CN111005730A - 一种掘进机进尺测量方法 - Google Patents

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CN111005730A CN201911263973.3A CN201911263973A CN111005730A CN 111005730 A CN111005730 A CN 111005730A CN 201911263973 A CN201911263973 A CN 201911263973A CN 111005730 A CN111005730 A CN 111005730A
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Abstract

本发明公开的一种掘进机进尺测量方法，涉及进尺测量技术领域。该测量方法通过设置测距装置与反光靶标，利用激光传感器向反光靶标发射出一束激光，并接收反光靶标反射的激光束，依据计时器测定激光束从发射到接收的时间，从而计算出从激光传感器到反光靶标的距离L自动测量掘进机进尺；同时监测回光量C，根据回光量测定激光束是否中靶，适时启动寻靶流程。本发明公开的一种掘进机进尺测量方法，通过设置测距装置与反光靶标，进行掘进机进尺的自动测量，以自动测量代替人工测量，测量精度高，且降低了劳动强度；同时可通过激光传感器所测量回光量，判定激光束是否中靶，从而根据要求启动舵机云台，进行寻靶工作，进一步提高距离测量的准确性与完整性。

Description

一种掘进机进尺测量方法
技术领域
本发明涉及进尺测量技术领域，具体涉及一种基于激光传感器和姿态传感器融合的掘进机进尺测量方法。
背景技术
掘进进尺是开掘各种井巷峒室时掘进的井巷长度，是生产统计中的一项经济技术指标，生产掘进进尺与矿井产量之比反映了生产掘进进尺与采矿之间的配合良好程度。
掘进工作面工况复杂多变，目前主要采用人工测量方式计算掘进进尺，一方面，存在测量延时大、无效进尺混杂等问题；另一方面，掘进巷道环境比较恶劣，粉尘很大，工人在井下进行记录，测量掘进进尺时劳动强度大。
因此，鉴于以上问题，有必要提出一种能够准确测量掘进进尺的方法，以满足矿井安全生产的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明公开了一种掘进机进尺测量方法，通过测距装置与反光靶标自动测量掘进机进尺，测量精度高；同时于测量方法中增加寻靶功能，进一步提高距离测量的准确性与完整性。
根据本发明的目的提出的一种掘进机进尺测量方法，包括以下步骤：
步骤一、安装反光靶标和测距装置；所述反光靶标安装于二运皮带机的轨道上方，与轨道相对静止；所述测距装置包括激光传感器、姿态传感器、舵机云台以及数据处理单元，所述舵机云台包括水平舵机、俯仰舵机以及云台；所述测距装置安装于二运皮带机上，调整舵机云台使得激光传感器所发出的激光照射至以反光靶标中心为圆心的半径5cm的圆内。
步骤二、开始工作时，根据激光传感器所测距离和姿态传感器所测加速度，判断当前掘进机的工作状态，并记录掘进机首次处于掘进状态时的掘进距离，记为Lt1。
步骤三、记录激光传感器所测回光量C，与数据处理单元中预设回光量阈值 C1相比较，若所测回光量大于阈值，则激光束照射在反光靶标上，记为“中靶”，执行步骤五；反之即为“脱靶”，执行步骤四。
步骤四、启动舵机云台寻靶；S1.根据测距装置脱靶前一刻的掘进距离Lt，反光靶标的长度Dx和宽度Dy，计算出舵机云台水平、俯仰转动的角度范围θx和θy：
Figure BDA0002312352290000021
S2.根据计算得出的舵机云台水平、俯仰转动的角度范围θx和θy计算出云台在水平和俯仰方向的扫描次数ΔCx和ΔCy:
Figure BDA0002312352290000022
其中，Δθx为水平舵机分辨角，Δθy为俯仰舵机分辨角； S3.以脱靶前一刻光束照射在反光靶标的位置为原点，水平向右为x轴正坐标，竖直向上为y轴正坐标，建立直角坐标系，舵机云台分别沿坐标系内的y＝x和 y＝-x直线方向寻找反光靶标，直至第一次找到反光靶标；S4.水平舵机分别以顺时针和逆时针方向扫描ΔCx次，记录下顺时针和逆时针分别扫到反光靶标的次数Cx1和Cx2；若Cx1＞Cx2，则水平舵机顺时针扫描
Figure BDA0002312352290000023
次；若Cx1＜Cx2，则水平舵机逆时针扫描
Figure BDA0002312352290000024
次，此时激光照在反光靶标水平方向的中间位置；俯仰舵机分别以顺时针和逆时针方向扫描ΔCy次，记录下顺时针和逆时针分别扫到反光靶标的次数Cy1和Cy2；若Cy1＞Cy2，则俯仰舵机顺时针扫描
