CN109296370B - 一种自动测绘定位的掘进方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动测绘定位的掘进方法及系统，包括：将设计系统给出的井巷模型离散为底板中轴多段线和井巷断面轮廓多边形；以掘进机的右侧指向为X轴、以掘进机的机头方向指向为Y轴、以与XOY面垂直且总体指向上为Z轴设置掘进机的机身坐标系；按照所述机身坐标系的坐标轴增量标定激光靶球位置到掘进机回转中心的相对位置坐标增量；利用定位机器人和指北仪定位掘进机激光靶球的位置坐标；根据所述激光靶球的位置坐标和激光靶球位置在机身坐标系中的相对位置坐标增量计算掘进机悬臂的运动基点坐标；根据底板中轴多段线、井巷断面轮廓多边形和掘进机悬臂的运动基点坐标控制掘进机对径向断面进行截割。本发明能够精确定位掘进机，操作无人化。

Description

一种自动测绘定位的掘进方法及系统

技术领域

本发明属于井巷自动掘进技术领域，具体涉及一种自动测绘定位的掘进方法及系统。

背景技术

无论是采矿工程的井巷掘进、道路工程的隧道掘进，还是水利工程的涵洞掘进都属于艰巨的施工项目，另外，受复杂地质条件和地质灾害的影响，伤亡事故时有发生，仅仅依靠人工作业，不仅劳动强度大、施工效率低，而且人身安全和人身健康难以保障。因此，出现了各式各样的辅助掘进施工机械，如掘进机、连采机、盾构机、凿岩机等，有些机械已经改造为能够实现远程控制的智能装备。

目前，矿山使用最多的就是智能型悬臂式巷道掘进机，这种掘进机虽然可以实现自动控制，由于没有实现地下空间的自动测量、施工设备的精确定位和开凿空间的实时建模与可视化，至今，无法实现地下掘进工程的完全自动化无人化，严重影响了智能掘进工程的技术进步。虽然公开号为CN101169038A、名称为全自动掘进机的发明专利给出了一种利用地测数据及航天导航定位仪进行截割头的定位方法，由于地下没有卫星信号，航天导航定位仪不能直接使用，到目前为止，地下空间，特别是井巷空间的定位基点还是靠人工用导线联系测量获取，因此，该专利并没有解决在绝对地理空间中的井巷自动测量和设备自动定位问题，更无法实现掘进工作面的自动建模与可视化，无法真正的掘进智能化和无人化。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种自动测绘定位的掘进方法及系统，以解决上述技术问题。

第一方面，本申请实施例提供一种自动测绘定位的掘进方法，所述方法包括：

将设计系统给出的井巷模型离散为底板中轴多段线和井巷断面轮廓多边形；

以掘进机的右侧指向为X轴、以掘进机的机头方向指向为Y轴、以与XOY 面垂直且总体指向上为Z轴设置掘进机的机身坐标系；

按照所述机身坐标系的坐标轴增量标定激光靶球位置到掘进机回转中心的相对位置坐标增量；

利用定位机器人和指北仪定位掘进机激光靶球的位置坐标；

根据所述激光靶球的位置坐标和激光靶球位置在机身坐标系中的相对位置坐标增量计算掘进机悬臂的运动基点坐标；

根据底板中轴多段线、井巷断面轮廓多边形和掘进机悬臂的运动基点坐标控制掘进机对径向断面进行截割。

结合第一方面，在第一方面的第一种实施方式中，所述按照机身坐标系的坐标轴增量标定激光靶球位置到掘进机回转中心的相对位置坐标增量包括：

Δ_x＝-L_w,Δ_y＝L_j,Δ_z＝-D_h-J_h，设定在三个坐标轴上的增量分别为Δx、Δy和Δz；其中，定位靶球的高度为D_h，其底部A点沿掘进机机身坐标的Y轴到回转盘中心的距离为L_j，沿掘进机机身的X轴到回转盘中心的距离为L_w，回转盘中心到悬臂运动基点的高程为J_h。

结合第一方面和第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第二种实施方式中，所述利用指北仪获取所述掘进机姿态包括：

