CN107269276A - 一种用于弯道施工的掘进定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于弯道施工的掘进定位系统，包括掘进模块、智能全站仪模块、反射平面装置、通信与控制模块、捷联惯导模块、双轴倾角传感器模块和掘进定位棱镜模块；所述通信与控制模块、捷联惯导模块、双轴倾角传感器模块和定位棱镜模块同时设置在掘进模块上，所述智能全站仪模块设置在掘进模块后方，所述反射平面机构位于掘进模块和智能全站仪模块之间；上述定位系统既能够在直线巷道中使用，又能够在弯曲巷道中使用，通过组合定位方法实时精确的对掘进机在巷道中的六自由度位姿参数进行解算，解决了掘进机在巷道或隧道中的精确定位和定姿问题，为实现掘进机自动化作业提供了必要条件。
Description
技术领域
本发明专利涉及自动化掘进装备技术领域，具体涉及一种掘进机自适应截割控制系统及方法。
背景技术
我国是煤炭的开采与消费大国，煤矿建设及煤炭开采过程中都面临对隧道或巷道的掘进问题；同时，在公路、铁路、隧道工程、水电工程等基础设施建设中也存在大量的隧洞掘进要求。
上述工程中使用悬臂式掘进机是常见的施工方式之一。悬臂式掘进机作为一种高效的采掘机械，广泛应用于巷道和隧道的挖掘。由于掘进机工作环境差，危险性大，人工操作局限性很大，其自动化作业是发展的必然趋势。
要想实现掘进机的自动化作业，首先要解决的就是在巷道或隧道中对掘进机精确定位和定姿等问题；目前，已有很多文献提出了掘进机位姿检测的方法，但是由于巷道掘进工程中的复杂环境和掘进机工作的恶劣条件，很多定位方法都存在一定的局限性，尤其是在弯曲巷道施工中，大多数的定位方法都无法使用，不仅无法为掘进机的自动控制提供条件，而且限制了巷道或隧道设计时的多样性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种用于弯道施工的掘进定位系统及方法技术，既能够在直线巷道中使用，又能够在弯曲巷道中使用，通过组合定位方法实时精确的对掘进机在巷道中的六自由度位姿参数进行解算，解决了掘进机在巷道或隧道中的精确定位和定姿问题，为实现掘进机自动化作业提供了必要条件。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于弯道施工的掘进定位系统，包括掘进模块、智能全站仪模块、反射平面装置、通信与控制模块、捷联惯导模块、双轴倾角传感器模块和掘进定位棱镜模块；所述通信与控制模块、捷联惯导模块、双轴倾角传感器模块和定位棱镜模块同时设置在掘进模块上，所述智能全站仪模块设置在掘进模块后方，所述反射平面机构位于掘进模块和智能全站仪模块之间；
所述掘进定位棱镜模块包括共线设置的前定位棱镜组件和后定位棱镜组件；
所述反射平面装置包括控制器、行走机构、回转驱动机构、激光反射平面组件、反射平面定位棱镜组件和全站仪后视棱镜组件；所述的回转驱动机构安装在行走机构上，所述反射平面定位棱镜组件设置在回转驱动机构上；所述控制器设置在反射平面装置内部，用于控制行走机构和回转驱动机构的运动，并实时存储激光反射平面相对于行走机构的旋转角度。
作为本发明进一步改进的，所述反射平面定位棱镜组件包括至少3组360°棱镜；所述全站仪后视棱镜组件包括2组关于行走机构对称设置的360°棱镜。
作为本发明进一步改进的，一种用于弯道施工的掘进定位方法包括以下步骤：
a．掘进模块在巷道内工作时，首先由智能全站仪在可视距离内直接对掘进模块定位；
b.当智能全站仪模块对掘进机定位棱镜由于巷道弯曲等非视距原因无法有效定位时，将反射平面装置设置在掘进模块与智能全站仪之间的弯曲巷道内,并固定；
c.由智能全站仪模块对反射平面装置的定位棱镜进行定位，从而得到反射平面装置在巷道中的六自由度位姿参数，激光反射平面组件相对于反射平面装置行走机构的旋转角度由控制器实时解算，故激光反射平面组件在巷道中可由已知的平面方程表示；通过镜面反射原理，当智能全站仪测量计算得到掘进定位棱镜模块的坐标后，求该点相对于激光反射平面组件的对称点，即为掘进定位棱镜模块在巷道中的实际三维坐标；
