CN107741200A - 用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统与方法 - Google Patents

用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统及其测量方法，其系统由激光发射与测距单元、平面标靶单元、扩展单元、下位机主控单元、数据传输单元及上位机组成，其中平面标靶单元由多支光敏二极管组成光敏二极管方阵。激光发射与测距单元发出三束激光束信号后，平面标靶单元的光敏二极管方阵中将有三个光敏二极管对应感光，掘进机工作过程中，当机身的位置与姿态变化时，通过下位机主控单元获取平面标靶单元中感光点在巷道坐标系及机身坐标系中的坐标数据，将获得的数据通过数据传输单元输送至上位机，由上位机对相应数据进行解算，从而得到掘进机的位姿参数。

Description

用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统与方法
技术领域
本发明属于矿井巷道掘进设备的测量技术领域，涉及一种用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统及其测量方法。
背景技术
位姿测量技术是悬臂式掘进机智能化控制系统的关键技术。准确地获取悬臂式掘进机在巷道内的位姿参数，有助于实现掘进机自动纠偏，从而促进掘进机按照预期轨迹在巷道内运行，也有助于促进掘进机自动成形精度的提高。传统的掘进机位姿检测方法主要有基于惯性测量技术的悬臂式掘进机位姿检测方法、基于超宽带测量技术的悬臂式掘进机位姿检测方法和基于iGPS测量技术的悬臂式掘进机位姿检测方法。基于惯性测量技术的悬臂式掘进机位姿检测方法的位置检测误差会随着测量时间的增加而增大，需要外部辅助设备进行阶段性标定，导致技术复杂，且成本较高；由于煤矿环境复杂，超宽带信号传播时易受环境影响，从而影响位姿监测精度；基于iGPS测量技术的悬臂式掘进机位姿检测方法测量范围较小，不适应煤矿的工况环境。
发明内容
本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种操作控制方便、测量精度以及智能化程度高的用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统，同时根据该测量系统还提供一种用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量方法。
为实现以上发明目的而提出的测量系统的技术方案如下所述。
一种用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统，由安装在掘进巷道内的激光发射与测距单元、安装在掘进机机身上的平面标靶单元、以及扩展单元、下位机主控单元、数据传输单元、上位机组成，激光发射与测距单元具有三个不共线的激光发射点，该激光发射点可向平面标靶单元发射激光，平面标靶单元由多支光敏二极管按顺序排列组成光敏二极管方阵，并且具有激光束信号感应端与输出/输入端，其激光束信号感应端用于感应来自激光发射与测距单元的激光信号，其输出/输入端通过扩展单元与下位机主控单元的输入/输出端连接，下位机主控单元具有测距输出/输入端和数据信号输出/输入端，其测距输出/输入端接至激光发射与测距单元的输入/输出端，其数据信号输出/输入端通至数据传输单元的输入/输出端，数据传输单元的上位机输出端与上位机的信号输入端连接。
上述用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统中，激光发射与测距单元由一个MAX485器件和三个用于激光发射及测距的GBLM-07模块组成，三个GBLM-07模块的输入/输出端经MAX485器件与下位机主控单元的测距输出/输入端连接，用于激光发射及测距的三个GBLM-07模块的激光发射端向平面标靶单元发射激光束信号，且测量激光发射点与感光点之间的距离。由于激光发射与测距单元中可以发射激光的三个GBLM-07模块(三个激光发射点)不共线，可以构成激光发射平面。