获取定位机器人的测量基点坐标为(x_j，y_j，z_j)；

根据指北仪测得的视北方向α_s和人工预先磁偏见θ_c计算真北方向α_N＝α_s+θ_c；

利用全站仪或激光雷达照准掘进机上的激光靶球，并参考真北方向得到基点(x_j，y_j，z_j)到激光靶球的方位角α_f以及倾角α_q和斜距L；

根据所述基点(x_j，y_j，z_j)和方位角α_f以及倾角α_q和斜距L计算出掘进机上激光靶球的位置(x_b，y_b，z_b)：

x_b＝x_j+L×cos(α_q)×sin(α_f)

y_b＝y_j+L×cos(α_q)×cos(α_f)

z_b＝z_j+L×sin(α_q)。

结合第一方面及第一方面的第一种、第二种实施方式，在第一方面的第三种实施方式中，所述根据激光靶球的位置坐标和激光靶球位置在机身坐标系中的相对位置坐标增量计算掘进机悬臂的运动基点坐标包括：

用指北仪获取掘进机的方位角f_j、俯仰角q_v和横滚角q_h；

根据方位角f_j、俯仰角q_v和横滚角q_h计算掘进机机身坐标系的三个坐标轴为 J_x，J_y和J_z；

根据坐标轴和激光靶球坐标增量计算悬臂运动基点的坐标，计算公式为 P_e＝(x_e,y_e,z_e)＝Δ_x×J_x+Δ_y×J_y+Δ_z×J_z。

结合第一方面，在第一方面的第四种实施方式中，所述方法还包括：

利用掘进机的截割悬臂升降油缸传感器监测得到截割悬臂倾角，利用回转台回转油缸传感器监测得到截割臂水平摆角，利用伸缩油缸传感器监测得到悬臂长度；

根据截割悬臂倾角、截割臂水平摆角和悬臂长度计算截割头的绝对位置；

根据所述截割头的绝对位置计算实施截割断面；

利用定位机器人扫描井巷获取井巷三维图像；

根据所述实施截割断面和所述井巷三维图像创建实施截割模型并将所述实施截割模型发送至远程控制端；

对比所述实施截割模型与原始井巷模式，在所述实施截割模型与原始井巷模型不一致时发出错误警报。

结合第一方面，在第一方面的第五种实施方式中，所述方法还包括：

控制掘进机保持静止状态；

通过定位机器人对定位激光靶球的照准测量，就可由激光靶球坐标和定位机器人基点到激光靶球的方位角α_f以及倾角α_q和斜距L反算出定位机器人的基点坐标；

根据所述定位机器人的基点坐标移动所述定位机器人。

结合第一方面及第一方面的第五种实施方式，在第一方面的第六种实施方式中，所述方法还包括：

设置两个连线平行于机身坐标系X轴的激光靶球，两个激光靶球分别为定位靶球和平差靶球；

根据定位靶球坐标反算定位机器人的第一基点坐标；

根据平差靶球坐标反算定位机器人的第二基点坐标；

计算所述第一基点坐标和所述第二基点坐标的平均值并将所述平均值作为定位机器人的基点坐标。

结合第一方面及第一方面的第六种实施方式，在第一方面的第七种实施方式中，所述方法还包括：

获取定位靶球坐标；

获取平差靶球坐标；

根据所述定位靶球坐标和所述平差靶球坐标校正掘进机姿态。

结合第一方面，在第一方面的第八种实施方式中，所述根据底板中轴多段线、井巷断面轮廓多边形和掘进机悬臂的运动基点坐标控制掘进机对径向断面进行截割包括：

根据掘进机悬臂的运动基点坐标和传感器监测的截割悬臂倾角、截割臂水平摆角和悬臂长度计算截割头位置坐标；

根据所述截割头位置坐标和设计的井巷中轴多段线，按照下一时段巷道断面轮廓多边形计算下个截割步距的断面法向量和轮廓绝对坐标；

根据所述断面法向量和轮廓绝对坐标生成截割命令并将所述截割命令发送至掘进机控制器；

掘进机控制器控制掘进机执行所述截割命令。

第二方面，本申请实施例提供一种自动测绘定位的掘进系统，所述系统包括：

设置在掘进机机身上的测量控制模块、定位机器人、前置工控机和远程控制端，所述定位机器人设置在所述掘进机机身后方；所述测量控制模块和定位机器人均与所述前置工控机建立通信连接；所述前置工控机与远程控制端建立通信连接；

