CN110530358A - 车体导航定位装置及导航系统和方法 - Google Patents

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宋江涛
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Abstract

本发明属于凿岩台车定位导航技术领域,特别设计一种车体导航定位装置及导航系统和方法,该系统包含:包含车体导航定位装置及主控器,主控器依据全站仪及双轴倾角仪测量数据确定车体在隧道中位置和姿态,其中,车体导航定位装置包含:两个用于全站仪测量的棱镜组,及一个用于确定车体俯仰角和滚动角的双轴倾角仪;每个棱镜组中包含设于车体同一侧的两个棱镜。本发明通过棱镜组、双轴倾角仪及全站仪的配合来完成凿岩台车隧道施工中的定位,以确定台车在隧道中的位置和姿态,完成隧道车体导航,有效的提高凿岩台车隧道施工中定位精度和质量,提高施工效率,具有较强工程应用前景。

Description

车体导航定位装置及导航系统和方法
技术领域
本发明属于凿岩台车定位导航技术领域,特别设计一种车体导航定位装置及导航系统和方法。
背景技术
凿岩台车,主要由凿岩机、钻臂(凿岩机的承托、定位和推进机构)、钢结构的车架、走行机构以及其他必要的附属设备,和根据工程需要添加的设备所组成,是一种隧道及地下工程采用钻爆法施工的凿岩设备。它能移动并支持多台凿岩机同时进行钻眼作业。目前隧道凿岩台车定位导航需要专业测量人员并配合全站仪进行测量,对人员专业要求程度偏高,费事费力,且测量过程中不断需要人员与台车移动配合,自动化程度不高,影响施工效率和施工。
发明内容
为此,本发明提供一种车体导航定位装置及导航系统和方法,提高凿岩台车施工中定位精度和准确度,能最大限度避免人为因素影响,自动化程度高,保证施工质量和效率,具有较好的工程应用前景。
按照本发明所提供的设计方案,一种车体导航定位装置,包含:两个用于全站仪测量的棱镜组,及一个用于确定车体俯仰角和滚动角的双轴倾角仪;每个棱镜组中包含设于车体同一侧的两个棱镜。
作为本发明导航定位装置,进一步地,每个棱镜及双轴倾角仪分别设置在对应的测量控制点上,每个测量控制点在车体不同水平面上。
作为本发明导航定位装置,进一步地,安装双轴倾角仪的测量控制点布设在车体前侧中部位置,安装棱镜的测量控制点以棱镜组为一组分别布设在车体左右两侧;每个棱镜组中棱镜的测量控制点一个设置于车体侧面上部,另一个设于车体侧面后部。
进一步地,本发明还提供一种凿岩台车车体导航系统,包含上述的车体导航定位装置及主控器,主控器依据全站仪及双轴倾角仪测量数据确定车体在隧道中位置和姿态。
作为本发明导航系统,进一步地,还包含与主控器连接的预警装置,用于对车体倾角大于设定阈值的情形发出报警和/或停机信号。
进一步地,本发明还提供一种凿岩台车车体导航方法,基于上述的凿岩台车车体导航系统实现,其实现过程包含如下内容:
以双轴倾角仪为中心建立车体坐标系,对棱镜在车体坐标系下坐标进行标定;
施工过程中,全站仪利用隧道施工标记点进行后方交会设站以纳入隧道坐标系,并对棱镜进行测量以获取棱镜隧道坐标,同时双轴倾角仪获取车体俯仰角及滚动角数据;主控器根据欧拉角描述姿态测量原理,确定车体在隧道中的位置和姿态,完成车体导航工作。
作为本发明导航方法,进一步地,车体导航中,需要对棱镜车体坐标进行转换,获取其与隧道坐标系方位一致的回转坐标方位,并获取隧道坐标系到车体坐标系的旋转矩阵和平移矢量;将旋转矩阵和平移矢量进行拼接,得到用于车体实时导航工作的隧道坐标系到车体坐标系的位姿矩阵。
本发明的有益效果:
本发明通过棱镜组、双轴倾角仪及全站仪的配合来完成凿岩台车隧道施工中的定位,以确定台车在隧道中的位置和姿态,完成隧道车体导航,有效的提高凿岩台车隧道施工中定位精度和质量,提高施工效率,具有较强工程应用前景。
附图说明:
图1为实施例中导航系统示意图;
图2为实施例中测量控制点布设示意图;