上述用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统中，扩展单元用于扩展相应芯片管脚，它包括n支并行设置的74HC595芯片和n支并行设置的74HC165芯片，所述的平面标靶单元由8n×8n支光敏二极管按顺序排列组成光敏二极管方阵，n＝1,2,3……，光敏二极管方阵的各正极管脚按每8行一组，均分为n组，并分别通过扩展单元中一个对应的74HC595芯片与下位机主控单元的输出端连接，光敏二极管方阵的各负极管脚也按每8列一组，均分为n组，并分别通过扩展单元中一个对应的74HC165芯片与下位机主控单元的输入端连接。
上述用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统中，数据传输单元由一个MAX485器件和一个485/232转换器组成，MAX485器件的信号输入/输出端与下位机主控单元的数据信号输出/输入端连接，MAX485器件的输出端经485/232转换器与上位机的信号输入端连接。
上述用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统中，下位机主控单元由LPC2478器件构成。
上述用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统中，上位机为KJD127防爆本安型计算机。
该测量系统的工作原理是这样的：激光发射与测距单元发出三束激光束信号后，平面标靶单元的光敏二极管方阵中将有三个光敏二极管对应感光；而且激光发射与测距单元分别测量得到三个发光点与三个对应感光点之间的距离；掘进机截割过程中，当机身的位置与姿态变化时，平面标靶单元中将有不同的光敏二极管感光，而且激光发射点与对应感光点之间的距离也随之而变，通过与平面标靶单元连接的下位机主控单元获取感光点在平面标靶单元中的位置信息及对应发光点与感光点之间的距离信息，将获得的位置数据及距离数据通过数据传输单元输送至上位机，由上位机对相应数据进行计算，从而得到掘进机的位姿参数。
采用上述位姿测量系统的用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量方法包括以下步骤：
1)分别利用激光发射与测距单元所形成的激光发射平面及平面标靶单元所形成的标靶平面建立巷道坐标系O-XYZ与机身坐标系O1-UVW，其中，巷道坐标系的OY轴垂直于激光发射平面，其正方向与巷道掘进方向相反；OZ轴位于激光发射平面内，其正方向竖直向上；OX轴也位于激光发射平面内，并且与OZ轴垂直；OX轴的正方向可以根据空间直角坐标系右手定则确定；机身坐标系的O1U轴及O1W轴位于标靶平面内，且相互正交，O1W轴以向上为正方向，O1V轴垂直于标靶平面，其正方向指向激光发射平面，O1U轴的正方向可以根据空间直角坐标系右手定则确定；
2)根据实际工况需要，在激光发射与测距单元中确定三个不共线的激光发射点在巷道坐标系中的坐标A1(x1,0,z1)、A2(x2,0,z2)及A3(x3,0,z3)，使之向平面标靶单元发射激光，通过下位机主控单元获取平面标靶单元中三个感光点在机身坐标系中的坐标B1(u1,0,w1)、B2(u2,0,w2)及B3(u3,0,w3)；
3)A1、A2、A3与B1、B2、B3分别为对应的激光发射点与感光点，所以激光束A1B1、A2B2及A2B3均来自激光发射平面，并且与之垂直；为此，可以将激光发射平面上的三个发光点A1、A2及A3视为标靶平面内三个感光点B1、B2及B3在激光发射平面中的投影，如果激光发射与测距单元获得的三个发光点A1、A2、A3与三个对应的感光点B1、B2、B3之间的距离分别为y1、y2及y3，则标靶平面上三个感光点B1、B2及B3在巷道坐标系中的坐标分别为(x1,-y1,z1)、(x2,-y2,z2)及(x3,-y3,z3)；
4)将三个感光点在机身坐标系中的坐标数据(u1,0,w1)、(u2,0,w2)及(u3,0,w3)及其在巷道坐标系中的坐标数据(x1,-y1,z1)、(x2,-y2,z2)及(x3,-y3,z3)通过下位机主控单元、数据传输单元传输至上位机；通过上位机对所获取的数据进行解算，得到掘进机的位姿参数；
5)掘进机的位姿参数为其机身沿巷道坐标系中三个坐标轴方向的平移量ΔX、ΔY及ΔZ，以及绕其三个坐标轴的转角α、β及γ，掘进机机身上任意一点在巷道坐标系及机身坐标系中的坐标分别为(x,y,z)及(u,v,w)，根据刚体在两空间坐标系中的坐标变换关系可以得到
式中，λ为尺度因子，巷道坐标系和机身坐标系为同等长度基准，取λ＝1；R为系数矩阵。
本发明所述两平面激光对射位姿测量方法的进一步的技术方案还在于：在所述步骤5)中，构造一个系数矩阵