所述测量控制模块包括：安装于掘进机机身的机身姿态监测陀螺仪，所述监测陀螺仪的安装姿态与预先设置的掘进机的机身坐标系一致；安装于掘进机尾部的激光靶球，所述激光靶球包括定位靶球和平差靶球且定位靶球和平差靶球的连线与预设的机身坐标系X轴平行；所述测量控制模块还包括截割悬臂倾角传感器、截割臂水平摆角传感器和截割头伸缩行程传感器和掘进机控制器；

所述测量定位机器人设有跟踪导航模块和行走模块，所述跟踪导航模块通过发射激光定位掘进机上的激光靶球，所述测量定位机器人的跟踪导航模块设有指北仪、倾角传感器和三维扫描单元。

本发明的有益效果在于，

本发明提供的自动测绘定位的掘进方法及系统，通过创建掘进机机身坐标系进而计算激光靶球在机身坐标系中相对于掘进机回转中心的坐标增量，再利用定位机器人和指北仪定位掘进机激光靶球的位置坐标，根据激光靶球的坐标增量和位置坐标得到掘进机的悬臂的运动基点坐标，实现对掘进机的精确定位，相对于现有掘进机定位技术，本发明考虑了掘进机的姿态对悬臂运动基点坐标的影响，因此本发明的定位更为精确，且定位机器人的引入相对于现有的定位激光装置，更加灵活定位更为精确，且无需人工搬动，进一步实现了无人化掘进。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例的井巷轮廓动态建模示意图；

图2是本申请一个实施例的系统的示意性结构图；

其中，101、井巷的底板中轴离散为多段线

102、井巷断面轮廓多边形

103、断面截割路径多段线

104和105均为已完成了三维激光扫描和更新模型的断面轮廓；106、已掘并完成了三维激光扫描，但尚未更新模型的断面轮廓；107、完成了掘进和刷帮，但未完成三维激光扫描的断面轮廓；108正在进行掘进的巷道断面；201、截割头；202、截割臂升降油缸；203、截割头伸缩油缸；204、回转台回转油缸；205、回转台；206、控制箱；207、定位靶球；208、平差靶球；209、掘进机机身指北仪；210、测量机器人垂直旋转轴；211、测量机器人监测箱；212、测量机器人水平旋转轴；213、测量机器人机体；214、测量机器人机身旋转机构；215、测量机器人行走机构； 216、悬臂运动基点；217、掘进机机身坐标系；218、悬臂。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。

下面对本申请中出现的关键术语进行解释。

如图1所示，本申请提供的自动测绘定位的掘进方法100包括：

步骤110，将设计系统给出的井巷模型离散为底板中轴多段线和井巷断面轮廓多边形；

步骤120，以掘进机的右侧指向为X轴、以掘进机的机头方向指向为Y轴、以与XOY面垂直且总体指向上为Z轴设置掘进机的机身坐标系；

步骤130，按照所述机身坐标系的坐标轴增量标定激光靶球位置到掘进机回转中心的相对位置坐标增量；

步骤140，利用定位机器人和指北仪定位掘进机激光靶球的位置坐标；

步骤150，根据所述激光靶球的位置坐标和激光靶球位置在机身坐标系中的相对位置坐标增量计算掘进机悬臂的运动基点坐标；

步骤160，根据底板中轴多段线、井巷断面轮廓多边形和掘进机悬臂的运动基点坐标控制掘进机对径向断面进行截割。

为了便于对本发明的理解，下面以本发明自动测绘定位的掘进方法的原理，结合实施例中进行自动测量定位的过程，对本发明提供的自动测绘定位的掘进方法做进一步的描述。

可选地，作为本申请一个实施例，所述按照机身坐标系的坐标轴增量标定激光靶球位置到掘进机回转中心的相对位置坐标增量包括：

Δ_x＝-L_w,Δ_y＝L_j,Δ_z＝-D_h-J_h，设定在三个坐标轴上的增量分别为Δx、Δy和Δz；其中，定位靶球的高度为D_h，其底部A点沿掘进机机身坐标的Y轴到回转盘中心的距离为L_j，沿掘进机机身的X轴到回转盘中心的距离为L_w，回转盘中心到悬臂运动基点的高程为J_h。