d.当掘进模块前进足够远的距离，使用激光反射平面机构也因超出视距范围而不能对掘进定位棱镜模块进行有效定位时，则需要智能全站仪的快速移站操作，此时反射平面装置的位姿参数仍然是已知的，即全站仪后视棱镜组件在巷道中的三维坐标是已知的；将智能全站仪移动到掘进模块与反射平面装置之间的合适位置，使用后视法通过全站仪后视棱镜组件对智能全站仪进行定位，然后将反射平面装置移动到掘进模块与智能全站仪之间的合适位置，并固定；
e. 重复步骤c至步骤d，即可实现整个弯曲巷道掘进过程中掘进模块的实时精确定位；
f．当掘进机进入直线巷道施工，不需要反射平面装置就能够对掘进模块进行有效的组合定位。
作为本发明进一步改进的，所述定位方法采用智能全站仪模块与捷联惯导模块结合的组合定位方式，智能全站仪模块通过对掘进定位棱镜模块进行坐标计算，能够得到掘进模块的位置参数与机体方向角参数，再通过双轴倾角传感器模块得到机体的横滚角与俯仰角，即可得到掘进模块六自由度位姿参数，另外，使用捷联惯导模块也能实时解算掘进模块六自由度位姿参数，将两种定位数据进行异步融合，即可实现组合定位。
作为本发明进一步改进的，当需要布置反射平面装置时，将其布置在掘进模块与智能全站仪模块之间的弯曲巷道的外侧，并距离智能全站仪最远的位置，并且，所述的激光反射平面组件需要根据掘进模块的位置调整相对于反射平面装置机体的旋转角度，从而尽量增加智能全站仪模块单次移站时的弯道定位距离。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
既能够在直线巷道中使用，又能够在弯曲巷道中使用，通过组合定位方法实时精确的对掘进机在巷道中的六自由度位姿参数进行解算，解决了掘进机在巷道或隧道中的精确定位和定姿问题，为实现掘进机自动化作业提供了必要条件。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1是本发明掘进定位系统布置示意图；
图2是本发明悬臂式掘进机结构示意图；
图3是本发明反射平面机构三维示意图；
图4是本发明镜面反射定位方法原理示意图；
图5是本发明掘进机弯道施工时最远有效定位距离示意图；
图6是本发明激光反射平面角度变化时对系统的影响示意图。
图中：1、悬臂式掘进机；1.1、通信与控制系统；1.2、捷联惯导模块；1.3、双轴倾角传感器；1.4、掘进机定位棱镜；2、反射平面机构；2.1、行走机构；2.2、回转驱动装置；2.3、步进电机；2.4、激光反射平面；2.5、反射平面机构定位棱镜；2.6、全站仪后视棱镜；3、智能全站仪；4、巷道；5、煤岩。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图4所示的适用于弯道施工的掘进机定位系统，包括悬臂式掘进机1、反射平面机构2与智能全站仪3。悬臂式掘进机1上布置安装有通信与控制系统1.1、捷联惯导模块1.2、双轴倾角传感器1.3以及两个掘进机定位棱镜1.4;捷联惯导模块1.2与通信与控制系统1.1连接，双轴倾角传感器1.3也与通信与控制系统1.1连接;两个掘进机定位棱镜1.4为360°棱镜，安装在掘进机中心线上，一前一后布置。
反射平面机构2包括行走机构2.1、回转驱动装置2.2、步进电机2.3、激光反射平面2.4、反射平面机构定位棱镜2.5以及全站仪后视棱镜2.6；回转驱动装置2.2安装在车体上，由步进电机2.3提供动力，带动激光反射平面2.4旋转；反射平面机构2内安装有控制器，能够控制行走机构2.1的运动与步进电机2.3的运动，并时刻存储由于步进电机2.3的运动导致的激光反射平面2.4相对于反射平面机构2机体的旋转角度；反射平面机构定位棱镜2.5与全站仪后视棱镜2.6结构相同，都为360°棱镜，前者有3个，不共线布置，用于反射平面机构2的定位，后者有2个，用于全站仪移站时全站仪3的定位。
