CN108398955B - 一种掘进机姿态控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种掘进机姿态控制系统及方法。该系统包括：激光导向仪、测距仪、基准仪器、下位机、电子激光靶、惯性导航装置、姿态控制器和上位机；激光导向仪、测距仪和下位机位于掘进机的后方位置；电子激光靶、惯性导航装置、姿态控制器和上位机位于掘进机上；激光导向仪用于发射水平基准激光束；测距仪的输出端与下位机连接；基准仪器的输出端与下位机的连接；下位机与上位机通讯；电子激光靶的输出端与姿态控制器连接；惯性导航装置的输出端与姿态控制器连接；上位机连接姿态控制器；姿态控制器根据接收的数据获得掘进机的当前位置和姿态信息，以便工作人员对掘进机进行操作。本发明的系统或方法，提高了掘进机的工作效率和工作人员的安全性。

Description

一种掘进机姿态控制系统及方法

技术领域

本发明涉及掘进机领域，特别是涉及一种掘进机姿态控制系统及方法。

背景技术

掘进机一般分为全断面掘进机和部分断面掘进机(悬臂式掘进机)两种。在掘进机应用过程中，大多数的掘进机在定位校准、行进、截割操作等过程都需要人为操作，对人员操作能力要求高，不仅效率低下，且现场操作环境恶劣，安全风险较高。如果能实现掘进机运行过程的自动化，则能大幅度提高工作效率，改善人员操作环境。本发明主要针对国内煤矿井下巷道掘进应用中的悬臂式掘进机设计的掘进机姿态控制系统及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种掘进机姿态控制系统及方法，以提高传统掘进机的工作效率，提高工作人员的安全性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种掘进机姿态控制系统，所述系统包括：激光导向仪、测距仪、基准仪器、下位机、电子激光靶、惯性导航装置、姿态控制器和上位机；

所述激光导向仪、所述测距仪、所述基准仪器和所述下位机位于掘进机的后方位置；所述电子激光靶、所述惯性导航装置、所述姿态控制器和所述上位机位于所述掘进机上；

所述激光导向仪用于发射水平基准激光束；所述测距仪用于测量所述测距仪与所述电子激光靶之间的距离，所述测距仪的输出端与下位机的第一输入端连接；所述基准仪器用于确定掘进机的基准位置坐标，所述基准仪器的输出端与所述下位机的第二输入端连接；

所述下位机与所述上位机通讯，用于将接收的所述测距仪传输的距离信号和所述基准仪器传输的基准位置信号传输至所述上位机；

所述电子激光靶与所述激光导向仪相对设置；所述电子激光靶的输出端与所述姿态控制器的第一输入端连接；所述惯性导航装置与所述激光导向仪相对设置；所述惯性导航装置的输出端与所述姿态控制器的第二输入端连接；所述上位机连接所述姿态控制器的第三输入端，用于将接收的距离信号和基准位置信号传输至所述姿态控制器；

所述姿态控制器用于根据接收的数据获得所述掘进机的当前位置和姿态信息，以便工作人员对所述掘进机进行操作。

可选的，所述系统还包括：位移传感器；所述位移传感器固定于所述掘进机的液压传动部位，用于测量所述掘进机的悬臂的位移量；所述位移传感器的输出端与所述姿态控制器的第四输入端连接。

可选的，所述系统还包括：操作面板，所述操作面板位于所述掘进机上，所述操作面板的信号输出端连接所述姿态控制器的第五输入端。

可选的，所述系统还包括：显示屏，所述显示屏与所述姿态控制器的输出端连接，用于显示所述掘进机的当前位置和姿态信息。

可选的，所述下位机与所述上位机之间通过无线通讯方式通讯。

可选的，所述电子激光靶用于获取激光的入射角和所述掘进机的仰俯角。

可选的，所述惯性导航装置用于获取激光的惯性数据，所述惯性数据包括旋转的角速度。

本发明还提供一种掘进机姿态控制方法，所述方法应用于上述的系统，所述方法包括：

获取掘进机的基准位置的坐标；

获取所述掘进机与基准位置之间的距离；

获取激光的入射角和所述掘进机的仰俯角；

获取激光的惯性数据；

根据所述基准位置的坐标、所述掘进机与基准位置之间的距离、所述激光的入射角、所述掘进机的仰俯角和所述激光的惯性数据，通过导航算法获得所述掘进机的当前位置和姿态信息。