可选地，作为本申请一个实施例，所述利用指北仪获取所述掘进机姿态包括：

获取定位机器人的测量基点坐标为(x_j，y_j，z_j)；

根据指北仪测得的视北方向α_s和人工预先磁偏见θ_c计算真北方向α_N＝α_s+θ_c；

利用全站仪或激光雷达照准掘进机上的激光靶球，并参考真北方向得到基点(x_j，y_j，z_j)到激光靶球的方位角α_f以及倾角α_q和斜距L；

根据所述基点(x_j，y_j，z_j)和方位角α_f以及倾角α_q和斜距L计算出掘进机上激光靶球的位置(x_b，y_b，z_b)：

x_b＝x_j+L×cos(α_q)×sin(α_f)

y_b＝y_j+L×cos(α_q)×cos(α_f)

z_b＝z_j+L×sin(α_q)。

可选地，作为本申请一个实施例，所述根据激光靶球的位置坐标和激光靶球位置在机身坐标系中的相对位置坐标增量计算掘进机悬臂的运动基点坐标包括：

用指北仪获取掘进机的方位角f_j、俯仰角q_v和横滚角q_h；

根据方位角f_j、俯仰角q_v和横滚角q_h计算掘进机机身坐标系的三个坐标轴为 J_x，J_y和J_z；

根据坐标轴和激光靶球坐标增量计算悬臂运动基点的坐标，计算公式为 P_e＝(x_e,y_e,z_e)＝Δ_x×J_x+Δ_y×J_y+Δ_z×J_z。

可选地，作为本申请的一个实施例，所述方法还包括：

利用掘进机的截割悬臂升降油缸传感器监测得到截割悬臂倾角，利用回转台回转油缸传感器监测得到截割臂水平摆角，利用伸缩油缸传感器监测得到悬臂长度；

根据截割悬臂倾角、截割臂水平摆角和悬臂长度计算截割头的绝对位置；

根据所述截割头的绝对位置计算实施截割断面；

利用定位机器人扫描井巷获取井巷三维图像；

根据所述实施截割断面和所述井巷三维图像创建实施截割模型并将所述实施截割模型发送至远程控制端；

对比所述实施截割模型与原始井巷模式，在所述实施截割模型与原始井巷模型不一致时发出错误警报。

可选地，作为本申请的一个实施例，所述方法还包括：

控制掘进机保持静止状态；

通过定位机器人对定位激光靶球的照准测量，就可由激光靶球坐标和定位机器人基点到激光靶球的方位角α_f以及倾角α_q和斜距L反算出定位机器人的基点坐标；

根据所述定位机器人的基点坐标移动所述定位机器人。

可选地，作为本申请的一个实施例，所述方法还包括：

设置两个连线平行于机身坐标系X轴的激光靶球，两个激光靶球分别为定位靶球和平差靶球；

根据定位靶球坐标反算定位机器人的第一基点坐标；

根据平差靶球坐标反算定位机器人的第二基点坐标；

计算所述第一基点坐标和所述第二基点坐标的平均值并将所述平均值作为定位机器人的基点坐标。

可选地，作为本申请的一个实施例，所述方法还包括：

获取定位靶球坐标；

获取平差靶球坐标；

根据所述定位靶球坐标和所述平差靶球坐标校正掘进机姿态。

可选地，作为本申请的一个实施例，所述根据底板中轴多段线、井巷断面轮廓多边形和掘进机悬臂的运动基点坐标控制掘进机对径向断面进行截割包括：

根据掘进机悬臂的运动基点坐标和传感器监测的截割悬臂倾角、截割臂水平摆角和悬臂长度计算截割头位置坐标；

根据所述截割头位置坐标和设计的井巷中轴多段线，按照下一时段巷道断面轮廓多边形计算下个截割步距的断面法向量和轮廓绝对坐标；

根据所述断面法向量和轮廓绝对坐标生成截割命令并将所述截割命令发送至掘进机控制器；

