CN110703266A - 一种掘进机精准定位及导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掘进机精准定位及导航系统，在掘进机机身进行加工，掘进机机身两侧、前方以及上方利用自身结构进行掩护安装激光雷达，激光雷达检测掘进机在巷道中的位置，并将数据信息实时反馈到计算机控制系统，计算机控制系统对数据进行筛查、处理与分析，实现对掘进机运行状态的实时监测，实现掘进机的定位工作；同时，将其反馈至控制中心，控制中心根据反馈结果进行调整，实现掘进机的导航工作；该过程具有时效性、准确性，无需在停机状态进行检测，提高工作效率、节约时间、降低成本，解决了原有设备耗费时间长、可靠性差的问题。

Description

一种掘进机精准定位及导航系统

技术领域

本发明属于定位导航的技术领域，尤其涉及一种掘进机精准定位及导航系统。

背景技术

目前，巷道掘进工作中在煤矿生产工作中非常重要，巷道掘进工作中，掘进机作为巷道掘进过程中必不可少的设备，因此，需对掘进机的定位与导航进行深入的研究。目前掘进工作中存在掘进机行走偏移问题，传统方式在掘进工作完成后再对掘进机的偏移进行调整，保证巷道掘进工作不发生严重偏移，并且对掘进机的位置缺乏监控，同时，该方式检查过程中需停机检查，消耗大量时间，且检查的过程是静态的，无法做到对运动状态进行实际监测，出现偏移无法迅速调整，在巷道总长过大的情况下利用该方式进行掘进难以保证直线度，并且耗时长、效率低。另外，掘进机工作的过程中难免会遇到硬岩掘进的情况，在掘进硬岩的过程中会产生较大的振动与冲击，会导致掘进机偏离预设运行轨迹，原有的停机调整的方式即使完成调整，继续工作后仍然会发生偏移，由于我国掘进技术不断提高对掘进的要求也越来越高，硬岩与超长巷道的现象会越来越多，现有技术已经无法满足当今社会的需求。

因此，设计一种快速、高效的一种掘进机精准定位及导航系统，以解决上述问题。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种掘进机精准定位及导航系统，利用两侧雷达所监测的相对位置关系确定掘进机在巷道中的位置，并且利用激光雷达输出的信号来进行掘进机导航工作，以达到掘进机导航的目的。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种掘进机精准定位及导航系统，包括：

信号获取模块，通过安装在掘进机两侧、上方及前方的激光雷达记录两侧巷道壁、前方煤壁以及巷道上方顶板的轮廓曲线信号；

数据识别模块，用于对轮廓曲线信号进行识别，并将轮廓曲线中的凹坑、凸起去除；

转换模块，用于将轮廓曲线信号转换为数字量，生成距离分布曲线；

数据处理模块，用于对距离分布曲线中的数据进行处理，对部分的突变、震荡进行合理化的剔除；

判断模块，根据距离分布曲线确定掘进机位置并判断偏离量，实现掘进机的定位与导航。

可选的，本发明还包括二次分析系统，用于对掘进机两侧的激光雷达反馈的异常情况进行重新运算。

进一步的，在初始位置时检测激光雷达与两侧巷道壁之间的距离，将其记录为L，将实时监测的激光雷达与巷道壁间的距离记为l，系统进行计算偏移量a＝L-l，若右侧输出a值为负，表示掘进机已经向左发生偏移，然而左侧a值并未发生变化，出现输出的a值长期为一侧为零另一侧不为零的情况，将这种情况定义为异常情况，说明不为零的一侧在初始位置时巷道壁存在着大面积的平面凹陷，将该侧在推溜过程中的l值重新调取，选择另一侧输出a值为零的情况下，该侧距离l长期处于的数值，定义该数值为L，将新的L重新输入计算机控制系统进行运算；

在新的运算条件下，两侧输出的a值进行求和，若出现a不为零，求和后结果为零时，则说明掘进机工作存在左右偏移问题，同理，若右端a值为正，然而左侧a值并未发生变化，则说明存在大面积的平面凸起，该情况也定义为异常情况，需重新定义L值进行运算；