可选的，所述通过导航算法获得所述掘进机的当前位置和姿态信息之后，还包括：

获取所述掘进机的当前位置与所述基准位置之间的位移；

根据所述位移对所述掘进机的基准位置进行更新，更新后的基准位置坐标为所述掘进机的当前位置的坐标。

可选的，所述通过导航算法获得所述掘进机的当前位置和姿态信息之后，还包括：

获取所述掘进机的操作数据，所述操作数据为工作人员操作所述掘进机的操作面板时产生的操作数据；

将所述操作数据与所述掘进机的当前位置的数据叠加，获得所述掘进机更新后的当前位置信息。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

采用惯性导航装置和电子激光靶的组合实现连续性导航和阶段性标定；采用连续导航、实时导航的方式减少掘进机工作中的位置标定操作；可实现掘进机的远程姿态监控，为掘进机自动驾驶操作奠定基础。采用本发明的系统或方法可以实时监控掘进机的姿态，工作人员根据掘进机的姿态进行实时的操作，提高掘进机的工作效率，提高了工作人员的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明掘进机姿态控制系统的结构示意图；

图2为本发明掘进机姿态控制系统的连接示意图；

图3为本发明掘进机姿态控制系统中姿态控制器的结构示意图；

图4为本发明掘进机姿态控制方法的流程示意图；

图5为本发明掘进机姿态控制方法的操作示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明掘进机姿态控制系统的结构示意图。如图1所示，所述系统包括：激光导向仪1、测距仪2、基准仪器(图中未标示)、下位机3、电子激光靶4、惯性导航装置5、上位机6和姿态控制器7；

所述激光导向仪1、所述测距仪2、所述基准仪器和所述下位机3位于掘进机的后方位置；所述电子激光靶4、所述惯性导航装置5、所述上位机6和所述姿态控制器7位于掘进机上；

所述激光导向仪1用于发射水平基准激光束；激光导向仪1是以激光束作为准直线，控制施工机械前进方向的仪器。在此，激光导向仪1主要用于向掘进机发送出水平基准激光束，激光束所在基准线一般可以是煤巷道中心基准线，也可依据掘进机电子激光靶的中心水平面与工作断面中心垂面的交接线作为基准线。

所述测距仪2用于测量测距仪2与所述电子激光靶4之间的距离，所述测距仪2的输出端与下位机3的第一输入端连接。通常测距仪2为激光测距仪，由于基准仪器通常与测距仪位于相同位置，因此，测距仪2用于测量基准点与掘进机基准平台之间的间距。激光测距仪的测量原理有很多，精密短距离测量多数采用三角法；较近距离的测量可采用相位法；中远距离的测量多数采用脉冲法。

所述基准仪器用于确定掘进机的基准位置坐标，基准仪器的位置根据实际需求设定即可，不局限于设置于某个具体位置，所述基准仪器的输出端与所述下位机3的第二输入端连接。基准仪器可以采用经纬仪、全站仪或指北仪。

所述下位机3与所述上位机6通讯，用于将接收的所述测距仪2传输的距离信号和所述基准仪器传输的基准位置信号传输至所述上位机6；基准仪器(经纬仪、全站仪或指北仪)产生的位置基准信号发送给下位机3；测距仪2测量获得的测距仪与电子激光靶4之间的距离信号也发送给下位机3；下位机3整合位置基准信号和距离信息，通过无线通讯方式将整合信息发送给上位机6。

所述电子激光靶4与所述激光导向仪1相对设置；所述电子激光靶4的输出端与所述姿态控制器7的第一输入端连接。电子激光靶4也称光靶板，是一台智能型传感器。电子激光靶4能接收激光导向仪1发来的激光束，测定激光水平和垂直方向的入射点，并计算出入射角。另外，电子激光靶4内部是有倾角传感器的，能测量电子激光靶4相对水平面的坡度。由于电子激光靶4与掘进机位置相对固定，因此可以换算出掘进机的坡度以及与入射激光间的水平倾角，也就是掘进机的俯仰角和艏摇角。