Figure BDA0002312352290000025
次；若Cy1＜Cy2，则俯仰舵机逆时针扫描
Figure BDA0002312352290000031
次，此时激光照在反光靶标竖直方向的中间位置；二者结合，测距装置照射于反光靶标中心位置，完成寻靶过程。
步骤五、记录之后掘进机(5)处于掘进状态时掘进距离，记为Lt2，得到掘进机(5)的掘进进尺Lt＝Lt2-Lt1。
步骤六、重复上述步骤，完成掘进机进尺测量。
优选的，步骤一中，所述测距装置还包括用于监测激光传感器的三轴角度信息α、β、γ、修正距离偏差的角度传感器，所述角度传感器安装于云台上，与激光传感器准确配对；数据处理单元接收激光传感器与角度传感器所监测的数据并进行处理，得出掘进距离D＝Lcosγcosα；其中，L为激光传感器(21)所测测距装置到反光靶标(1)的距离，D为精确后掘进距离；则首次掘进机(5) 处于掘进状态时的掘进距离，记为Dt1；之后掘进机(5)处于掘进状态时掘进距离，记为Dt2，掘进进尺为：Dt＝Dt2-Dt1。
优选的，所述测距装置还包括防爆壳体、服务器、显示屏以及直流电源；所述防爆壳体上设置有多个用于供电和与外部通信的喇叭口，所述防爆壳体的前端设置有一个玻璃窗，激光传感器所发射激光透过此玻璃窗照射在反光靶标上；所述服务器用于将数据处理单元所获得的数据进行存储，并做进一步处理，将最终结果传输至显示屏显示；所述显示屏用于显示当前掘进机进尺、工作状态、反光靶标状态和云台的三轴角度信息；所述直流电源用于为整个测距装置供电。
优选的，步骤二中，掘进机工作状态分为上电、掘进、前进、后退以及拖轨道五种；当激光传感器前后两时刻获得的掘进距离数据差|L2-L1|在5mm的范围内波动，姿态传感器测得的加速度数据|a|＜a1时，判断当前掘进机为上电状态；当激光传感器返回的数据逐渐增大，L2-L1＞50mm，姿态传感器测得的加速度数据a1＜|a|＜a2时，判断此时掘进机为前进状态；当激光传感器返回的数据差 5mm＜|L2-L1|＜50mm，姿态传感器测得的加速度数据|a|＞a2时，判断此时掘进机为掘进状态；当激光传感器返回的数据逐渐减小，L2-L1＜-50mm，姿态传感器测得的加速度数据a1＜|a|＜a2时，判断当前掘进机为后退状态；当激光传感器返回的数据差|L2-L1|＜5mm，姿态传感器测得的加速度数据|a|＞a2时，判断当前掘进机为拖轨道状态；其中，L1和L2为前后两时刻的掘进距离，a为姿态传感器所测的实时加速度，a1、a2为系统预设的两个加速度阈值，a2＞a1。
优选的，步骤四中，增大扫描次数为ΔCxmax和ΔCymax，以确保扫描中反光靶标，ΔCxnax＝Cx+kx，ΔCynax＝Cy+ky；其中，kx、ky为0-5的任意整数。
优选的，回光量初始阈值记为C1＝2500；增设回光量阈值选择值C1＝1500，当所测回光量C＞2500，激光束照射在反光靶标上，记为“中靶”，回光量初始阈值保持为C1＝2500；当所测回光量C≤2500时，调整回光量阈值C1＝1500，所测回光量再次与调整后回光量阈值相比较，若C＞1500，则激光束照射在反光靶标上，记为“中靶”，反之即为“脱靶”。
与现有技术相比，本发明公开的一种掘进机进尺测量方法的优点是：
(1)本发明设置测距装置与反光靶标，通过测距装置中激光传感器向反光靶标发射出一束激光，再经由激光传感器的光电元件接收反光靶标反射的激光束，依据计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从激光传感器到反光靶标的距离L，自动测量掘进机进尺。
(2)本发明可通过激光传感器测量的激光束照射在反光靶标后的回光量，判定激光束是否中靶，从而根据要求启动舵机云台，进行寻靶工作，进一步提高距离测量的准确性与完整性。
(3)本发明可根据所测量的回光量值实时调整数据处理单元中的回光量阈值，更加适用于掘进工作面的恶劣工况。
(4)本发明设置有角度传感器，该角度传感器安装在云台上，与激光传感器准确配对，通过监测激光传感器的三轴角度信息α、β、γ，修正距离偏差，进一步提高距离测量精度。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明公开的一种掘进机进尺测量方法的流程图。
图2为本发明公开的一种掘进机进尺测量方法的使用状态图。
图3为测距装置内部结构图。
图中的数字或字母所代表的零部件名称为：