悬臂式掘进机1在弯曲巷道工作时，智能全站仪3只能在一小段距离内对掘进机定位；当智能全站仪3与掘进机定位棱镜1.4由于非视距原因无法有效定位时，则将反射平面机构2放置在掘进机1与智能全站仪3之间的合适位置处，由智能全站仪3对3个反射平面机构定位棱镜2.5进行定位，从而得到反射平面机构2在巷道4中的六自由度位姿参数。
由于激光反射平面2.4相对于反射平面机构2机体的旋转角度可实时解算，故激光反射平面2.4在巷道4中可由已知的平面方程表示，通过镜面反射原理，当智能全站仪3测量计算得到掘进机定位棱镜1.4的坐标后，求该点相对于激光反射平面2-4的对称点，即为实际的掘进机定位棱镜1.4在巷道4中的三维坐标。
当掘进机工作了足够远的距离，使用反射平面机构2也会由于非视距不能对掘进机定位棱镜1.4进行有效定位时，则需要智能全站仪3的快速移站操作，将智能全站仪3移动到掘进机1与反射平面机构2之间的合适位置，此时反射平面机构2的位姿参数仍然是已知的，即全站仪后视棱镜2.6在巷道中的三维坐标是已知的，使用后视法通过全站仪后视棱镜2.6对智能全站仪3进行定位，然后将反射平面机构2移动到悬臂式掘进机1与智能全站仪3之间的合适位置。
悬臂式掘进机1的定位采用组合定位方式，智能全站仪3通过对两个掘进机定位棱镜1.4进行坐标计算，能够得到掘进机1的位置参数与机体方向角参数，使用双轴倾角传感器1.3得到机体的横滚角与俯仰角，即可得到掘进机六自由度位姿参数，另外，使用捷联惯导模块1.2也能实时解算掘进机1六自由度位姿参数；其中智能全站仪定位方法定位精度高，没有累计误差，但是定位耗时长，实时性不好，而捷联惯导定位方法实时性好，但是存在累计误差，长时间定位精度差，使用组合定位方式，将两种定位数据进行异步融合，发挥两种定位方法的优势，取长补短，提高定位精度与定位实时性。
当悬臂式掘进机1开掘直线巷道与弯曲巷道组合的巷道时，其一般工作流程为：
a．掘进机1首先工作于直线巷道，此时不需要反射平面机构2就能够对掘进机进行有效的组合定位，当掘进机刚进入弯曲巷道，此时仍然不需要反射平面机构2；
b．当掘进机继续开掘，智能全站仪会由于非视距无法对掘进机定位棱镜1.4进行有效定位，则需要将反射平面机构2布置在巷道合适位置，并固定；
c．使用智能全站仪3对反射平面机构2上的反射平面机构定位棱镜2.5进行定位，求得激光反射平面2.4在巷道4中的平面方程，并根据步进电机2.3的运动实时更新平面方程，使用镜面反射方法对掘进机进行有效定位，实现掘进机的六自由度组合定位；
d．掘进机在弯曲巷道中继续工作，最终会由于非视距使镜面反射方法也无法对掘进机有效定位，则需要智能全站仪3的快速移站操作，快速移站后，不需要反射平面机构2也能对掘进机有效定位一段距离；
e．循环b～d，即可实现整个弯曲巷道掘进过程中掘进机的实时精确组合定位；
f．掘进机完成弯曲巷道，又进入直线巷道施工，不需要反射平面机构2就能够对掘进机进行有效的组合定位。
如图5所示，当需要布置反射平面机构2时，将其布置在掘进机1与智能全站仪3之间的巷道4外侧，并距离智能全站仪最远的位置，此时，智能全站仪发射激光与巷道内侧壁相切，调整激光反射平面2.4的角度，使其垂直于过激光反射平面2.4中心点的巷道圆弧半径，经过激光反射平面2.4反射的激光与巷道内侧壁相切，这样能够达到掘进机弯道施工时最远的定位距离。