所述惯性导航装置5与所述激光导向仪1相对设置；所述惯性导航装置5的输出端与所述姿态控制器7的第二输入端连接。惯性导航装置5将测量元件直接捆绑在载体上，测量元件角速率陀螺仪和加速度计沿着机体三轴方向安装。这样测量元件测量到的坐标系物理量均为载体坐标系的物理量。惯性导航装置5的输出经导航坐标系解算，可算出载体的姿态矩阵，在从姿态矩阵中可以提取到载体的位置信息、姿态信息。例如，本发明中的惯性导航装置5可以采用光纤陀螺仪。

所述上位机6连接所述姿态控制器7的第三输入端，用于将接收的距离信号和基准位置信号传输至所述姿态控制器7。上位机6将接收的下位机3传输的整合信息转发给姿态控制器7。

所述姿态控制器7用于根据接收的数据获得掘进机的当前位置和姿态信息，以便工作人员对所述掘进机进行操作。姿态控制器7是整个掘进机姿态控制系统的核心。姿态控制器7完成各种信号的收集，通过算法计算掘进机和截割头的位置和姿态信息，并与控制驱动形成闭环控制，从而最终实现掘进机的自动驾驶与截割头动作自动控制。

由于基准站距离掘进机较远，且掘进机是移动工作的，因此在基准站和掘进机之间无法通过电缆进行连接。但由于实时解算时，基准站的位置数据对掘进机导航算法来说是比较重要的，因此本方案采用无线通讯方式在基准站和掘进机之间建立数据连接。要求激光导向仪1和激光测距仪2产品增加无线功能显然是不现实的，故专门为本系统设计了一款无线通讯仪，实现无线数据连接。无线通讯仪分为上位机6和下位机3。下位机3与基准站设备相连，负责从基准站设备获取数据，编码后通过无线模块发送；上位机6与姿态控制器7相连，负责接收下位机3发送来的数据，上传给姿态控制器7。

此外，所述系统还包括：位移传感器8；所述位移传感器8固定于所述掘进机的液压传动部位，用于测量所述掘进机的悬臂的位移量；所述位移传感器8的输出端与所述姿态控制器7的第四输入端连接。掘进机的截割臂在垂直面内的摆动主要由一对对称的同时升降油缸来实现；一对对称升降油缸分别与掘进机的机架和截割臂连接，在机器中心线对称布局；当升降油缸的行程改变时，截割臂将会绕其和机架铰接的点在垂直面内摆动；当升降油缸活塞杆伸长时，截割臂往巷道上方摆动，当升降油缸活塞杆缩短时，截割臂往巷道下方摆动。截割臂水平摆动依靠水平工作台的扭转来实现。机架整体安装在水平扭转转台上，转台由对称布局的水平回转油缸推动，活塞杆与转台链接、缸筒与机架链接；工作时，一侧活塞杆伸长，另一侧活塞杆相应的缩短，通过活塞杆一个伸长一个缩短来推动转台，从而带动截割臂绕水平中心左右摆动，实现截割臂的水平摆动。因此，将位移传感器8固定于掘进机的液压传动部位，实时测量悬臂的伸出和缩回的位移量。

所述系统还包括：操作面板(图中未标示)，所述操作面板位于所述掘进机上，所述操作面板的信号输出端连接所述姿态控制器的第五输入端。所述系统还包括：显示屏(图中未标示)，所述显示屏与所述姿态控制器的输出端连接，用于显示所述掘进机的当前位置和姿态信息。

图2为本发明掘进机姿态控制系统的连接示意图。如图所示，电子激光靶、光纤陀螺仪、显示屏、无线通讯仪上位机与姿态控制器相连；激光导向仪、基准仪器(经纬仪、全站仪或指北仪)、测距仪与无线通讯仪下位机相连；无线通讯仪上位机、无线通讯仪下位机之间通过无线通讯连接。