RW＝(I+S)(I-S)-1 (2)
式中，I为单位矩阵，S为实反对称矩阵，a、b及c为实数，
将(2)式所示的系数矩阵RW代入(1)式，得
将标靶平面内三个感光点B1、B2及B3中任意两点在机身坐标系及巷道坐标系中的坐标(uk,vk,wk)与(xk,yk,zk)(k＝1、2、3)分别代入(3)式，并且对应相减，得
式中，i＝1,2,3，j＝1,2,3，且i＞j，
由(4)式，得
式中，uij＝ui-uj，vij＝vi-vj，wij＝wi-wj，xij＝xi-xj，yij＝yi-yj，zij＝zi-zj，
将满足i＞j关系的i与j的值代入(5)式，可得出三个以a、b、c为未知数的代数方程组，将此三个代数方程组中的任意两个组合成一个新的代数方程组，共可以构成三个新的代数方程组
C{a b c}T＝v (6)
式中，Ck为新代数方程组的系数矩阵，vk为新代数方程组的列向量，
m＝1,2,3，n＝1,2,3，且m＞n，i与m，j与n不能同时相等；
由(6)式，得
{a b c}T＝inv(CTC)CTv (7)
将标靶平面内三个感光点B1、B2及B3在巷道坐标系中的坐标(xk,-yk,zk)以及机身坐标系中的坐标(uk,vk,wk)(k＝1、2、3)的参数值代入(7)式，可以得到三组{a b c}T的值；
为了减小误差影响，分别以(7)式计算得到的三组{a b c}T中各元素ak、bk、ck(k＝1、2、3)的算术平均值作为a、b、c三个实数的取值
将(8)式得到的a、b、c代入(2)式，得到系数矩阵
根据位姿参数与各元素的关系，得
将所得到的a、b、c及λ，以及标靶平面内三个感光点在巷道坐标系及机身坐标系中的坐标均代入(3)式，可以得到掘进机机身的平移参数ΔXk、ΔYk及ΔZk
为了减小误差影响，分别以平移参数ΔXk、ΔYk及ΔZk的算术平均值作为掘进机的偏移量，得到
由此即可得到掘进机在巷道坐标系中的平移参数ΔX、ΔY、ΔZ以及姿态参数α、β、γ。
与现有技术相比，本发明具有的优点是测量系统结构简单，所采用的测量算法简化，所需运算时间短，能够较好的适应目前掘进巷道的工况与环境。
附图说明
图1是本发明所述位姿测量系统的电路原理图。
图2是该位姿测量系统的安装原理图。
图3是该位姿测量系统的测量原理图。
图4是不同掘进距离条件下掘进机平移参数(ΔX、ΔY、ΔZ)测量误差与测量次数关系图。
图5是不同掘进距离条件下掘进机姿态参数(α、β、γ)测量误差与测量次数关系图。
图中各数字标记的名称分别是：1－平面标靶单元，2－扩展单元，3－下位机主控单元，4－激光发射与测距单元，5－数据传输单元，6－上位机，7－激光发射平面，8－标靶平面，9－掘进机。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明内容做进一步说明，但本发明的实际应用形式并不仅限于图示的实施例。
参见图1，本发明所述的用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统由激光发射与测距单元4、平面标靶单元1、扩展单元2、下位机主控单元3、数据传输单元5、上位机6等六部分组成。
由三个GBLM-07模块和一个MAX485组成了激光发射与测距单元4，激光发射与测距单元4中，用于激光发射与测距的三个GBLM-07模块不共线布置，该模块可以根据下位机主控单元3的指令向平面标靶单元1发射激光，且测量激光发射点与感光点之间的距离，并将距离数据传输到下位机主控单元3。激光发射与测距单元4中可以发射激光的三个GBLM-07模块(三个激光发射点)不共线，可以构成激光发射平面7。
平面标靶单元1由32×32支光敏二极管顺序排列组成光敏二极管方阵，所有光敏二极管均位于同一平面内，所形成的平面为标靶平面8。光敏二极管方阵的各正极管脚均分为四组，各负极管脚也均分为四组。平面标靶单元1的主要功能是感知来自激光发射与测距单元4的三束激光。
由四支74HC165芯片与四支74HC595芯片组成的扩展单元2，其主要功能是扩展相应芯片的管脚。平面标靶单元1中光敏二极管方阵的四组正极管脚分别通过一个对应的74HC595芯片与下位机主控单元3的输出端连接，光敏二极管方阵的四组负极管脚分别通过一个对应的74HC165芯片与下位机主控单元3的输入端连接。
下位机主控单元3由LPC2478器件构成，其主要功能是采集平面标靶单元中感光点的坐标数据及激光发射点与对应感光点之间的距离数据，以及控制下位机系统其他部分的工作。