最终，利用a值进一步判断偏移的方向，若a为正值说明该侧正在靠近巷道壁，若a值为负说明该侧正在远离巷道壁，通过a值正负合理的进行调整，消除掘进机的偏移。

由上，本发明的掘进机精准定位及导航系统通过在掘进机两侧、运行前方和上方进行加工安装激光雷达，通过激光雷达进行扫描将巷道的情况反馈到控制中心，置于掘进机两侧的激光雷达监测掘进机两侧与巷道壁之间的相对位置关系，置于行进方向前方的激光雷达监测掘进机和煤壁间的相对位置关系，利用两侧的激光雷达所监测的相对位置关系确定掘进机在巷道中的位置并且利用激光雷达输出的信号来进行掘进机导航工作，激光雷达所检测的信号与三维激光扫描大体相似，得到的信号是巷道壁与煤壁以及巷道顶部的轮廓曲面，通过监测轮廓曲面与掘进机之间的相对位置关系，以达到掘进机导航的目的。

本发明在掘进机机身两侧、上方以及前方安装激光雷达，监测掘进机与巷道壁、巷道顶板以及煤壁间相对位置关系，采用一种掘进机精准定位及导航系统对掘进机工作过程进行监测与校正，确保掘进机工作安全可靠，由于当今社会飞速发展，城市化速度加快，需应用掘进技术的领域越来越多，掘进的速度与效率亟需提高，掘进过程中硬岩、长巷道的现象已经逐渐成为常见状态，需采用合理的方法，保证掘进工作的可靠性，防止由于技术不足等原因导致掘进过程发生偏移等问题。本发明的掘进机精准定位及导航系统解决了原有方式周期长、局限性大与效率低等缺陷，同时利用激光雷达进行扫描与反馈，解决原有方式很难做到实时反馈，在硬岩掘进的过程中存在持续偏移的可能，影响设备工作寿命，无法保证施工质量并且存在安全隐患，采用掘进机精准定位及导航系统可以大幅度的缩短周期，实时监测掘进机所处位置，还可以对巷道的情况进行实时反馈，将掘进机在巷道中的位置实时反馈至控制中心，若发现掘进机出现偏移现象，控制中心可对掘进机进行远程操控，保证掘进机的工作的可靠性，降低成本提高效率并且利用激光雷达向巷道壁、巷道顶板以及煤壁发射波信号，实时监测掘进机在巷道中的位置，防止由于掘进机工作过程中发生偏移而导致施工质量以及人员安全性等诸多问题，为掘进机掘进工作提供保证。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明的激光雷达的总体安装布置图；

图2为本发明的激光雷达的实际安装示意图；

图3为本发明的掘进机精准定位及导航系统的工作简图；

图4为本发明的实际工作示意图；

图5为本发明的两侧激光雷达数据处理程序框图；

图6为本发明的前方激光雷达数据处理程序框图；

图7为本发明的上方激光雷达数据处理程序框图；

图8为本发明的上方激光雷达检测信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

本发明在掘进机两侧、前方及上方进行加工，加工后安装激光雷达，掘进机上各个激光雷达分别输出扫描后的曲面轮廓，计算机分别判断掘进机与巷道壁、煤壁及巷道顶板之间的位置关系，实现掘进机的定位，并且利用计算机控制系统对输出的曲面信号进行处理，去除部分不合理位置区间，确定掘进机与巷道壁、煤壁及顶板之间的位置关系，所述掘进机在安装激光雷达后不影响工作可靠性，所述激光雷达可快速、准确反馈巷道壁、煤壁及顶板与掘进机之间位置关系，确定掘进机位置并将其反馈至计算机控制系统，计算机远程操控掘进机，对掘进机的位置进行调整，保证掘进机按照预定方向前行，减少偏差，确保掘进机工作的稳定可靠。掘进机进行加工固定激光雷达后，掘进机结构强度仍满足工作需要，对应的，所述激光雷达可固定于掘进机两侧、机身前方以及机身上侧，确定巷道壁、煤壁以及巷道顶板与掘进机之间的相对位置关系。掘进机设置于工作区间内，其两侧、前方及上方安装激光雷达实现工作面情况实时监测与反馈。其中，计算机控制系统包括信号获取模块、数据识别模块、转换模块、数据处理模块和判断模块。

本发明的掘进机精准定位及导航系统，包括在掘进机机身进行加工，将激光雷达置于掘进机两侧、上方以及前方，利用激光雷达确定掘进机位置；使用计算机控制系统对输出的曲面信号进行处理，去除部分不合理位置区间，确定掘进机与巷道壁、煤壁及巷道顶板之间的位置关系，确保数据的实时性、可靠性，实时对掘进机的运行进行调整，保证掘进机按照预定轨迹运行。