信号传输过程：基准仪器(经纬仪、全站仪或指北仪)产生的位置基准信号发送给无线通讯仪下位机；测距仪测量获得的测距仪与电子激光靶之间的距离信号也发送给无线通讯仪下位机；无线通讯仪下位机整合位置基准信号和距离信息，通过无线通讯方式将整合信息发送给无线通讯上位机，再由无线通讯上位机转发给姿态控制器；电子激光靶接收激光导向仪激光束，计算出入射角和俯仰角信息，将信息发送给姿态控制器；光纤陀螺仪把测量到的惯性数据发送给姿态控制器；姿态控制器收到全部信号，通过导航算法计算出实时姿态信息，并通过显示屏显示车辆位置姿态。

图3为本发明掘进机姿态控制系统中姿态控制器的结构示意图。如图3所示，姿态控制器有4个模块组成，姿态解算、位置标定、导航修正与作动控制。

位置标定模块用于接收标定过程时无线通讯仪传送来的位置基准信息和距离信息，以及电子激光靶测量到的入射角和倾角值，计算获取车辆当前基准位置，并转给姿态解算模块。

导航修正模块用于接收操作面板发送来的修正量数值，计算导航位置修正信息，转发给姿态解算模块。

姿态解算模块实时接收光纤陀螺仪送来的角速度等测量值，并实时计算车辆当前位置姿态信息；在位置标定模块送来基准位置信息时，姿态解算模块会计算当前位置姿态信息和基准位置信息之间的偏差，然后对当前位置姿态信息进行标定，使当前位置姿态信息与基准位置信息一致；在导航修正模块送来导航信息的修正信息时，姿态解算模块会将当前位置姿态信息与修正量叠加，重新计算当前位置信息。

作动控制模块在接收到操作面板发送来的操作指令后，计算相应的作动控制指令，并发送给执行机构，执行相应的动作。

图4为本发明掘进机姿态控制方法的流程示意图。如图4所示，所述方法包括：

步骤100：获取掘进机的基准位置的坐标。通过基准仪器直接获得掘进机的基准位置的坐标。

步骤200：获取所述掘进机与基准位置之间的距离；此步骤通过测距仪可以获得掘进机与基准位置之间的距离。

步骤300：获取激光的入射角和所述掘进机的仰俯角；此步骤通过电子激光靶获得相应数据。

步骤400：获取激光的惯性数据；此步骤通过惯性导航装置可以获得相应数据。

步骤500：通过导航算法获得所述掘进机的当前位置和姿态信息。根据所述基准位置的坐标、所述掘进机与基准位置之间的距离、所述激光的入射角、所述掘进机的仰俯角和所述激光的惯性数据，通过导航算法获得所述掘进机的当前位置和姿态信息。

当掘进机工作一段时间之后，需要对基准位置进行更新，通过获取所述掘进机的当前位置与所述基准位置之间的位移；根据所述位移对所述掘进机的基准位置进行更新，更新后的基准位置坐标为所述掘进机的当前位置的坐标。

之后，根据掘进机的实时工作，获取所述掘进机的操作数据，所述操作数据为工作人员操作所述掘进机的操作面板时产生的操作数据；将所述操作数据与所述掘进机的当前位置的数据叠加，获得所述掘进机更新后的当前位置信息。以实现掘进机当前位置的实时更新。

图5为本发明掘进机姿态控制方法的操作示意图。如图5所示，激光导向仪(经纬仪、全站仪或指北仪)在经过测量定位后，发出标示巷道中心基准线的激光束；掘进机通过移动，使基准激光束射入电子激光靶中心附近；姿态控制器记录此刻的激光水平入射角、掘进机俯仰角、光纤导航装置初始状态值、掘进机与激光导向仪间距、液压传动部位位移传感器初始位置等初始信息，启动姿态控制算法软件。在工作过程中，姿态控制器不断采集光纤导航装置输出值数据，依据算法计算车辆当前车体位置及姿态，并将姿态实时显示在显示屏上，操作人员可以依据画面显示的位置及姿态信息，操作车辆执行行进、截割等动作。车位行进控制包括前进、后退、左转、右转、加减速等；截割控制包括：转速、左、右、上、下、铲煤、除尘等操作。