掘进机控制器控制掘进机执行所述截割命令。

具体的，所述自动测绘定位的掘进方法包括：

S1、将设计系统给出的井巷模型离散为底板中轴多段线和井巷断面轮廓多边形。

把设计系统给出井巷的底板中轴离散为多段线

井巷断面轮廓多边形

和预设的断面截割路径多段线

并存入前置工控机和远程控制系统。

S2、以掘进机的右侧指向为X轴、以掘进机的机头方向指向为Y轴、以与 XOY面垂直且总体指向上为Z轴设置掘进机的机身坐标系。

设定掘进机的机身坐标系的X轴指向掘进机的右侧,Y轴指向掘进机的机头方向、Z轴总体指向上且与XOY面垂直，在掘进机的适当位置安装机身姿态监测陀螺仪，陀螺仪的安装姿态与掘进机的机身坐标系一致，用于监测掘进机的方位角、俯仰角和横滚角返回掘进机的姿态。

S3、按照所述机身坐标系的坐标轴增量标定激光靶球位置到掘进机回转中心的相对位置坐标增量。

在掘进机尾部相对掘进机回转台固定的位置安装激光靶球，还可安装一个平差靶球，并设定定位靶球和平差靶球的连线并行于机身的X坐标轴，定位激光靶球供测量定位机器人跟踪和定位掘进机使用,安装好定位激光靶球后，按照掘进机机身坐标系的各坐标轴的增量标定出定位激光靶球位置到掘进机回转盘中心的相对位置坐标增量,即通过测量计算得到Δx，Δy和Δz，以便由激光靶球的位置和机身坐标系计算掘进机悬臂的运动基点坐标，标定方法为：假设定位靶球的高度为D_h，其底部A点沿掘进机机身坐标的Y轴到回转盘中心的距离为 L_j，沿掘进机机身的X轴到回转盘中心的距离为L_w，回转盘中心到悬臂运动基点的高程为J_h，则有Δ_x＝-L_w,Δ_y＝L_j,Δ_z＝-D_h-J_h。

S4、利用定位机器人和指北仪定位掘进机激光靶球的位置坐标。

当测量定位机器人静止不动时，假设测量定位机器人的测量基点坐标为(x_j， y_j，z_j)，可以利用指北仪(或光纤陀螺)测得视北方向α_s，利用人工预先磁偏见θ_c，计算出真北方向α_N＝α_s+θ_c，利用全站仪或激光雷达照准掘进机上的激光靶球，参考真北方向得到基点(x_j，y_j，z_j)到激光靶球的方位角α_f以及倾角α_q和斜距L，从而计算出掘进机上激光靶球的位置(x_b，y_b，z_b)：

x_b＝x_j+L×cos(α_q)×sin(α_f)

y_b＝y_j+L×cos(α_q)×cos(α_f)

z_b＝z_j+L×sin(α_q)

同样可以获得平差靶球的坐标(x_p，y_p，z_p)。

S5、根据所述激光靶球的位置坐标和激光靶球位置在机身坐标系中的相对位置坐标增量计算掘进机悬臂的运动基点坐标。

用指北仪图监测到掘进机的方位角f_j、俯仰角q_v和横滚角q_h，由此计算出掘进机机身坐标系的三个坐标轴为J_x，J_y和J_z，则由下列公式计算悬臂运动基点的坐标为：P_e＝(x_e,y_e,z_e)＝Δ_x×J_x+Δ_y×J_y+Δ_z×J_z。

S6、根据底板中轴多段线、井巷断面轮廓多边形和掘进机悬臂的运动基点坐标控制掘进机对径向断面进行截割。

工控机根据掘进截割头的当前位置和设计的井巷中轴多段线，按照下一时段巷道断面轮廓多边形计算下个截割步距的断面截割路径多段线(断面法向量和轮廓绝对坐标)，并把截割命令序列发送到控制器从而控制掘进机的行走机构把掘进机调整到合适的位置，再通过控制悬臂的回转油缸、倾角调节油缸和伸缩油缸按照该断面的截割路径(包括掏眼、S型截割、刷底和刷帮等阶段) 完成该步距的截割。