如图1、图2、图3及图4，本发明提供一种掘进机精准定位及导航系统，包括掘进机与激光雷达，在掘进机机身进行加工，掘进机两侧、前方以及上方安装激光雷达，激光雷达通过输出巷道壁、煤壁以及巷道顶板表面的扫描情况，监测掘进机与巷道壁、煤壁和巷道顶板之间的位置关系，实现掘进机定位，同时在掘进机掘进的工作过程中，激光雷达实时监测掘进机在巷道中的位置，防止掘进机出现未按照预定线路行走现象。该方法同原有方式相比效率高、误差小、不易发生事故，降低人工成本，节约时间，有效解决原有方式在长巷道、硬岩等条件下存在的局限性，使掘进工作更加可靠。

采用本发明的掘进机精准定位及导航系统过程如下：

如图1、图2所示，激光雷达在设备成本方面，较激光发射器与普通雷达比较，激光雷达成本相对较高，激光雷达中包含激光发射器的功能与普通雷达的功能，但是在距离检测方案中激光雷达的检测原理与激光发射器和普通雷达比较有很大的区别。激光雷达输出信号为曲面图像，这样的方法更加直观，其检测方法与三维激光扫描类似，并且可将巷道壁、煤壁和巷道顶板表面的凹坑、凸起以及煤矿井下诸多复杂的不可预估的情况通过输出图像直观的展现出来，更为准确，最大可能降低误差，有效确定掘进机在巷道中的位置，保证监测工作的准确性、可靠性。其工作过程如下：第一步，激光雷达对巷道壁、煤壁及巷道顶板进行扫描，获取巷道壁、煤壁以及巷道顶板的点云数据；第二步，对获取的原始点云数据进行去噪，去除孤立点和噪声；第三步，对当前获取的点云数据及已有点云数据进行特征点提取；第四步，对提取的特征点进行初始匹配，并采用随机一致性方法剔除误匹配特征点，生成连接点；第五步，对已有点云数据和当前实测点云数据进行基于上述匹配特征点的拼接；第六步，利用已有点云特征点的全局坐标和当前扫描点云的局部坐标进行坐标转换，采用特征点距离作为权重，通过加权总体最小二乘法进行求解，得到当前点云相对于全局坐标系的旋转和平移量，获取当前掘进机在全局坐标系下的位置；第七步，将当前获取的点云数据转换至全局坐标系下，完成点云数据的自动拼接，进而建立巷道与掘进机三维模型；第八步，基于激光雷达在全局坐标系下的位置，通过事先标定好的安装位置，经过平移，得到激光雷达在全局坐标系下的位置；第九步，结合激光雷达几何结构及最终定位结果，以巷道与煤壁的三维模型为参考，获取当前激光雷达位置与左右侧壁及煤壁间的距离；第十步，根据最终全局定位结果给出调整参数；最后，针对巷道两侧、巷道顶板与煤壁可能存在凹陷、凸起等不平整点云影响测距、定位定姿的情况，设计自适应阈值的点云测距算法，利用周边较为平整的点云拟合小曲率的曲面，对凹陷区域进行填补，对凸起区域进行平滑，使之点云符合连续、较为平整的条件。

因此，采用激光雷达对掘进机进行定位与导航，使工作更加准确、可靠，值得推广与应用。

如图3、图4所示，掘进机两侧、上方及前方分别安装激光雷达，激光雷达采用成像的方式确定掘进机的位置，掘进机两侧、前方与上方均设置激光雷达进行距离检测就能够满足掘进机定位与导航所需，采用在掘进机上进行机械加工的方式将激光雷达安装于掘进机上，可保证工作过程中激光雷达不受损伤，测量结果可靠，掘进机在如图1所示推进方向进行推移时，掘进机机身的激光雷达也随之产生推移。掘进机工作过程中，采用激光雷达监测掘进机与巷道壁、煤壁和巷道顶板之间的距离，实现掘进机定位与导航工作，若掘进机上激光雷达与巷道壁、煤壁和巷道顶板之间的相对位置关系无异常，则表明掘进机无明显偏移现象发生，工作过程稳定、可靠。