图3为实施例中车体导航工作原理示意。
图中标号,标号1代表车体,标号2代表棱镜,标号3代表双轴倾角仪。
具体实施方式:
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白,下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。
隧道凿岩台车定位导航对专业人员要求程度高,而人为因素不可避免对定位精度以及准确度造成很大的影响。因此,隧道凿岩智能化车体导航方法势在必行。为此,本发明实施例,参见图1所示,提供一种凿岩台车车体导航系统,包含车体导航定位装置及主控器,主控器依据全站仪及双轴倾角仪测量数据确定车体在隧道中位置和姿态,以实现隧道凿岩台车施工作业中的自动化导航,保证导航质量的同时,能够大大提高隧道掘进周期的效率。
作为本发明实施例中的车体导航系统,其中,车体导航定位装置包含:两个用于全站仪测量的棱镜组,及一个用于确定车体俯仰角和滚动角的双轴倾角仪;每个棱镜组中包含设于车体同一侧的两个棱镜,以实现与全站仪配合,来完成台车在隧道中的位置和姿态,保证定位精度和准确度。
作为本发明实施例中的导航定位装置,进一步地,每个棱镜及双轴倾角仪分别设置在对应的测量控制点上,每个测量控制点在车体不同水平面上,以适应实际作业中对车体定位导航环境,保证定位数据的稳定可靠性。
作为本发明实施例中的导航定位装置,进一步地,参见图2所示,安装双轴倾角仪的测量控制点布设在车体前侧中部位置,安装棱镜的测量控制点以棱镜组为一组分别布设在车体左右两侧;每个棱镜组中棱镜的测量控制点一个设置于车体侧面上部,另一个设于车体侧面后部,这些测量控制点的设置能够尽可能与车尾保持通视并保证在整个施工过程的无移位,以进一步保证定位的稳定可靠性。
作为本发明实施例中的导航系统,进一步地,还包含与主控器连接的预警装置,用于对车体倾角大于设定阈值的情形发出报警和/或停机信号,以便于实现系统的自动纠偏功能,当倾角大于某一设定值时,则给出报警信号或停机处理。
进一步地,本发明实施例还提供一种凿岩台车车体导航方法,基于上述的凿岩台车车体导航系统实现,其实现过程包含如下内容:
以双轴倾角仪为中心建立车体坐标系,对棱镜在车体坐标系下坐标进行标定;
施工过程中,全站仪利用隧道施工标记点进行后方交会设站以纳入隧道坐标系,并对棱镜进行测量以获取棱镜隧道坐标,同时双轴倾角仪获取车体俯仰角及滚动角数据;主控器根据欧拉角描述姿态测量原理,确定车体在隧道中的位置和姿态,完成车体导航工作。
作为本发明实施例中的导航方法,进一步地,车体导航中,需要对棱镜车体坐标进行转换,获取其与隧道坐标系方位一致的回转坐标方位,并获取隧道坐标系到车体坐标系的旋转矩阵和平移矢量;将旋转矩阵和平移矢量进行拼接,得到用于车体实时导航工作的隧道坐标系到车体坐标系的位姿矩阵。
通过全站仪将车体坐标系车体位置与隧道坐标系变换,确定车体在隧道位置以及姿态,并将位置以及角度数据反馈在驾驶舱操作屏幕上,清晰准确的知道掌子面孔位的定位打孔;有效提高定位精度和质量,提高施工作业效率。
参见图2所示,在凿岩台车车体的固定位置上选择不在同一水平面上的5个测量控制点,其中4个测量控制点上安装2组棱镜(A1、B1为一组;A2、B2为一组),第5个测量控制点上安装双轴倾角仪。在倾角仪及棱镜安装后,以倾角仪为中心建立车体坐标系{D},同时对2个测量控制点上的棱镜在车体坐标系{D}下坐标DAi,DBi(i=1,2)进行标定。施工过程中,首先全站仪利用隧道施工标记点Ci(i≥2)进行后方交会设站以纳入隧道坐标系{G},再对2个测量控制点上的棱镜进行测量,得到其隧道坐标GAi,GBi(i=1,2),同时由双轴倾角仪确定车体的俯仰角is和滚动角θs。根据3个欧拉角描述姿态测量的原理,确定车体在隧道中的位置和姿态,完成车体导航工作,其工作原理如下图3所示,详细步骤如下:
(1)将(起始的)台车绕其自身的x轴旋转θ角,使其与实时的滚动角θs一致,θs由倾角仪测量给出:
θ=θs-θ0
(2)绕y轴旋转i角,使其与实时的俯仰角is一致,is由倾角仪测量给出:
i=is-i0
(3)绕z轴旋转γ角,使其与隧道坐标系方位一致:
GA1GB1两点经(1),(2)转换后的方位,即相当于台车实时坐标系回转(1)、(2),得到回转坐标系,GA1GB1在回转坐标系中的坐标方位。其中,GA1GB1在台车实时坐标系的坐标也就是A1、B1在台车起始坐标系的坐标。
由此,隧道坐标系{G}到车体坐标系{D}的旋转矩阵T为
T=Tz·Ty·Tx
(4)平移矢量:
以上,都是基于台车坐标系{D}的坐标,也可由B1点来计算该平移矢量。
(5)位姿矩阵
将旋转矩阵T和平移适量t拼接,即可得到隧道坐标系{G}到车体坐标系{D}的位姿矩阵
其中R为T的前3行3列。
图2中,通过已安装好的4个棱镜(一次只使用单侧2个棱镜)、双轴倾角仪、全站仪和主控器确定台车在隧道中的位置和姿态矩阵来实现自身在隧道内的导航定位。图3中,通过凿岩台车安装的两个不同方位的360°棱镜组以及隧道墙壁上的标准点,来换算出来台车的绝对位置,以便进一步定位钻孔位置;并通过双轴倾角仪,适用不同工况地面对车体定位的影响,准确的反馈车体姿态;当倾角大于某一设定值时,给出报警信号或停机;保证定位导航的精确,以便于实现凿岩机器人车体相对于隧道平面图的位置的导航定位,并能够实时显示在控制系统的驾驶舱显示屏幕上,便于快速、准确定位待打孔位置,操作方便,定位孔位图以及大臂定位点清晰准确反馈驾驶舱屏幕,响应时间迅速;进一步提高凿岩台车施工定位的自动化导航,具有较强的工程应用前景。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施方式仅限于此,对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单的推演或替换,都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种车体导航定位装置,其特征在于,包含:两个用于全站仪测量的棱镜组,及一个用于确定车体俯仰角和滚动角的双轴倾角仪;每个棱镜组中包含设于车体同一侧的两个棱镜。
2.根据权利要求1所述的车体导航定位装置,其特征在于,每个棱镜及双轴倾角仪分别设置在对应的测量控制点上,每个测量控制点在车体不同水平面上。
3.根据权利要求2所述的车体导航定位装置,其特征在于,安装双轴倾角仪的测量控制点布设在车体前侧中部位置,安装棱镜的测量控制点以棱镜组为一组分别布设在车体左右两侧;每个棱镜组中棱镜的测量控制点一个设置于车体侧面上部,另一个设于车体侧面后部。
4.一种凿岩台车车体导航系统,其特征在于,包含权利要求1~3任一项所述的车体导航定位装置及主控器,主控器依据全站仪及双轴倾角仪测量数据确定车体在隧道中位置和姿态。
5.根据权利要求4所述的凿岩台车车体导航系统,其特征在于,还包含与主控器连接的预警装置,用于对车体倾角大于设定阈值的情形发出报警和/或停机信号。
6.一种凿岩台车车体导航方法,其特征在于,基于权利要求4所述的凿岩台车车体导航系统实现,其实现过程包含如下内容:
以双轴倾角仪为中心建立车体坐标系,对棱镜在车体坐标系下坐标进行标定;
施工过程中,全站仪利用隧道施工标记点进行后方交会设站以纳入隧道坐标系,并对棱镜进行测量以获取棱镜隧道坐标,同时双轴倾角仪获取车体俯仰角及滚动角数据;主控器根据欧拉角描述姿态测量原理,确定车体在隧道中的位置和姿态,完成车体导航工作。
7.根据权利要求6所述的凿岩台车车体导航方法,其特征在于,车体导航中,需要对棱镜车体坐标进行转换,获取其与隧道坐标系方位一致的回转坐标方位,并获取隧道坐标系到车体坐标系的旋转矩阵和平移矢量;将旋转矩阵和平移矢量进行拼接,得到用于车体实时导航工作的隧道坐标系到车体坐标系的位姿矩阵。
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