CN108345005A - 巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统及导航定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统，三维激光扫描雷达固定安装在捷联惯导系统顶部，标记板安装在三维激光扫描雷达的侧面，标记板三维激光扫描雷达在同一高度，二者的相对位置固定不变；捷联惯导系统固定安装在底板上；激光雷达处理器与三维激光扫描雷达连接；捷联惯导系统处理器与捷联惯导系统连接；总处理器分别与捷联惯导系统处理器及激光雷达处理器连接；存储通信模块与总处理器连接。本发明无需另外设置无线通信定位基站，一旦正常启动，不再需要人为参与，便可实现掘进机的自主导航定位。

Description

巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统及导航定位方法

技术领域

本发明涉及掘进机技术领域，尤其涉及巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统及导航定位方法。

背景技术

巷道掘进机的精确导向问题是巷道施工的关键问题，导向定位系统的精度直接影响施工质量和施工效率。巷道掘进工作环境恶劣，危险性大，人工操作局限性大，为了减小掘进机操作人员的工作量，掘进机逐步向自动化转化。掘进机自主导航是掘进机自动化的关键技术，国内相关企业和科研机构一直致力于掘进机自动导航定位技术的研究。

如公开号为CN102419433A，名为“一种掘进机定位系统”的专利申请文件以及公开号为CN105298509A，名为“一种掘进机姿态定位系统”的专利申请文件中，通过安装在掘进机上的无线信号收发器与安装在巷道内的多个个无线信号发射器，运用GPS无线定位原理对掘进机进行定位。公开号为CN106225779A，名为“基于三激光标记点图像的掘进机定位系统及导航定位方法”的专利申请文件中，通过安装在掘进机上的摄像仪对三角激光标记仪产生的激光点进行识别，达到掘进机姿态测量的目的。公开号为CN104296733A，名为“掘进机激光定位装置及掘进机”的专利申请文件中，通过在巷道内安装激光发射器，并在掘进机上安装激光定位传感器。通过分析激光定位传感器信号来推算掘进机的位置信息，实现导航。公开号为CN105178967A，名为“掘进机自主定位定向系统及方法”的专利申请文件中，通过在巷道内布置4个基站机器人，建立定位基站群，基站机器人可自主移动避障，利用陀螺寻北仪在固定点逐次寻北来定向，无线基站实现对掘进机的定位。

在以上专利申请文件中，都需要在巷道中设置固定或者可移动的参考标记或者基站，需要人工固定参考标记或者通过多个无线定位基站机器人、通过点测来参与掘进机导航过程，仍然存在工作效率低、速度慢、维护困难、实时连续测量受限等问题，无法实现掘进机完全的自主连续导航定位定向。

申请内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：在无需设置固定参考标记或者多个可移动的无线定位基站基础上，无需人为参与掘进机导航过程的前提下，实现掘进机完全的实时连续自主定位定向。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统，包括定位装置、标记板及客户端，所述定位装置包括底板、捷联惯导系统、三维激光扫描雷达、激光雷达处理器、捷联惯导系统处理器、总处理器、掘进机控制器及存储通信模块，定位装置通过底板安装在掘进机的后方，定位装置用于测量掘进机已挖掘部分的空间位置，其中：

三维激光扫描雷达固定安装在捷联惯导系统顶部，标记板安装在三维激光扫描雷达的侧面，标记板三维激光扫描雷达在同一高度，二者的相对位置固定不变，标记板用于作为三维激光扫描雷达测量时的参考标记，三维激光扫描雷达能够同时采集巷道点云信息及标记板点云信息；

捷联惯导系统固定安装在底板上，捷联惯导系统用于采集掘进机的加速度及角速度信息；

激光雷达处理器与三维激光扫描雷达连接，激光雷达处理器用于将三维激光扫描雷达得到的巷道点云信息和标记板点云信息进行滤波并提取点云几何特征；

捷联惯导系统处理器与捷联惯导系统连接，捷联惯导系统处理器用于将捷联惯导系统采集的加速度及角速度信息通过滤波和姿态更新计算得到第一姿态变换矩阵；

总处理器分别与捷联惯导系统处理器及激光雷达处理器连接，总处理器用于基于所述捷联惯导系统处理器得到的第一姿态变换矩阵和所述激光雷达处理器得到的点云几何特征数据生成巷道的三维地图，计算出当前时刻掘进机在三维地图上的位置和姿态信息，以及与预先设定轨迹的偏差和当前时刻的修正量；