利用激光雷达进行掘进机定位与导航，在初始位置时激光雷达开启，记录各激光雷达与所监测对象间的位置关系。掘进机开始工作，掘进机机身上设置的激光雷达开始记录两侧巷道壁、前方煤壁以及巷道上方顶板的情况，并将结果反馈到计算机中，由于激光雷达的检测数据为图像数据，巷道壁、煤壁以及巷道顶板上的凹坑、凸起等特殊状态都准确直观的反馈到计算机上，计算机通过系统对图像进行识别，将凹坑、凸起等特殊情况时的偏差进行处理，去除特殊情况下的偏差，再进一步的对掘进机运行过程偏移进行判断，并将分析结果反馈到计算机控制系统中，计算机控制系统根据实际情况对掘进机实际工作情况进行判断，判断后将结果反馈至控制系统，控制系统根据反馈结果对掘进机掘进工作进行控制与调整并确定掘进机当前所处位置，同时利用掘进机机身所安装的四个激光雷达数据通信可判别掘进机是否发生偏转与侧向翻转，使整个定位与导航过程更为可靠，有效避免掘进工作出现偏差导致延误工期、浪费人力，甚至存在安全隐患。该方式准确直观，由于输出结果为图像信息，可将巷道壁、煤壁以及巷道顶板的异常体现出来，尽可能降低检测过程中的误差。

实际工作过程中，在初始位置时检测激光雷达与两侧巷道壁之间的距离，将其记录为L，在掘进机两侧激光雷达随掘进机工作过程中激光雷达与巷道壁间的距离要实时监测与反馈，将实时监测的激光雷达与巷道壁间的距离记为l，系统进行计算偏移量a＝L-l，若右侧输出a值为负，表示掘进机已经向左发生偏移，然而左侧a值并未发生变化，出现输出的a值长期为一侧为零另一侧不为零的情况，将这种情况定义为异常情况，说明不为零的一侧在初始位置时巷道壁存在着大面积的平面凹陷，将该侧在推溜过程中的l值重新调取，选择另一侧输出a值为零的情况下，该侧距离l长期处于的数值，定义该数值为L，将新的L重新输入计算机控制系统进行运算。在新的运算条件下，两侧输出的a值进行求和，若出现a不为零，求和后结果为零时，则说明掘进机工作存在左右偏移问题，同理，若右端a值为正，然而左侧a值并未发生变化，则说明存在大面积的平面凸起，该情况也定义为异常情况，需重新定义L值进行运算。最终，利用a值进一步判断偏移的方向，若a为正值说明该侧正在靠近巷道壁，若a值为负说明该侧正在远离巷道壁，通过a值正负合理的进行调整，消除掘进机的偏移，突出解决掘进机的偏移问题。

图5、图6及图7为掘进机导航计算机处理过程。掘进机工作过程中会出现左右方向的水平偏移，还会出现机身与行进方向成一定角度的偏转和机身与地面的翻转，这些现象都会导致掘进机行走方向偏离预定轨迹，因此，在掘进机定位导航的系统中，对此类偏移量必须加以监控，并且有效的识别出此类变化确定掘进机所处位置。

图8为本发明中计算机处理的具体过程，激光雷达所检测信号为煤壁、巷道壁以及巷道顶板的轮廓曲线，计算机接收该信号，计算机进行模式识别，将轮廓曲线中的凹坑、凸起等去除，进一步进行信号的处理；接着，计算机控制系统对信号进行A/D转换，将信号转换为数字量，生成距离分布曲线；然后，计算机对距离分布曲线中的数据进行处理，对部分的突变、震荡进行合理化的剔除；最后，计算机将距离检测数据反馈至控制中心，控制中心根据距离分布曲线确定掘进机位置并判断偏离量，实现掘进机的定位与导航。

采用本发明的掘进机精准定位及导航系统具体数值分析过程如图5、图6、图7以及图8所示，首先，计算机根据两侧激光雷达反馈信息判断掘进机是否发生偏移，若发生偏移是否存在异常情况，若出现异常情况需将检测数据输入二次分析系统，二次分析系统即为对l进行重新定义，利用重新定义的l在图5所示系统中重新进行运算，并输出运算结果，所述异常情况与l在上文均有定义，将判断结果反馈至计算机，确定掘进机位置，同时计算机根据结果对掘进机运行进行调整，实现掘进机导航，保证掘进机运行的可靠性；然后，通过前方雷达反馈数据判断掘进机是否存在与行进方向成一定角度的偏转，此类偏转会导致掘进机运行轨迹成曲线，同时会导致掘进机截割头单侧磨损，不仅影响掘进机工作寿命对巷道的开掘质量更是有很大危害，计算机程序判断过程中，掘进机掘进过程，掘进机前方安装的激光雷达与被截割部分的距离应处在一定范围内，若出现明显变化，掘进机前方激光雷达与其距离处于合理范围之外，计算机得到信号，与此同时，前方激光雷达数据分析模块与两侧和上方数据分析模块实现通信，综合判断，将结果反馈至计算机实现掘进机定位，计算机控制掘进机进行调节实现掘进机导航；最后，上方的激光雷达尤为重要，不仅作为定位导航过程中不可缺少的一部分并且可以对采掘过程中巷道存在的安全隐患进行提前判断，在掘进过程中巷道顶板与掘进机上方的距离应处于一定的范围内，若巷道顶板与掘进机上方距离发生明显变化，超出合理范围，不仅是掘进效果受到影响，可能出现未知的地质条件甚至存在塌方的可能，掘进机上方激光雷达检测到此类距离变化，将其反馈至计算机，计算机将两侧激光雷达与前方激光雷达的数据分析模块与其进行通信，综合分析此时掘进机的情况，并将结果反馈至计算机，计算机利用两侧、前方以及上方所安装的激光雷达所检测的数据来确定掘进机的位置与运行状态，实现掘进机的定位与导航工作，保证掘进工作的安全可靠。

