设置捷联惯导，在掘进机掘进过程中，通过捷联惯导实时采集掘进机位置坐标信息，对掘进机做粗略定位，每隔固定周期通过步进电机带动旋转柱上的激光测距传感器转动θ角度，从而获取掘进机相对于巷道轴线的偏移量，根据偏移量对掘进机做位置修正，实现掘进机的精确纠偏。
进一步的，获取掘进机相对于巷道轴线的偏移量具体包括以下步骤：
通过捷联惯导实时采集掘进机位置坐标信息，确定掘进机中心的坐标点O；
确定掘进机左侧纠偏装置的旋转柱的轴心坐标点D、坐标点D在巷道侧壁的投影点A、F，坐标点O在AF连线上的投影点E，确定左侧纠偏装置的激光测距传感器相邻两次发射激光在巷道侧壁的光斑坐标点B、C，确定BD、CD长度和θ角度；
由三角形面积计算公式、余弦定理、正弦定理，列出如下等式：
DE＝DO·cosα＝DO·sin(β+θ) (4)
AE＝AD+DO (5)
联立1-5式，解出：
其中：S1为B、C、D三点构成的三角形面积；θ角为BC连线与BD连线所成的夹角，即步进电机带动旋转柱上的激光测距传感器转动角度，β为BC连线与CD连线所成的夹角；
确定掘进机右侧纠偏装置的旋转柱的轴心坐标点G，坐标点G在巷道侧壁的投影点J，确定JG与OE的交点K，确定右侧纠偏装置的激光测距传感器相邻两次发射激光在巷道侧壁的光斑坐标点H、I；确定IG和HG长度；
由三角形面积计算公式、余弦定理、正弦定理，列出如下等式：
GK＝GO·cosα＝GO·sin(β+θ) (11)
EF＝JK＝JG+GK (12)
联立8-12式，解出：
其中：S2为G、H、I三点构成的三角形面积；
最终，通过下式获得掘进机相对于巷道轴线的偏移量：
其中：d为偏距，α为偏角。
有益效果：本发明通过捷联惯导与线激光阵列旋转扫描联合作用，可实现掘进机的精确纠偏。
附图说明
图1是本发明掘进机精确纠偏装置的结构示意图；
图2是本发明的车身相对于巷道偏转角度示意图；
图3偏角和偏距几何关系图一；
图4偏角和偏距几何关系图二；
图中：1—固定基台；2—旋转柱；3—激光测距传感器；4—步进电机。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，本发明的一种基于线激光阵列旋转扫描的掘进机精确纠偏装置，包括控制系统、捷联惯导和线激光阵列，控制系统通过通讯控制电缆分别连接捷联惯导和线激光阵列，线激光阵列包括固定基台1、旋转柱2、激光测距传感器3和步进电机4，固定基台1上设置步进电机4，步进电机4输出轴与旋转柱2相连，在旋转柱2的外圆柱表面沿轴向间隔设置若干激光测距传感器3。本实施例中，激光测距传感器3数量为5个，激光测距传感器3利用漫反射原理发射并接收激光，工作频率为50Hz，为防止各激光之间互相干扰，多个激光测距传感器3之间采用依次间隔0.02s发射接收的工作方式。
基于上述纠偏装置的掘进机纠偏方法，该方法包括：
在掘进机左右两侧对称设置两个纠偏装置，在掘进机中心设置捷联惯导，在掘进机掘进过程中，通过捷联惯导实时采集掘进机位置坐标信息，对掘进机做粗略定位，每隔固定周期通过步进电机带动旋转柱上的激光测距传感器转动θ角度，从而获取掘进机相对于巷道轴线的偏移量，根据偏移量对掘进机做位置修正，实现掘进机的精确纠偏。
如图2至4所示，获取掘进机相对于巷道轴线的偏移量具体包括以下步骤：
通过捷联惯导实时采集掘进机位置坐标信息，确定掘进机中心的坐标点O；
确定掘进机左侧纠偏装置的旋转柱的轴心坐标点D、坐标点D在巷道侧壁的投影点A、F，坐标点O在AF连线上的投影点E，确定左侧纠偏装置的激光测距传感器相邻两次发射激光在巷道侧壁的光斑坐标点B、C，确定BD、CD长度和θ角度；
由三角形面积计算公式、余弦定理、正弦定理，列出如下等式：
DE＝DO·cosα＝DO·sin(β+θ) (4)
AE＝AD+DO (5)
联立1-5式，解出：
其中：S1为B、C、D三点构成的三角形面积；θ角为BC连线与BD连线所成的夹角，即步进电机带动旋转柱上的激光测距传感器转动角度，β为BC连线与CD连线所成的夹角；
确定掘进机右侧纠偏装置的旋转柱的轴心坐标点G，坐标点G在巷道侧壁的投影点J，确定JG与OE的交点K，确定右侧纠偏装置的激光测距传感器相邻两次发射激光在巷道侧壁的光斑坐标点H、I；确定IG和HG长度；
由三角形面积计算公式、余弦定理、正弦定理，列出如下等式：
GK＝GO·cosα＝GO·sin(β+θ) (11)
EF＝JK＝JG+GK (12)
联立8-12式，解出：
其中：S2为G、H、I三点构成的三角形面积；
最终，通过下式获得掘进机相对于巷道轴线的偏移量：
其中：d为偏距，α为偏角。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于线激光阵列旋转扫描的掘进机纠偏方法，其特征在于，该方法包括：
在掘进机左右两侧对称设置两个线激光阵列，线激光阵列包括固定基台、旋转柱、激光测距传感器和步进电机，固定基台上设置步进电机，步进电机输出轴与旋转柱相连，在旋转柱的外圆柱表面沿轴向间隔设置若干激光测距传感器，在掘进机中心设置捷联惯导，控制系统通过通讯控制电缆分别连接捷联惯导和线激光阵列，在掘进机掘进过程中，通过捷联惯导实时采集掘进机位置坐标信息，对掘进机做粗略定位，每隔固定周期通过步进电机带动旋转柱上的激光测距传感器转动θ角度，从而获取掘进机相对于巷道轴线的偏移量，根据偏移量对掘进机做位置修正，实现掘进机的精确纠偏；
获取掘进机相对于巷道轴线的偏移量具体包括以下步骤：
通过捷联惯导实时采集掘进机位置坐标信息，确定掘进机中心的坐标点O；
确定掘进机左侧纠偏装置的旋转柱的轴心坐标点D、坐标点D在巷道侧壁的投影点A、F，坐标点O在AF连线上的投影点E，确定左侧纠偏装置的激光测距传感器相邻两次发射激光在巷道侧壁的光斑坐标点B、C，确定BD、CD长度和θ角度；
由三角形面积计算公式、余弦定理、正弦定理，列出如下等式：
DE＝DO·cosα＝DO·sin(β+θ) (4)
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