掘进机控制器与总处理器连接，掘进机控制器用于基于所述总处理器给出的偏差和修正量，控制掘进机调整当前的姿态；

存储通信模块与总处理器连接，存储通信模块用于存储掘进机在三维地图上的位置和姿态信息，并将掘进机在三维地图上的位置和姿态信息发送至客户端。

优选地，定位装置还包括防尘罩及伺服控制电机，防尘罩安装在底板上，伺服控制电机能够响应掘进机总处理器的控制信号，控制防尘罩打开或闭合。

优选地，底板均布设置有多个缓震胶垫。

优选地，客户端通过无线网络与总处理器相连。

优选地，还包括巷道内的参考标记智能小车，参考标记智能小车跟随在掘进机之后，在掘进机移动以及三维激光扫描雷达开始测量的时候，参考标记智能小车不能移动，当掘进机与参考标记智能小车的距离超出激光扫描雷达的测量范围时，总处理器控制参考标记智能车向前移动，此时掘进机不能移动，当参考标记智能小车到达预定地点，并由三维激光扫描雷达重新确定位置后，掘进机可再次移动挖掘，参考标记智能小车具有能够被三维激光扫描雷达识别的形状特征，将参考标记智能小车放置在巷道内，作为巷道固有特征的一部分，以提高巷道点云配准的效率和精度，进而提高掘进机导航的精度。

巷道掘进机的导航定位方法，本方法使用如权利要求1-5任一项所述的巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统进行导航定位，包括如下步骤：

步骤1、当掘进机停止挖掘时，捷联惯导系统处理器将捷联惯导系统采集的加速度及角速度信息通过滤波和姿态更新计算得到第一姿态变换矩阵；

步骤2、激光雷达处理器将三维激光扫描雷达得到的点云信息和标记板点云信息进行滤波和点云几何特征提取；

步骤3、总处理器将所述捷联惯导系统处理器得到的第一姿态变换矩阵和所述激光雷达处理器得到的点云几何特征数据进行融合，通过比较特征和标记板特征，并结合第三姿态变换矩阵得到掘进机的三维地图，然后结合掘进机的姿态信息，给出当前时刻掘进机在三维地图上的位置和姿态信息，以及与预先设定轨迹的偏差和当前时刻的修正量；

步骤4、掘进机控制器基于所述总处理器给出的偏差和修正量，控制掘进机调整当前的姿态；

步骤5、存储通信模块存储掘进机在三维地图上的位置和姿态信息，并将掘进机在三维地图上的位置和姿态信息发送至客户端。

优选地，步骤1包括捷联惯导系统处理器在对加速度及角速度信息进行数据滤波处理后，通过四元数算法解算出由掘进机坐标系转换到导航坐标系的第一姿态变换矩阵：

并由以下公式得到掘进机在导航坐标系中的姿态角：

其中，T是姿态变换矩阵计算参数，θ是掘进机的俯仰角，γ是掘进机的横滚角，ψ是掘进机的航向角。

优选地，步骤3包括根据所述激光雷达处理器得到的点云几何特征，运用迭代最近点算法，得到前后两帧点云数据之间的第二姿态变换矩阵；

根据所述捷联惯导系统处理器得到的第一姿态变换矩阵进行加权平均，得到第三姿态变换矩阵：

其中，是最终的掘进机坐标系到导航坐标系的第三姿态变换矩阵，是由捷联惯导系统得到的掘进机坐标系到导航坐标系的第一姿态变换矩阵，是由雷达点云数据得到的掘进机坐标系到导航坐标系的第二姿态变换矩阵，k₁是第一姿态变换矩阵的权重，k₂是第二姿态变换矩阵的权重；

将得到的点云几何特征与第三姿态变换矩阵相乘，实现巷道地图的三维重建，进而得到掘进机在导航坐标系下的历史路径，结合预设的路径信息，便可得到当前时刻的偏差量和修正量。

优选地，定位装置还包括防尘罩及伺服控制电机，防尘罩安装在底板上，伺服控制电机能够响应掘进机总处理器的控制信号，控制防尘罩打开或闭合，本方法还包括：当掘进机姿态调整过后，开始破岩挖掘时，激光扫描雷达停止工作，防尘罩关闭，避免了掘进机工作时扬起的灰尘、水雾对激光雷达造成影响，但是此刻捷联惯导系统仍然处于工作状态；