应用姿态测量系统后的连续掘进流程(例如采煤过程)中省略掉多次的人工定位测量步骤，将工作流程变为定位测量→规划掘进路径→掘进机初始位置校准→开始掘进→更换断面→更换巷道→开始掘进→更换断面→更换巷道……，期间已执行掘进操作的巷道可以进行支护等工序。这一过程可持续数十米的开采或数天的时间，才需要进行下一轮掘进路径规划及采煤机初始位置校准工作。期间，导向激光不必全程开启，只在位置校准时开启即可。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种掘进机姿态控制系统，其特征在于，所述系统包括：激光导向仪、测距仪、基准仪器、下位机、电子激光靶、惯性导航装置、姿态控制器和上位机；

所述激光导向仪、所述测距仪、所述基准仪器和所述下位机位于掘进机的后方位置；所述电子激光靶、所述惯性导航装置、所述姿态控制器和所述上位机位于所述掘进机上；

所述激光导向仪用于发射水平基准激光束；所述测距仪用于测量所述测距仪与所述电子激光靶之间的距离，所述测距仪的输出端与下位机的第一输入端连接；所述基准仪器用于确定掘进机的基准位置坐标，所述基准仪器的输出端与所述下位机的第二输入端连接；所述基准仪器与所述测距仪位于相同位置，所述测距仪用于测量基准点与掘进机基准平台之间的间距；

所述下位机与所述上位机通讯，用于将接收的所述测距仪传输的距离信号和所述基准仪器传输的基准位置信号传输至所述上位机；

所述电子激光靶与所述激光导向仪相对设置；所述电子激光靶的输出端与所述姿态控制器的第一输入端连接；所述惯性导航装置与所述激光导向仪相对设置；所述惯性导航装置的输出端与所述姿态控制器的第二输入端连接；所述上位机连接所述姿态控制器的第三输入端，用于将接收的距离信号和基准位置信号传输至所述姿态控制器；

所述姿态控制器用于根据接收的数据获得所述掘进机的当前位置和姿态信息，以便工作人员对所述掘进机进行操作。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：位移传感器；所述位移传感器固定于所述掘进机的液压传动部位，用于测量所述掘进机的悬臂的位移量；所述位移传感器的输出端与所述姿态控制器的第四输入端连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：操作面板，所述操作面板位于所述掘进机上，所述操作面板的信号输出端连接所述姿态控制器的第五输入端。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：显示屏，所述显示屏与所述姿态控制器的输出端连接，用于显示所述掘进机的当前位置和姿态信息。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述下位机与所述上位机之间通过无线通讯方式通讯。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子激光靶用于获取激光的入射角和所述掘进机的仰俯角。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述惯性导航装置用于获取激光的惯性数据，所述惯性数据包括旋转的角速度。

8.一种掘进机姿态控制方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-5所述的系统，所述方法包括：

获取掘进机的基准位置的坐标；

获取所述掘进机与基准位置之间的距离；

获取激光的入射角和所述掘进机的仰俯角；

获取激光的惯性数据；

根据所述基准位置的坐标、所述掘进机与基准位置之间的距离、所述激光的入射角、所述掘进机的仰俯角和所述激光的惯性数据，通过导航算法获得所述掘进机的当前位置和姿态信息。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过导航算法获得所述掘进机的当前位置和姿态信息之后，还包括：

获取所述掘进机的当前位置与所述基准位置之间的位移；

根据所述位移对所述掘进机的基准位置进行更新，更新后的基准位置坐标为所述掘进机的当前位置的坐标。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过导航算法获得所述掘进机的当前位置和姿态信息之后，还包括：

获取所述掘进机的操作数据，所述操作数据为工作人员操作所述掘进机的操作面板时产生的操作数据；

将所述操作数据与所述掘进机的当前位置的数据叠加，获得所述掘进机更新后的当前位置信息。

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