由MAX485和232/485转换器组成的数据传输单元5，其主要功能是将测量得到的激光发射点与感光点之间的距离数据和感光光敏二极管在方阵中的坐标数据传输至上位机6。
上位机为KJD127防爆本安型计算机，其主要功能是对相应数据进行计算，从而得到掘进机的位姿参数。
如图2所示，激光发射与测距单元4安装于巷道内，三个不共线的激光发射点A1、A2及A3向安装于掘进机机身上的平面标靶单元1发射激光，使之处于导通状态。由图2和图3可见，不共线的三个激光发射点A1、A2及A3构成激光发射平面7；平面标靶单元中32×32个光敏二极管在同一平面内顺序排列，构成标靶平面8，并且与激光发射平面7相对。
平面标靶单元为一个光敏二极管方阵，由32×32个光敏二极管顺序排列组成方阵。方阵中所有光敏二极管均工作于反向电压状态：未感光时，各光敏二极管处于截止状态；感光时，光敏二极管处于导通状态。具体结构中，将光敏二极管方阵的32路负极(方阵的列)置高电平，利用下位机主控单元3为光敏二极管方阵的32路正极(方阵的行)逐行置低电平。当激光发射与测距单元4发射的激光照射光敏二极管方阵中的某个光敏二极管时，该光敏二极管由截止状态变为导通状态，其所在列的引脚由高电平变为低电平。所以，感光的光敏二极管(由截止状态变为导通状态的光敏二极管)所在行与所在列均为低电平。通过对光敏二极管方阵中各行电平与各列电平的识别，可以获得感光(由截止状态变为导通状态)的光敏二极管在其方阵中的行与列坐标。
扩展单元2中的四个74HC165芯片将光敏二极管方阵负极管脚与下位机主控单元(LPC2478)3连接，可实现数据的并行输入串行输出；四个74HC595芯片将光敏二极管方阵正极管脚与下位机主控单元(LPC2478)3连接，可实现数据的串行输入并行输出。
在扩展单元2中，四个74HC165芯片的CLK(第2引脚)及CLKINH(第15引脚)均连接下位机主控单元(LPC2478)的P1[10]口(第186管脚)；四个74HC165芯片的SH/(第1引脚)均连接下位机主控单元(LPC2478)的P1[11]口(第163管脚)；四个74HC165芯片的QH(第9引脚)分别连接下位机主控单元(LPC2478)的P1[6]、P1[7]、P1[8]及P1[9]口(第171、第153、第190及第188管脚)；四个74HC165芯片的GND(第8管脚)和Vcc(第16管脚)分别接地和电源正极；四个74HC165芯片的第3～6与11～14管脚接上拉电阻后，分别连接光电二极管方阵的32路负极。
又在扩展单元2中，四个74HC595芯片的(第13引脚)及GND(第8引脚)接地；四个74HC595芯片的Vcc(第16管脚)和(第10引脚)接电源正极；四个74HC595芯片的RCLK(第12引脚)均连接下位机主控单元(LPC2478)的P1[4]口(第192管脚)；四个74HC595芯片的SRCLK(第11引脚)均连接下位机主控单元(LPC2478)的P1[5]口(第156管脚)；四个74HC595芯片的SER(第14引脚)分别接下位机主控单元(LPC2478)的P1[0]、P1[1]、P1[2]及P1[3]口(第196、第194、第185及第177管脚)；四个74HC595芯片的1～7及15管脚分别接光电二极管方阵的32路正极。
数据传输单元5中，MAX485芯片的RO(第1管脚)连接下位机主控单元(LPC2478)的P0[3]口(第204管脚)；MAX485芯片的RE(第2管脚)与DE(第3管脚)均接下位机主控单元(LPC2478)的P0[4]口(第168管脚)；MAX485芯片的DI(第4管脚)连接下位机主控单元(LPC2478)的P0[2]口(第202管脚)；MAX485芯片的Vcc(第8管脚)及GND(第5管脚)分别接电源正极与地；MAX485芯片的A(第7管脚)及B(第6管脚)分别接232/485转换器A与B；232/485转换器的RXD及TXD均连接上位机；232/485转换器的GND接地。下位机主控单元(LPC2478)通过MAX485芯片与232/485转换器向上位机传输光电二极管方阵中感光点的坐标数据及由激光发射模块获得的激光发射点与感光点之间的距离数据。