当掘进机需要再次移动时，防尘罩打开，执行步骤1-4中的方法，从而实现掘进机完全自主的连续导航定位。

优选地，巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统还包括参考标记智能小车，参考标记智能小车跟随在掘进机之后，在掘进机移动以及三维激光扫描雷达开始测量的时候，参考标记智能小车不能移动，当掘进机与参考标记智能小车的距离超出激光扫描雷达的测量范围时，总处理器控制参考标记智能小车向前移动，此时掘进机不能移动，当参考标记智能小车到达预定地点，并由三维激光扫描雷达重新确定位置后，掘进机可再次移动挖掘，参考标记智能小车具有能够被三维激光扫描雷达识别的形状特征，将参考标记智能小车放置在巷道内，作为巷道固有特征的一部分，以提高巷道点云配准的效率和精度，进而提高掘进机导航的精度，在本方法中：

激光雷达处理器将三维激光扫描雷达得到的巷道、巷道内的参考标记智能小车的点云信息和标记板点云信息进行滤波比较，用标记板的点云信息实时修正三维激光扫描雷达对巷道场景和参考标记智能小车的测量误差，并提取包括参考标记智能小车在内的巷道场景点云的几何特征。

综上所述，本发明公开了巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统，包括定位装置、标记板及客户端，所述定位装置包括底板、捷联惯导系统、三维激光扫描雷达、激光雷达处理器、捷联惯导系统处理器、总处理器、掘进机控制器及存储通信模块，定位装置通过底板安装在掘进机的后方，定位装置用于测量掘进机已挖掘部分的空间位置，其中：三维激光扫描雷达固定安装在捷联惯导系统顶部，标记板安装在三维激光扫描雷达的侧面，标记板三维激光扫描雷达在同一高度，二者的相对位置固定不变，标记板用于作为三维激光扫描雷达测量时的参考标记，三维激光扫描雷达用于采集巷道点云信息及标记板点云信息；捷联惯导系统固定安装在底板上，捷联惯导系统用于采集掘进机的加速度及角速度信息；激光雷达处理器与三维激光扫描雷达连接，激光雷达处理器用于将三维激光扫描雷达得到的巷道点云信息和标记板点云信息进行滤波并提取点云几何特征；捷联惯导系统处理器与捷联惯导系统连接，捷联惯导系统处理器用于将捷联惯导系统采集的加速度及角速度信息通过滤波和姿态更新计算得到第一姿态变换矩阵；总处理器分别与捷联惯导系统处理器及激光雷达处理器连接，总处理器用于基于所述捷联惯导系统处理器得到的第一姿态变换矩阵和所述激光雷达处理器得到的点云几何特征数据生成巷道的三维地图，计算出当前时刻掘进机在三维地图上的位置和姿态信息，以及与预先设定轨迹的偏差和当前时刻的修正量；掘进机控制器与总处理器连接，掘进机控制器用于基于所述总处理器给出的偏差和修正量，控制掘进机调整当前的姿态；存储通信模块与总处理器连接，存储通信模块用于存储掘进机在三维地图上的位置和姿态信息，并将掘进机在三维地图上的位置和姿态信息发送至客户端。本发明在无需设置固定或者可移动的参考标记或者基站，无需人为参与掘进机导航过程的前提下，实现了掘进机完全的自主导航定位。

附图说明

为了使申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统的结构示意图；

图2为本发明公开的巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统的安装位置图；

图3为本发明公开的巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统的安装位置俯视图；

图4为本发明公开的巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统的系统框图；

图中：1-掘进机；2-定位装置；2-1三维激光扫描雷达；2-2防尘罩；2-3捷联惯导系统；2-4底板；2-5减震胶垫；2-6伺服控制电机；3-标记板；4-已挖掘部分巷道；5-参考标记车。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图4所示，本发明公开了巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统，其特征在于，包括定位装置、标记板及客户端，所述定位装置包括底板、捷联惯导系统、三维激光扫描雷达、激光雷达处理器、捷联惯导系统处理器、总处理器、掘进机控制器及存储通信模块，定位装置通过底板安装在掘进机的后方，定位装置用于测量掘进机已挖掘部分的空间位置，其中：