本发明中计算机分析包含接收该信号轮廓曲线信号、对接收信号进行模式识别、剔除突变信号、信号A/D转换、成距离分布、剔除异常信号、数据反馈，经过这一过程后，计算机将信号反馈至控制中心，控制中心根据反馈的距离曲线确定掘进机位置并驱动掘进机按照预定轨迹行进，实现掘进机的定位与导航，保证掘进工作安全可靠的进行。

本发明在掘进机机身进行机械加工，利用掘进机自身结构的掩护分别在掘进机前方、上方及两侧安装激光雷达，利用激光雷达发射波的三维扫描成像，确定掘进机在工作过程中的相对位置实现掘进机定位，并且将位置信息反馈至计算机控制系统，计算机控制系统对掘进机运行过程进行调整，实现掘进机导航工作。所述方法有利用掘进机两侧进行机械加工并利用掘进机自身结构保护激光雷达，避免激光雷达在工作过程中受到损伤，所述激光雷达在掘进机两侧对称布置同时在掘进机工作过程前方与上方均设置激光雷达，监测煤壁与巷道顶板之间的关系，所述控制系统可筛查异常值，保证数据可靠，所述监测方法执行过程中掘进工作可照常运行，不影响掘进机的正常作业。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种掘进机精准定位及导航系统，其特征在于，包括：

信号获取模块，通过安装在掘进机两侧、上方及前方的激光雷达记录两侧巷道壁、前方煤壁以及巷道上方顶板的轮廓曲线信号；

数据识别模块，用于对轮廓曲线信号进行识别，并将轮廓曲线中的凹坑、凸起去除；

转换模块，用于将轮廓曲线信号转换为数字量，生成距离分布曲线；

数据处理模块，用于对距离分布曲线中的数据进行处理，对部分的突变、震荡进行合理化的剔除；

判断模块，根据距离分布曲线确定掘进机位置并判断偏离量，实现掘进机的定位与导航。

2.如权利要求1所述的掘进机精准定位及导航系统，其特征在于，还包括二次分析系统，用于对掘进机两侧的激光雷达反馈的异常情况进行重新运算。

3.如权利要求2所述的掘进机精准定位及导航系统，其特征在于，在初始位置时检测激光雷达与两侧巷道壁之间的距离，将其记录为L，将实时监测的激光雷达与巷道壁间的距离记为l，系统进行计算偏移量a＝L-l，若右侧输出a值为负，表示掘进机已经向左发生偏移，然而左侧a值并未发生变化，出现输出的a值长期为一侧为零另一侧不为零的情况，将这种情况定义为异常情况，说明不为零的一侧在初始位置时巷道壁存在着大面积的平面凹陷，将该侧在推溜过程中的l值重新调取，选择另一侧输出a值为零的情况下，该侧距离l长期处于的数值，定义该数值为L，将新的L重新输入计算机控制系统进行运算；

在新的运算条件下，两侧输出的a值进行求和，若出现a不为零，求和后结果为零时，则说明掘进机工作存在左右偏移问题，同理，若右端a值为正，然而左侧a值并未发生变化，则说明存在大面积的平面凸起，该情况也定义为异常情况，需重新定义L值进行运算；

最终，利用a值进一步判断偏移的方向，若a为正值说明该侧正在靠近巷道壁，若a值为负说明该侧正在远离巷道壁，通过a值正负合理的进行调整，消除掘进机的偏移。

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