激光发射与测距单元4中，MAX485芯片的RO(第1管脚)连接下位机主控单元(LPC2478)的P0[16]口(第130管脚)；MAX485芯片的RE(第2管脚)与DE(第3管脚)均接下位机主控单元(LPC2478)的P0[17]口(第126管脚)；MAX485芯片的DI(第4管脚)连接下位机主控单元(LPC2478)的P0[15]口(第128管脚)；MAX485芯片的Vcc(第8管脚)及GND(第5管脚)分别接电源正极与地；3个激光测距模块的Vcc(第1管脚)与GND(第4管脚)分别连接电源正极和地，3个激光测距模块的A(第2管脚)及B(第3管脚)均分别接MAX485芯片的A(第7管脚)及B(第6管脚)。
采用本发明所述位姿测量系统对掘进机进行位姿测量过程与测量原理如下所述。
参见图3，当激光发射平面7内的三个激光发射点A1、A2及A3发光时，安装于掘进机机身的标靶平面8内将有三个光敏二极管B1、B2及B3对应感光。
掘进机工作过程中，当机身的位置与姿态变化时，感光点在标靶平面8中的位置以及发光点与对应感光点之间的距离也将随之而变。由图3可见，分别在激光发射平面7及标靶平面8内建立巷道坐标系O-XYZ与机身坐标系O1-UVW。其中，巷道坐标系的OY轴垂直于激光发射平面7，其正方向与巷道掘进方向相反；OZ轴位于激光发射平面7内，其正方向竖直向上；OX轴也位于激光发射平面7内，并且与OZ轴垂直；OX轴的正方向可以根据空间直角坐标系右手定则确定。此外，机身坐标系的O1U轴及O1W轴位于标靶平面8内，且相互正交，O1W轴以向上为正方向；O1V轴垂直于标靶平面8，其正方向指向激光发射平面7；O1U轴的正方向可以根据空间直角坐标系右手定则确定。
测量系统服役过程中，操作者根据实际工况需要确定不共线的三个激光发射点在激光发射平面内的位置，也就是确定了三个激光发射点在巷道坐标系中的位置，测量系统获取三个感光点在机身坐标系中的坐标。如图3所示，假设三个发光点在巷道坐标系中的坐标分别为A1(x1,0,z1)、A2(x2,0,z2)及A3(x3,0,z3)；系统测试获得三个感光点在机身坐标系中的坐标分别为B1(u1,0,w1)、B2(u2,0,w2)及B3(u3,0,w3)。
由图3可见，激光束A1B1、A2B2及A3B3均来自激光发射平面，并且与之垂直。所以，可以将激光发射平面上的三个发光点A1、A2及A3视为标靶平面内三个感光点B1、B2及B3在激光发射平面中的投影。如果激光发射与测距单元获得的三个发光点A1、A2、A3与三个对应的感光点B1、B2、B3之间的距离分别为y1、y2及y3,则标靶平面上三个感光点B1、B2及B3在巷道坐标系中的坐标分别为(x1,-y1,z1)、(x2,-y2,z2)及(x3,-y3,z3)。
由此可见，利用本发明所述的位姿测量系统可以分别获得标靶平面内三个感光点B1、B2、B3在巷道坐标系及机身坐标系中的坐标，而且标靶平面位于掘进机的机身，根据实际工况可将掘进机机身视为刚体，通过本发明提供的位姿测量方法可以得到机身坐标系与巷道坐标系的相对位置，从而得到掘进机在巷道内的位姿参数。
位姿参数解算
掘进机的位姿参数为其机身沿巷道坐标系中三个坐标轴方向的平移量ΔX、ΔY及ΔZ，以及绕其三个坐标轴的转角α、β及γ。
掘进机机身上任意一点在巷道坐标系及机身坐标系中的坐标分别为(x,y,z)及(u,v,w)，根据两空间坐标系中刚体的坐标转换关系可以得到
式中，λ为尺度因子，巷道坐标系和机身坐标系为同等长度基准，取λ＝1；R为系数矩阵。
本发明构造新的系数矩阵为
RW＝(I+S)(I-S)-1 (2)
式中，I为单位矩阵，S为实反对称矩阵，a、b及c为实数；
将(2)式所示的系数矩阵RW代入(1)式，得
将标靶平面内三个感光点B1、B2及B3中任意两点在机身坐标系及巷道坐标系中的坐标(uk,vk,wk)与(xk,yk,zk)(k＝1、2、3)分别代入(3)式，并且对应相减，得
式中，i＝1,2,3，j＝1,2,3，且i＞j。
由(4)式，得
式中，uij＝ui-uj，vij＝vi-vj，wij＝wi-wj，xij＝xi-xj，yij＝yi-yj，zij＝zi-zj。
由以上分析可知，将满足i>j关系的i与j的值代入(5)式，可以写出三个以a、b、c为未知数的代数方程组。将此三个代数方程组中的任意两个组合成一个新的代数方程组，共可以构成三个新的代数方程组
C{a b c}T＝v (6)
式中，C为新代数方程组的系数矩阵，v为新代数方程组的列向量，m,n＝1,2,3，i与m，j与n不能同时相等；
由(6)式，得
{a b c}T＝inv(CTC)CTv (7)