三维激光扫描雷达固定安装在捷联惯导系统顶部，标记板安装在三维激光扫描雷达的侧面，标记板三维激光扫描雷达在同一高度，二者的相对位置固定不变，标记板用于作为三维激光扫描雷达测量时的参考标记，三维激光扫描雷达能够同时采集巷道点云信息及标记板点云信息；

标记板与三维激光扫描雷达间的距离已知，激光雷达处理器通过比较标记板与巷道场景的点云信息，便可以对三维激光扫描雷达的测量误差进行实时校正。

捷联惯导系统固定安装在底板上，捷联惯导系统用于实时采集掘进机的三维加速度及角速度信息；

激光雷达处理器与三维激光扫描雷达连接，激光雷达处理器用于将三维激光扫描雷达得到的巷道点云信息和标记板点云信息进行滤波并提取点云几何特征；

捷联惯导系统处理器与捷联惯导系统连接，捷联惯导系统处理器用于将捷联惯导系统采集的加速度及角速度信息通过滤波和姿态更新计算得到第一姿态变换矩阵；

总处理器分别与捷联惯导系统处理器及激光雷达处理器连接，总处理器用于基于所述捷联惯导系统处理器得到的第一姿态变换矩阵和所述激光雷达处理器得到的点云几何特征数据生成巷道的三维地图，计算出当前时刻掘进机在三维地图上的位置和姿态信息，以及与预先设定轨迹的偏差和当前时刻的修正量；

掘进机控制器与总处理器连接，掘进机控制器用于基于所述总处理器给出的偏差和修正量，控制掘进机调整当前的姿态；

存储通信模块与总处理器连接，存储通信模块用于存储掘进机在三维地图上的位置和姿态信息，并将掘进机在三维地图上的位置和姿态信息发送至客户端。

在本发明中，在掘进机工作的开始阶段，掘进机处于巷道外或者在巷道内较浅的位置，已挖掘部分巷道长度较短。此时仍采用全站仪、激光指引等方式配合掘进机操作人员进行人工操作。在本发明中，如图2和图3所示，掘进机智能精密自主定位定向系统安装在掘进机的中后部，并且保证整个系统对掘进机后面的视野不会被掘进机的其他部分所遮挡。掘进机精密智能定位系统所要测量的是掘进机已挖掘部分巷道的空间位置。

本发明与现有技术相比，本发明不需要在巷道中设置固定或者可移动的参考标记或者基站，结构简单，节约了掘进机定位的成本，并且本发明中，总处理器可以根据掘进机的位置与预设的轨迹进行对比，对掘进机的行进路线做出自动修正，降低了工作人员的劳动强度，提高了掘进机的工作效率。

作为一种优选，所述的捷联惯导系统采用精密激光陀螺捷联惯导系统。激光陀螺具有无机械活动部件、无预热时间、不敏感加速度、动态范围宽、数字输出、体积小、精度高等优点。

作为一种优选，所述三维激光扫描雷达采用64线红外激光扫描雷达。64线激光雷达角度分辨率高，获得的数据量更多，有利于后期特征提取和配准；红外激光的穿透性更好，能够减小粉尘对激光雷达测量距离的影响。所选用的激光雷达处理器应具有较大的数据吞吐量，以保证测量的实时性，准确性。

作为一种优选，标记板中央的三角形采用反射率高的涂料涂刷，以增加三维激光扫描雷达的识别度。

具体实施时，定位装置还包括防尘罩及伺服控制电机，防尘罩安装在底板上，伺服控制电机能够响应掘进机总处理器的控制信号，控制防尘罩打开或闭合。

通过设置防尘罩可以避免掘进时灰尘与落石对定位装置造成损伤。

具体实施时，底板均布设置有多个缓震胶垫，用以缓冲掘进机工作时对所述三维激光扫描雷达和所述捷联惯导系统所造成的冲击。

具体实施时，客户端通过无线网络与总处理器相连，还能够对掘进机的掘进路线进行设定，对掘进机的过度偏离进行报警。

具体实施时，还包括系统自带的参考标记智能小车，参考标记智能小车与系统通过无线方式进行通信，跟随在掘进机之后，在掘进机移动以及三维激光扫描雷达开始测量的时候，参考标记智能小车不能移动，当掘进机与参考标记智能小车的距离超出激光扫描雷达的测量范围系统设计值时，总处理器控制参考标记智能车向前移动，此时掘进机不移动，当参考标记智能小车到达预定地点，三维激光扫描雷达实时确定其位置后，掘进机可再次移动挖掘，参考标记智能小车具有能够被三维激光扫描雷达识别的形状特征，将参考标记智能小车放置在巷道内，作为巷道固有特征的一部分，以提高巷道点云配准的效率和精度，进而提高掘进机导航的精度；系统解算对参考小车在巷道内的位置没有特殊要求，便于提高定位定向系统对巷道复杂特殊环境的适应能力。