S7、如图1所示，在步骤S6的截割过程中，利用掘进机的截割悬臂升降油缸传感器监测得到截割悬臂倾角θ，利用回转台回转油缸传感器监测得到截割臂水平摆角β(右摆为正向)，利用伸缩油缸传感器监测得到悬臂长度D，将监测数据发送至工控机，工控机根据监测数据计算截割头的绝对位置(x_t，y_t， zt)，方法是：

首先，让J_y绕J_x旋转θ角，得到单位向量D_x，再让D_x绕J_z旋转-β角得到单位向量P_d＝(x_d,y_d,z_d)，最后，利用下式计算出截割头的绝对位置：

P_t＝(x_t,y_t,z_t)＝P_e+D×P_d＝(x_e+D×x_d,y_e+D×y_d,z_e+D×z_d)

工控机根据截割头的绝对位置计算生成实施截割路径进一步生成实施截割断面；

同时，每当完成一个步距的截割后，测量定位机器人就可利用三维激光扫描仪对机器人旁侧的巷道和底板进行一次扫描，并把结过发送到工控机。

工控机根据实施截割断面和三维激光扫描仪得到的巷道轮廓数据图进行三维建模，结合掘进机等设备的姿态检测和定位数据完成掘进工作面的实时三维可视化图，将三维可视化图发送至远程控制端，可实现远程监控。

S8、每当完成一各步距的截割后，工控机都要完成实施截割断面(步骤S7中得到的)的轮廓与中轴同和设计的巷道断面与中轴的比对计算，必要时进行偏离预警并发布掘进机的纠偏控制命令。

S9、当需要移动测量定位机器人时，工控机发出掘进机停止掘进和自身的动作命令，测量定位机器人在向工控机发送出激光靶球的参数后，就可根据工控机的控制命令漫步行走到指定的新位置。

在掘进机静止时，测算定位机器人的位置，通过定位机器人对定位激光靶球的照准测量，就可由激光靶球坐标(x_b，y_b，z_b)、α_f、α_q和L反算出机器人的基点坐标(x_j，y_j，z_j)：

x_j＝x_b-L×cos(α_q)×sin(α_f)

y_j＝y_b-L×cos(α_q)×cos(α_f)

z_j＝z_b-L×sin(α_q)

同样可以获得平差靶球的坐标(x_p，y_p，z_p)，反算出机器人的基点坐标的另外一组值

取平均，得到更精确的(x_j，y_j，z_j)：

除此之外，还可利用定位靶球坐标(x_b，y_b，z_b)和平差靶球坐标(x_p，y_p， z_p)校真掘进机的姿态。

如图2所示，本申请实施例提供的自动测绘定位的掘进系统包括：

设置在掘进机机身上的测量控制模块、定位机器人、前置工控机和远程控制端，所述定位机器人设置在所述掘进机机身后方；所述测量控制模块和定位机器人均与所述前置工控机建立通信连接；所述前置工控机与远程控制端建立通信连接；

所述测量控制模块包括：安装于掘进机机身的机身姿态监测陀螺仪，所述监测陀螺仪的安装姿态与预先设置的掘进机的机身坐标系一致；安装于掘进机尾部的激光靶球，所述激光靶球包括定位靶球和平差靶球且定位靶球和平差靶球的连线与预设的机身坐标系X轴平行；所述测量控制模块还包括截割悬臂倾角传感器、截割臂水平摆角传感器和截割头伸缩行程传感器和掘进机控制器；

所述测量定位机器人设有跟踪导航模块和行走模块，所述跟踪导航模块通过发射激光定位掘进机上的激光靶球，所述测量定位机器人的跟踪导航模块设有指北仪、倾角传感器和三维扫描单元。

具体地，测量控制模块包括：

可编程控制器，该控制器可以接受、储存和反馈远程和就地监控系统的控制命令序列和命令执行结果，这些命令序列前进、后退、转向、加速、减速等位资控制命令，以及截割臂倾角、截割臂水平摆角和截割头伸缩等油缸行程命令；

在掘进机的适当位置安装机身姿态监测陀螺仪209，陀螺仪的安装姿态与掘进机的机身坐标系一致，用于监测掘进机的方位角、俯仰角和横滚角返回掘进机的姿态，本实施例中的监测陀螺仪选用指北仪；