将标靶平面内三个感光点B1、B2及B3在巷道坐标系中的坐标(xk,-yk,zk)，以及机身坐标系中的坐标(uk,vk,wk)(k＝1、2、3)的参数值代入(7)式，可以得到a、b及c的值。
如前所述，(6)式及(7)式均可以表示三个方程组。所以，由(7)式可以得到三组{ab c}T的值。从理论上看，三组值中的对应元素相等。但是，由于测量误差与数值计算误差的存在，各组值中对应元素可能存在差异。为了消除测试与计算误差的影响，分别以(7)式计算得到的三组{a b c}T中各元素ak、bk、ck(k＝1、2、3)的算术平均值作为a、b、c三个实数的取值
将(8)式得到的a、b、c代入(2)式，得到系数矩阵
根据位姿参数与各元素的关系，得
将所得到的a、b、c及λ，以及标靶平面内三个感光点在巷道坐标系及机身坐标系中的坐标均代入(3)式，可以得到掘进机机身的平移参数ΔXk、ΔYk及ΔZk
为了减小误差影响，分别以平移参数ΔXk、ΔYk及ΔZk的算术平均值作为掘进机的偏移量。所以
根据以上分析可知，利用本发明所述测量方法可以得到掘进机在巷道(坐标系)中的位置参数ΔX、ΔY与ΔZ，姿态参数α、β与γ。
位姿测量方法合理性分析
当掘进机具有某种姿态特征时，根据经典的布尔莎-沃尔夫原理，可以得到与其位姿特征对应的系数矩阵R。此外，利用本发明方法中的(2)式及(9)式也可以得到相应的系数矩阵Rw。如果系数矩阵R与Rw保持一致，可以证明利用本发明的测量方法合理。
为了对本发明提出的位姿测量方法的合理性进行分析，设定掘进机的位姿参数如表1所示。
表1 掘进机的位姿参数
根据布尔莎-沃尔夫原理，由表1所示的参数可以得到系数矩阵
利用本发明方法计算系数矩阵Rw时，标靶平面内三个感光点在巷道坐标系中的坐标(xk,-yk,zk)及机身坐标系中的坐标(uk,vk,wk)为必要参数。
由前述位姿测量系统的工作原理可知，利用本发明的测量系统对掘进机的位姿参数测量时，可以根据实际工况需要，人为确定以上参数中xk与zk(激光发射点在激光发射平面内，也就是其在巷道坐标系中的两个坐标值)；根据感光点在机身坐标系中的坐标特点可知参数vk＝0。此处，假设位姿测量系统工作时，人为确定的三个激光发射点在巷道坐标系中的坐标分别为A1(0.1,0,0)、A2(-0.1,0,0)及A3(0,0,0.1)。由此可见，xk、zk及vk属于已知值，yk、uk及wk为待测参数，由系统测试得到。在本发明所提供的位姿测量原理的基础上，并且根据经典的布尔莎-沃尔夫原理可得
由以上分析可知，两个系数矩阵R及Rw的差异极小。所以，可以认为利用本发明所述测量方法得到的系数矩阵与根据经典布尔莎-沃尔夫原理得到的系数矩阵保持一致，由此可以证明本发明所述测量方法的合理性。
测试分析
如前所述，利用本发明所述测量系统对掘进机的位姿进行实际测量时，标靶平面内三个感光点在巷道坐标系中的坐标(xk,-yk,zk)及机身坐标系中的坐标(uk,vk,wk)为必要参数。其中yk由激光测距仪测量得到；uk、wk由系统对标靶平面内的各光敏二极管扫描得到。
利用本发明的测量系统及测量方法对已设定位姿参数的掘进机进行测试分析，通过对比位姿参数的测量值与设定值，可以进一步分析测量系统及测量方法的合理性。当掘进距离(掘进机沿掘进方向的位移)为10m、20m及40m时，设定掘进机机身的偏移量ΔX与ΔZ分别为0.05m、0.02m，且设定其姿态角α、β及γ分别为3°、8°及5°。利用本发明提供的测试系统及测试方法对掘进机机身的位姿参数自动进行了20次、50次、100次、200次、500次、1000次的测试分析，分析了对应的位姿参数平均值与理论值之间的误差。
由测试分析可知，对于不同掘进距离，分别进行20次、50次、100次、200次、500次、1000次测试，所得掘进机位置参数(ΔX,ΔY,ΔZ)与姿态参数(α,β,γ)的误差如图4和图5所示。由图4和图5可见，位姿参数的测量误差小于7％，而且随测试次数的增大，测试误差逐渐减小，位姿参数的测量值趋近于其理论值。所以，对掘进机实际测量过程中，可以采用多次测量的方法提高测量精度。

Claims (8)