跟在掘进机后面的参考标记车。参考标记车作为巷道内的固定特征，用以提高整个系统的测量精度。所述参考标记车能够被总处理器通过存储通信模块无线控制，跟随掘进机移动。且参考标记车具有一定的自主避障功能。参考标记车不需要获取数据，就是普通的智能小车，只需要在总处理器控制下移动就行。其作用与标记板相似，因为参考标记车形状特征明显，可将参考标记车作为巷道固有特征的一部分，有助于提高巷道点云配准和掘进机导航的精度。

作为一种优选，参考标记车顶部采用球形设计，并同样采用反射率高的涂料涂刷，便于三维激光扫描雷达识别。

巷道掘进机的导航定位方法，本方法使用上述的巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统进行掘进控制，包括如下步骤：

步骤1、当掘进机停止挖掘时，捷联惯导系统处理器将所述捷联惯导系统得到的加速度及角速度信息通过滤波、姿态更新计算得到第一姿态变换矩阵；

步骤2、激光雷达处理器将三维激光扫描雷达得到的点云信息和标记板点云信息进行滤波和点云几何特征提取；

步骤3、总处理器将所述捷联惯导系统处理器得到的第一姿态变换矩阵和所述激光雷达处理器得到的点云几何特征数据进行融合，通过比较特征和标记板特征，并结合第三姿态变换矩阵得到掘进机的三维地图，然后结合掘进机的姿态信息，给出当前时刻掘进机在三维地图上的位置和姿态信息，以及与预先设定轨迹的偏差和当前时刻的修正量；

步骤4、掘进机控制器根据所述总处理器给出的偏差和修正量，控制掘进机调整当前的姿态。

具体实施时，步骤1包括捷联惯导系统处理器在对加速度及角速度信息进行数据滤波处理后，通过四元数算法解算出由掘进机坐标系转换到导航坐标系的第一姿态变换矩阵：

并由以下公式得到掘进机在导航坐标系中的姿态角：

其中，T是姿态变换矩阵计算参数，θ是掘进机的俯仰角，γ是掘进机的横滚角，ψ是掘进机的航向角。

具体实施时，步骤3包括根据所述激光雷达处理器得到的点云几何特征，运用迭代最近点算法，得到前后两帧点云数据之间的第二姿态变换矩阵；

根据所述捷联惯导系统处理器得到的第一姿态变换矩阵进行加权平均，得到第三姿态变换矩阵：

其中，是最终的掘进机坐标系到导航坐标系的第三姿态变换矩阵，是由捷联惯导系统得到的掘进机坐标系到导航坐标系的第一姿态变换矩阵，是由雷达点云数据得到的掘进机坐标系到导航坐标系的第二姿态变换矩阵，k₁是第一姿态变换矩阵的权重，k₂是第二姿态变换矩阵的权重；

将得到的点云几何特征与第三姿态变换矩阵相乘，实现巷道地图的三维重建，进而得到掘进机在导航坐标系下的历史路径，结合预设的路径信息，便可得到当前时刻的偏差量和修正量。

具体实施时，定位装置还包括防尘罩及伺服控制电机，防尘罩安装在底板上，伺服控制电机能够响应掘进机总处理器的控制信号，控制防尘罩打开或闭合，本方法还包括：当掘进机姿态调整过后，开始破岩挖掘时，激光扫描雷达停止工作，防尘罩关闭，避免了掘进机工作时扬起的灰尘、水雾对激光雷达造成影响，但是此刻捷联惯导系统仍然处于工作状态；

当掘进机需要再次移动时，防尘罩打开，执行步骤1-4中的方法，从而实现掘进机完全自主的连续导航定位。

具体实施时，巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统还包括参考标记车，参考标记车跟随在掘进机之后，在掘进机移动以及三维激光扫描雷达开始测量的时候，参考标记车不能移动，当掘进机与参考标记车的距离超出激光扫描雷达的测量范围时，总处理器控制参考标记车向前移动，此时掘进机不能移动，当参考标记车到达预定地点，并由三维激光扫描雷达重新确定位置后，掘进机可再次移动挖掘。