如图6所示，当悬臂式掘进机1与反射平面机构2距离较近，使用图5中激光反射平面2.4的角度时，掘进机关于激光反射平面的对称点为1'，此时掘进机与智能全站仪处于非视距状态，不能有效定位；适当调整激光反射平面2.4的角度后，掘进机关于激光反射平面的对称点为1''，此时掘进机能够有效定位。因此，所述的激光反射平面2.4需要根据掘进机1的位置调整相对于反射平面机构2机体的旋转角度，由步进电机2.3的精确控制实现，从而使掘进机在达到最远定位距离前都能够由智能全站仪有效定位。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于弯道施工的掘进定位系统，其特征在于：包括掘进模块、智能全站仪模块、反射平面装置、通信与控制模块、捷联惯导模块、双轴倾角传感器模块和掘进定位棱镜模块；所述通信与控制模块、捷联惯导模块、双轴倾角传感器模块和定位棱镜模块同时设置在掘进模块上，所述智能全站仪模块设置在掘进模块后方，所述反射平面机构位于掘进模块和智能全站仪模块之间；
所述掘进定位棱镜模块包括共线设置的前定位棱镜组件和后定位棱镜组件；
所述反射平面装置包括控制器、行走机构、回转驱动机构、激光反射平面组件、反射平面定位棱镜组件和全站仪后视棱镜组件；所述的回转驱动机构安装在行走机构上，所述反射平面定位棱镜组件设置在回转驱动机构上；所述控制器设置在反射平面装置内部，用于控制行走机构和回转驱动机构的运动，并实时存储激光反射平面相对于行走机构的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的用于弯道施工的掘进定位系统，其特征在于：所述反射平面定位棱镜组件包括至少3组360°棱镜；所述全站仪后视棱镜组件包括2组关于行走机构对称设置的360°棱镜。
3.一种用于弯道施工的掘进定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
a．掘进模块在巷道内工作时，首先由智能全站仪在可视距离内直接对掘进模块定位；
b.当智能全站仪模块对掘进机定位棱镜由于巷道弯曲等非视距原因无法有效定位时，将反射平面装置设置在掘进模块与智能全站仪之间的弯曲巷道内,并固定；
c.由智能全站仪模块对反射平面装置的定位棱镜进行定位，从而得到反射平面装置在巷道中的六自由度位姿参数，激光反射平面组件相对于反射平面装置行走机构的旋转角度由控制器实时解算，故激光反射平面组件在巷道中可由已知的平面方程表示；通过镜面反射原理，当智能全站仪测量计算得到掘进定位棱镜模块的坐标后，求该点相对于激光反射平面组件的对称点，即为掘进定位棱镜模块在巷道中的实际三维坐标；
d.当掘进模块前进足够远的距离，使用激光反射平面机构也因超出视距范围而不能对掘进定位棱镜模块进行有效定位时，则需要智能全站仪的快速移站操作，此时反射平面装置的位姿参数仍然是已知的，即全站仪后视棱镜组件在巷道中的三维坐标是已知的；将智能全站仪移动到掘进模块与反射平面装置之间的合适位置，使用后视法通过全站仪后视棱镜组件对智能全站仪进行定位，然后将反射平面装置移动到掘进模块与智能全站仪之间的合适位置，并固定；
e. 重复步骤c至步骤d，即可实现整个弯曲巷道掘进过程中掘进模块的实时精确定位；
f．当掘进机进入直线巷道施工，不需要反射平面装置就能够对掘进模块进行有效的组合定位。
4.根据权利要求3所述的用于弯道施工的掘进定位方法，其特征在于：所述定位方法采用智能全站仪模块与捷联惯导模块结合的组合定位方式，智能全站仪模块通过对掘进定位棱镜模块进行坐标计算，能够得到掘进模块的位置参数与机体方向角参数，再通过双轴倾角传感器模块得到机体的横滚角与俯仰角，即可得到掘进模块六自由度位姿参数；另外，使用捷联惯导模块也能实时解算掘进模块六自由度位姿参数，将两种定位数据进行异步融合，即可实现组合定位。
5.根据权利要求3或4所述的适用于弯道施工的掘进机定位方法，其特征在于：当需要布置反射平面装置时，将其布置在掘进模块与智能全站仪模块之间的弯曲巷道的外侧，并距离智能全站仪最远的位置；所述的激光反射平面组件根据掘进模块的位置调整相对于反射平面装置机体的旋转角度，从而尽量增加智能全站仪模块单次移站时的弯道定位距离。
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