1.一种用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统，其特征在于：由安装在掘进巷道内的激光发射与测距单元(4)、安装在掘进机机身上的平面标靶单元(1)、以及扩展单元(2)、下位机主控单元(3)、数据传输单元(5)、上位机(6)组成，激光发射与测距单元(4)具有三个不共线的激光发射点，该激光发射点可向平面标靶单元(1)发射激光，平面标靶单元(1)由多支光敏二极管按顺序排列组成光敏二极管方阵，并且具有激光束信号感应端与输出/输入端，其激光束信号感应端用于感应来自激光发射与测距单元(4)的激光信号，其输出/输入端通过扩展单元(2)与下位机主控单元(3)的输入/输出端连接，下位机主控单元(3)具有测距输出/输入端和数据信号输出/输入端，其测距输出/输入端接至激光发射与测距单元(4)的输入/输出端，其数据信号输出/输入端通至数据传输单元(5)的输入/输出端，数据传输单元(5)的上位机输出端与上位机(6)的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统，其特征在于：所述的激光发射与测距单元(4)由一个MAX485器件和三个用于激光发射及测距的GBLM-07模块组成，三个GBLM-07模块的输入/输出端经MAX485器件与下位机主控单元(3)的测距输出/输入端连接，三个GBLM-07模块的激光发射端向平面标靶单元(1)发射激光束信号，且测量激光发射点与感光点之间的距离。
3.根据权利要求1所述的用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统，其特征在于：所述的扩展单元(2)包括n支并行设置的74HC595芯片和n支并行设置的74HC165芯片，所述的平面标靶单元(1)由8n×8n支光敏二极管按顺序排列组成光敏二极管方阵，n＝1,2,3……，光敏二极管方阵的各正极管脚按每8行一组，均分为n组，并分别通过扩展单元(2)中一个对应的74HC595芯片与下位机主控单元(3)的输出端连接，光敏二极管方阵的各负极管脚也按每8列一组，均分为n组，并分别通过扩展单元(2)中一个对应的74HC165芯片与下位机主控单元(3)的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统，其特征在于：所述的数据传输单元(5)由一个MAX485器件和一个485/232转换器组成，MAX485器件的信号输入/输出端与下位机主控单元(3)的数据信号输出/输入端连接，MAX485器件的输出端经485/232转换器与上位机(6)的信号输入端连接。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统，其特征在于：所述的下位机主控单元(3)由LPC2478器件构成。
6.根据权利要求1或4所述的用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统，其特征在于：所述的上位机(6)为KJD127防爆本安型计算机。
7.一种采用权利要求1所述位姿测量系统的用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量方法，其特征在于包括以下步骤：
7.1分别利用激光发射与测距单元(4)所形成的激光发射平面(7)及平面标靶单元(1)所形成的标靶平面(8)建立巷道坐标系O-XYZ与机身坐标系O1-UVW，其中，巷道坐标系的OY轴垂直于激光发射平面(7)，其正方向与巷道掘进方向相反；OZ轴位于激光发射平面(7)内，其正方向竖直向上；OX轴也位于激光发射平面(7)内，并且与OZ轴垂直；OX轴的正方向可以根据空间直角坐标系右手定则确定；机身坐标系的O1U轴及O1W轴位于标靶平面(8)内，且相互正交，O1W轴以向上为正方向，O1V轴垂直于标靶平面(8)，其正方向指向激光发射平面(7)，O1U轴的正方向可以根据空间直角坐标系右手定则确定；
7.2在激光发射与测距单元(4)中确定三个不共线的激光发射点在巷道坐标系中的坐标A1(x1,0,z1)、A2(x2,0,z2)及A3(x3,0,z3)，使之向平面标靶单元(1)发射激光，通过下位机主控单元(3)获取平面标靶单元(1)中三个感光点在机身坐标系中的坐标B1(u1,0,w1)、B2(u2,0,w2)及B3(u3,0,w3)；
7.3将激光发射平面(7)上的三个发光点A1、A2及A3视为标靶平面(8)内三个感光点B1、B2及B3在激光发射平面中的投影，如果激光发射与测距单元(4)获得的三个发光点A1、A2、A3与三个对应的感光点B1、B2、B3之间的距离分别为y1、y2及y3，则标靶平面(8)上三个感光点B1、B2及B3在巷道坐标系中的坐标分别为(x1,-y1,z1)、(x2,-y2,z2)及(x3,-y3,z3)；