掘进机与参考标记车之间互为参考，一静一动，实现掘进机连续实时自主导航。

综上所述，本发明具有如下优点：

(1)本发明一旦开始启动，就能够完全自主地实现掘进机的连续导航定位，不再需要人为干预；

(2)本发明在掘进机上设置了三维激光扫描雷达的固定参考标记，可对三维激光扫描雷达误差进行在线实时标校，并在巷道内设置了可移动的参考标记智能小车，提高了巷道点云的配准精度；

(3)采用了捷联惯导系统对三维激光扫描雷达的配准进行修正，提高了配准精度；

(4)本发明结合掘进机的实际工作状态，采用了防尘罩设计，在保证测量精度的同时，能够有效地保护三维激光扫描雷达。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统，其特征在于，包括定位装置、标记板及客户端，所述定位装置包括底板、捷联惯导系统、三维激光扫描雷达、激光雷达处理器、捷联惯导系统处理器、总处理器、掘进机控制器及存储通信模块，定位装置通过底板安装在掘进机的后方，定位装置用于测量掘进机已挖掘部分的空间位置，其中：

三维激光扫描雷达固定安装在捷联惯导系统顶部，标记板安装在三维激光扫描雷达的侧面，标记板三维激光扫描雷达在同一高度，二者的相对位置固定不变，标记板用于作为三维激光扫描雷达测量时的参考标记，三维激光扫描雷达能够同时采集巷道点云信息及标记板点云信息；

捷联惯导系统固定安装在底板上，捷联惯导系统用于采集掘进机的加速度及角速度信息；

激光雷达处理器与三维激光扫描雷达连接，激光雷达处理器用于将三维激光扫描雷达得到的巷道点云信息和标记板点云信息进行滤波并提取点云几何特征；

捷联惯导系统处理器与捷联惯导系统连接，捷联惯导系统处理器用于将捷联惯导系统采集的加速度及角速度信息通过滤波和姿态更新计算得到第一姿态变换矩阵；

总处理器分别与捷联惯导系统处理器及激光雷达处理器连接，总处理器用于基于所述捷联惯导系统处理器得到的第一姿态变换矩阵和所述激光雷达处理器得到的点云几何特征数据生成巷道的三维地图，计算出当前时刻掘进机在三维地图上的位置和姿态信息，以及与预先设定轨迹的偏差和当前时刻的修正量；

掘进机控制器与总处理器连接，掘进机控制器用于基于所述总处理器给出的偏差和修正量，控制掘进机调整当前的姿态；

存储通信模块与总处理器连接，存储通信模块用于存储掘进机在三维地图上的位置和姿态信息，并将掘进机在三维地图上的位置和姿态信息发送至客户端。

2.如权利要求1所述的巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统，其特征在于，定位装置还包括防尘罩及伺服控制电机，防尘罩安装在底板上，伺服控制电机能够响应掘进机总处理器的控制信号，控制防尘罩打开或闭合。

3.如权利要求1所述的巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统，其特征在于，底板均布设置有多个缓震胶垫。

4.如权利要求1所述的巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统，其特征在于，客户端通过无线网络与总处理器相连。

5.如权利要求1所述的巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统，其特征在于，还包括巷道内的参考标记智能小车，参考标记智能小车跟随在掘进机之后，在掘进机移动以及三维激光扫描雷达开始测量的时候，参考标记智能小车不能移动，当掘进机与参考标记智能小车的距离超出激光扫描雷达的测量范围时，总处理器控制参考标记智能车向前移动，此时掘进机不能移动，当参考标记智能小车到达预定地点，并由三维激光扫描雷达重新确定位置后，掘进机可再次移动挖掘，参考标记智能小车具有能够被三维激光扫描雷达识别的形状特征，将参考标记智能小车放置在巷道内，作为巷道固有特征的一部分，以提高巷道点云配准的效率和精度，进而提高掘进机导航的精度。

6.巷道掘进机的导航定位方法，其特征在于，本方法使用如权利要求1-5任一项所述的巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统进行导航定位，包括如下步骤：