在掘进机尾部相对掘进机回转台固定的位置安装定位激光靶球207，还可安装一个平差靶球208，并设定定位靶球207和平差靶球208的连线并行于机身的X坐标轴；

在掘进机的截割臂升降油缸202中安装行程传感器监测截割臂倾角θ、在掘进机的回转台回转油缸204安装行程传感器监测截割臂水平摆角β，在截割头201伸缩油缸203中安装行程传感器监测悬臂长度D并返回截割头201到回转台205的相对位置。

所述定位机器人设置在掘进机后方，能够自主行走和稳定站立。该机器人有一个综合跟踪导航和扫面装置安装测量机器人监测箱211，定位机器人有四肢，可支持平稳行走，可通过控制垂直旋转轴210和水平旋转轴212进行上下左右旋转，其不仅能够自动寻找和定位掘进机上的激光靶球，而且具有自动指北、测距、测方位、测倾角、三维扫面等功能。

在掘进面附近安装一台前置工控机，能够接入测量定位机器人和掘进机各种传感器采集到的所有信号，能够接受和存储远程控制系统发过来的控制命令序列，能够计算测量定位机器人和掘进机的绝对坐标，更够建立巷道轮廓和底板的三维模型，能够生成和发布最优的控制命令序列到测量定位机器人和掘进机控制器，能够对掘进机和机器人的行走和截割路径发布控制和校正命令，并同时完成和远程管控系统的通讯。

因此，本申请通过创建掘进机机身坐标系进而计算激光靶球在机身坐标系中相对于掘进机回转中心的坐标增量，再利用定位机器人和指北仪定位掘进机激光靶球的位置坐标，根据激光靶球的坐标增量和位置坐标得到掘进机的悬臂的运动基点坐标，实现对掘进机的精确定位，相对于现有掘进机定位技术，本发明考虑了掘进机的姿态对悬臂运动基点坐标的影响，因此本发明的定位更为精确，且定位机器人的引入相对于现有的定位激光装置，更加灵活定位更为精确，且无需人工搬动，进一步实现了无人化掘进，本实施例所能达到的技术效果可以参见上文中的描述，此处不再赘述。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种自动测绘定位的掘进方法，其特征在于，所述方法包括：

将设计系统给出的井巷模型离散为底板中轴多段线和井巷断面轮廓多边形；

以掘进机的右侧指向为X轴、以掘进机的机头方向指向为Y轴、以与XOY面垂直且总体指向上为Z轴设置掘进机的机身坐标系；

按照所述机身坐标系的坐标轴增量标定激光靶球位置到掘进机回转中心的相对位置坐标增量；

利用定位机器人和指北仪定位掘进机激光靶球的位置坐标；

根据所述激光靶球的位置坐标和激光靶球位置在机身坐标系中的相对位置坐标增量计算掘进机悬臂的运动基点坐标；

根据底板中轴多段线、井巷断面轮廓多边形和掘进机悬臂的运动基点坐标控制掘进机对径向断面进行截割。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照机身坐标系的坐标轴增量标定激光靶球位置到掘进机回转中心的相对位置坐标增量包括：

Δ_x＝-L_w,Δ_y＝L_j,Δ_z＝-D_h-J_h，设定在三个坐标轴上的增量分别为Δx、Δy和Δz；其中，所述激光靶球包括定位靶球和平差靶球且定位靶球和平差靶球的连线与预设的机身坐标系X轴平行，定位靶球的高度为D_h，其底部A点沿掘进机机身坐标的Y轴到回转中心的距离为L_j，沿掘进机机身的X轴到回转中心的距离为L_w，回转中心到悬臂运动基点的高程为J_h。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用指北仪获取所述掘进机姿态包括：

获取定位机器人的测量基点坐标为(x_j，y_j，z_j)；

根据指北仪测得的视北方向α_s和人工预先磁偏角θ_c计算真北方向α_N＝α_s+θ_c；

利用全站仪或激光雷达照准掘进机上的激光靶球，并参考真北方向得到基点(x_j，y_j，z_j)到激光靶球的方位角α_f以及倾角α_q和斜距L；

根据所述基点(x_j，y_j，z_j)和方位角α_f以及倾角α_q和斜距L计算出掘进机上激光靶球的位置(x_b，y_b，z_b)：

x_b＝x_j+L×cos(α_q)×sin(α_f)

y_b＝y_j+L×cos(α_q)×cos(α_f)

z_b＝z_j+L×sin(α_q)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据激光靶球的位置坐标和激光靶球位置在机身坐标系中的相对位置坐标增量计算掘进机悬臂的运动基点坐标包括：