7.4将三个感光点在机身坐标系中的坐标数据(u1,0,w1)、(u2,0,w2)及(u3,0,w3)及其在巷道坐标系中的坐标数据(x1,-y1,z1)、(x2,-y2,z2)及(x3,-y3,z3)通过下位机主控单元(3)、数据传输单元(5)传输至上位机(6)；通过上位机(6)对所获取的数据进行解算，得到掘进机的位姿参数；
7.5掘进机的位姿参数为其机身沿巷道坐标系中三个坐标轴方向的平移量ΔX、ΔY及ΔZ，以及绕其三个坐标轴的转角α、β及γ，掘进机机身上任意一点在巷道坐标系及机身坐标系中的坐标分别为(x,y,z)及(u,v,w)，根据刚体在两空间坐标系中的坐标变换关系可以得到
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式中，λ为尺度因子，巷道坐标系和机身坐标系为同等长度基准，取λ＝1；R为系数矩阵。
8.根据权利要求7所述的用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量方法，其特征在于：在所述步骤7.5中，构造一个系数矩阵
RW＝(I+S)(I-S)-1 (2)
式中，I为单位矩阵，S为实反对称矩阵，a、b及c为实数，
将(2)式所示的系数矩阵RW代入(1)式，得
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将标靶平面内三个感光点B1、B2及B3中任意两点在机身坐标系及巷道坐标系中的坐标(uk,vk,wk)与(xk,yk,zk)(k＝1、2、3)分别代入(3)式，并且对应相减，得
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式中，i＝1,2,3，j＝1,2,3，且i＞j，
由(4)式，得
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式中，uij＝ui-uj，vij＝vi-vj，wij＝wi-wj，xij＝xi-xj，yij＝yi-yj，zij＝zi-zj，
将满足i>j关系的i与j的值代入(5)式，可得出三个以a、b、c为未知数的代数方程组，将此三个代数方程组中的任意两个组合成一个新的代数方程组，共可以构成三个新的代数方程组
C{a b c}T＝v (6)
式中，Ck为新代数方程组的系数矩阵，vk为新代数方程组的列向量，
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m＝1,2,3，n＝1,2,3，且m＞n，i与m，j与n不能同时相等；
由(6)式，得
{a b c}T＝inv(CTC)CTv (7)
将标靶平面内三个感光点B1、B2及B3在巷道坐标系中的坐标(xk,-yk,zk)以及机身坐标系中的坐标(uk,vk,wk)(k＝1、2、3)的参数值代入(7)式，可以得到三组{a b c}T的值；
为了减小误差影响，分别以(7)式计算得到的三组{a b c}T中各元素ak、bk、ck(k＝1、2、3)的算术平均值作为a、b、c三个实数的取值
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将(8)式得到的a、b、c代入(2)式，得到系数矩阵
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根据位姿参数与各元素的关系，得
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将所得到的a、b、c及λ，以及标靶平面内三个感光点在巷道坐标系及机身坐标系中的坐标均代入(3)式，可以得到掘进机机身的平移参数ΔXk、ΔYk及ΔZk
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为了减小误差影响，分别以平移参数ΔXk、ΔYk及ΔZk的算术平均值作为掘进机的偏移量，得到
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由此即可得到掘进机在巷道坐标系中的位置参数ΔX、ΔY、ΔZ以及姿态参数α、β、γ。
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