步骤1、当掘进机停止挖掘时，捷联惯导系统处理器将捷联惯导系统采集的加速度及角速度信息通过滤波和姿态更新计算得到第一姿态变换矩阵；

步骤2、激光雷达处理器将三维激光扫描雷达得到的点云信息和标记板点云信息进行滤波和点云几何特征提取；

步骤3、总处理器将所述捷联惯导系统处理器得到的第一姿态变换矩阵和所述激光雷达处理器得到的点云几何特征数据进行融合，通过比较特征和标记板特征，并结合第三姿态变换矩阵得到掘进机的三维地图，然后结合掘进机的姿态信息，给出当前时刻掘进机在三维地图上的位置和姿态信息，以及与预先设定轨迹的偏差和当前时刻的修正量；

步骤4、掘进机控制器基于所述总处理器给出的偏差和修正量，控制掘进机调整当前的姿态；

步骤5、存储通信模块存储掘进机在三维地图上的位置和姿态信息，并将掘进机在三维地图上的位置和姿态信息发送至客户端。

7.如权利要求6所述的巷道掘进机的导航定位方法，其特征在于，步骤1包括捷联惯导系统处理器在对加速度及角速度信息进行数据滤波处理后，通过四元数算法解算出由掘进机坐标系转换到导航坐标系的第一姿态变换矩阵：

并由以下公式得到掘进机在导航坐标系中的姿态角：

其中，T是姿态变换矩阵计算参数，θ是掘进机的俯仰角，γ是掘进机的横滚角，ψ是掘进机的航向角。

8.如权利要求7所述的巷道掘进机的导航定位方法，其特征在于，步骤3包括根据所述激光雷达处理器得到的点云几何特征，运用迭代最近点算法，得到前后两帧点云数据之间的第二姿态变换矩阵；

根据所述捷联惯导系统处理器得到的第一姿态变换矩阵进行加权平均，得到第三姿态变换矩阵：

其中，是最终的掘进机坐标系到导航坐标系的第三姿态变换矩阵，是由捷联惯导系统得到的掘进机坐标系到导航坐标系的第一姿态变换矩阵，是由雷达点云数据得到的掘进机坐标系到导航坐标系的第二姿态变换矩阵，k₁是第一姿态变换矩阵的权重，k₂是第二姿态变换矩阵的权重；

将得到的点云几何特征与第三姿态变换矩阵相乘，实现巷道地图的三维重建，进而得到掘进机在导航坐标系下的历史路径，结合预设的路径信息，便可得到当前时刻的偏差量和修正量。

9.如权利要求6所述的巷道掘进机的导航定位方法，其特征在于，定位装置还包括防尘罩及伺服控制电机，防尘罩安装在底板上，伺服控制电机能够响应掘进机总处理器的控制信号，控制防尘罩打开或闭合，本方法还包括：当掘进机姿态调整过后，开始破岩挖掘时，激光扫描雷达停止工作，防尘罩关闭，避免了掘进机工作时扬起的灰尘、水雾对激光雷达造成影响，但是此刻捷联惯导系统仍然处于工作状态；

当掘进机需要再次移动时，防尘罩打开，执行步骤1-4中的方法，从而实现掘进机完全自主的连续导航定位。

10.如权利要求6所述的巷道掘进机的导航定位方法，其特征在于，巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统还包括参考标记智能小车，参考标记智能小车跟随在掘进机之后，在掘进机移动以及三维激光扫描雷达开始测量的时候，参考标记智能小车不能移动，当掘进机与参考标记智能小车的距离超出激光扫描雷达的测量范围时，总处理器控制参考标记智能小车向前移动，此时掘进机不能移动，当参考标记智能小车到达预定地点，并由三维激光扫描雷达重新确定位置后，掘进机可再次移动挖掘，参考标记智能小车具有能够被三维激光扫描雷达识别的形状特征，将参考标记智能小车放置在巷道内，作为巷道固有特征的一部分，以提高巷道点云配准的效率和精度，进而提高掘进机导航的精度，在本方法中：

激光雷达处理器将三维激光扫描雷达得到的巷道、巷道内的参考标记智能小车的点云信息和标记板点云信息进行滤波比较，用标记板的点云信息实时修正三维激光扫描雷达对巷道场景和参考标记智能小车的测量误差，并提取包括参考标记智能小车在内的巷道场景点云的几何特征。