用指北仪获取掘进机的方位角f_j、俯仰角q_v和横滚角q_h；

根据方位角f_j、俯仰角q_v和横滚角q_h计算掘进机机身坐标系的三个坐标轴为J_x，J_y和J_z；

根据坐标轴和激光靶球坐标增量计算悬臂运动基点的坐标。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用掘进机的悬臂升降油缸传感器监测得到悬臂倾角，利用回转台回转油缸传感器监测得到悬臂水平摆角，利用伸缩油缸传感器监测得到悬臂长度；

根据悬臂倾角、悬臂水平摆角和悬臂长度计算截割头的绝对位置；

根据所述截割头的绝对位置计算实施截割断面；

利用定位机器人扫描井巷获取井巷三维图像；

根据所述实施截割断面和所述井巷三维图像创建实施截割模型并将所述实施截割模型发送至远程控制端；

对比所述实施截割模型与原始井巷模型，在所述实施截割模型与原始井巷模型不一致时发出错误警报。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

控制掘进机保持静止状态；

通过定位机器人对定位激光靶球的照准测量，就可由激光靶球坐标和定位机器人基点到激光靶球的方位角α_f以及倾角α_q和斜距L反算出定位机器人的基点坐标；

根据所述定位机器人的基点坐标移动所述定位机器人。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

设置两个连线平行于机身坐标系X轴的激光靶球，两个激光靶球分别为定位靶球和平差靶球；

根据定位靶球坐标反算定位机器人的第一基点坐标；

根据平差靶球坐标反算定位机器人的第二基点坐标；

计算所述第一基点坐标和所述第二基点坐标的平均值并将所述平均值作为定位机器人的基点坐标。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取定位靶球坐标；

获取平差靶球坐标；

根据所述定位靶球坐标和所述平差靶球坐标校正掘进机姿态。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据底板中轴多段线、井巷断面轮廓多边形和掘进机悬臂的运动基点坐标控制掘进机对径向断面进行截割包括：

根据掘进机悬臂的运动基点坐标和传感器监测的悬臂倾角、悬臂水平摆角和悬臂长度计算截割头位置坐标；

根据所述截割头位置坐标和设计的底板中轴多段线，按照下一时段井巷断面轮廓多边形计算下个截割步距的断面法向量和轮廓绝对坐标；

根据所述断面法向量和轮廓绝对坐标生成截割命令并将所述截割命令发送至掘进机控制器；

掘进机控制器控制掘进机执行所述截割命令。

10.一种自动测绘定位的掘进系统，其特征在于，所述系统包括：定位机器人、前置工控机、远程控制端和设置在掘进机机身上的测量控制模块，所述定位机器人设置在所述掘进机机身后方；所述测量控制模块和定位机器人均与所述前置工控机建立通信连接；所述前置工控机与远程控制端建立通信连接；

所述测量控制模块包括：安装于掘进机机身的机身姿态监测陀螺仪，所述监测陀螺仪的安装姿态与预先设置的掘进机的机身坐标系一致，所述的预先设置的掘进机的机身坐标系为以掘进机的右侧指向为X轴、以掘进机的机头方向指向为Y轴、以与XOY面垂直且总体指向上为Z轴设置掘进机的机身坐标系；安装于掘进机尾部的激光靶球，所述激光靶球包括定位靶球和平差靶球且定位靶球和平差靶球的连线与预设的机身坐标系X轴平行；所述测量控制模块还包括悬臂倾角传感器、悬臂水平摆角传感器和截割头伸缩行程传感器和掘进机控制器；

所述定位机器人设有跟踪导航模块和行走模块，所述跟踪导航模块通过发射激光定位掘进机上的激光靶球，所述定位机器人的跟踪导航模块设有指北仪、倾角传感器和三维扫描单元。

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