1-反光靶标；2-测距装置；21-激光传感器；22-姿态传感器；23-舵机云台； 24-数据处理单元；25-防爆壳体；251-喇叭口；252-玻璃窗；26-服务器；27- 显示屏；28-直流电源；3-轨道；4-二运皮带机；5-掘进机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
图1-图3示出了本发明较佳的实施例，分别从不同的角度对其进行了详细的剖析。
如图1、2所示的一种掘进机进尺测量方法，包括以下步骤：
步骤一、安装反光靶标1和测距装置2。反光靶标1安装于二运皮带机4的轨道3上方，与轨道3相对静止。测距装置2安装于二运皮带机4上，调整舵机云台23使得激光传感器21所发出的激光照射至以反光靶标1中心为圆心的半径5cm的圆内。
反光靶标1为长Dx、宽Dy的矩形，用于反射测距装置2发出的激光，增强回光量以提高激光传感器21的测量距离和精度，最终获取测距装置2与反光靶标1的距离。
如图3所示，测距装置2包括防爆壳体25以及设置于防爆壳体25内的激光传感器21、姿态传感器22、角度传感器、舵机云台23、数据处理单元24、服务器26、直流电源28和显示屏27。
防爆壳体25上设置有多个用于供电和与外部通信的喇叭口251，防爆壳体 25的前端设置有一个玻璃窗252，激光传感器21所发射激光透过此玻璃窗252 照射在反光靶标1上。
激光传感器21安装在舵机云台23上，随舵机云台23一起转动，在工作时向目标射出一束很细的激光，经过反光靶标1的发射后，由激光传感器21的光电元件接收反射的激光束，激光传感器21的计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从激光传感器21到目标的距离，同时测量回光量。
姿态传感器22是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量传感器，用于测量掘进机5三轴加速度、三轴陀螺仪、三轴角度等信息。
角度传感器安装于云台上，与激光传感器21准确配对，用于监测激光传感器21的三轴角度信息α、β、γ、修正距离偏差，得出掘进距离D＝Lcosγcosα，其中，L为激光传感器21所测测距装置到反光靶标1的距离，D为精确后掘进距离。
舵机云台23包括水平舵机、俯仰舵机以及云台，云台可以水平、俯仰方向转动。
数据处理单元24选用Arduino，其接收激光传感器21返回的距离和回光量信息，姿态传感器22返回的多组加速度、陀螺仪、角度信息以及角度传感器所测量的激光传感器21的三轴角度信息α、β、γ，并进行精确化处理，得出精确的掘进进尺、掘进机5工作状态。
服务器26用于将数据处理单元24获得的数据进行存储，并做进一步处理，然后将最终结果传至显示屏27。
直流电源28用于为整个测距装置2供电。
显示屏27用于显示当前掘进机5进尺、工作状态、反光靶标1状态和云台的三轴角度信息。
步骤二、开始工作时，根据激光传感器21所测距离和姿态传感器22所测加速度，判断当前掘进机5的工作状态，并记录掘进机5首次处于掘进状态时的掘进距离，Dt1。
具体的，掘进机5工作状态分为上电、掘进、前进、后退以及拖轨道五种。当激光传感器21前后两时刻获得的掘进距离数据差|L2-L1|在5mm的范围内波动，姿态传感器22测得的加速度数据|a|＜a1时，判断当前掘进机5为上电状态；当激光传感器21返回的数据逐渐增大，L2-L1＞50mm，姿态传感器55测得的加速度数据a1＜|a|＜a2时，判断此时掘进机5为前进状态；当激光传感器21返回的数据差5mm＜|L2-L1|＜50mm，姿态传感器22测得的加速度数据|a|＞a2时，判断此时掘进机5为掘进状态；当激光传感器21返回的数据逐渐减小，L2-L1＜-50mm，姿态传感器22测得的加速度数据a1＜|a|＜a2时，判断当前掘进机5为后退状态；当激光传感器21返回的数据差|L2-L1|＜5mm，姿态传感器22测得的加速度数据 |a|＞a2时，判断当前掘进机5为拖轨道状态。其中，L1和L2为前后两时刻的掘进距离，a为姿态传感器22所测的实时加速度，a1、a2为系统预设的两个加速度阈值，a2＞a1。
步骤三、记录激光传感器21所测回光量C，与数据处理单元24中预设回光量阈值C1＝2500相比较，若所测回光量C＞2500，激光束照射在反光靶标1上，记为“中靶”，执行步骤五，回光量初始阈值保持为C1＝2500；反之增设回光量阈值选择值C1＝1500，当所测回光量C≤2500时，调整回光量阈值C1＝1500，所测回光量再次与调整后回光量阈值相比较，若C＞1500，则激光束照射在反光靶标 1上，同样记为“中靶”，执行步骤五，反之即为“脱靶”，执行步骤四。
步骤四、启动舵机云台23寻靶。S1.根据测距装置2脱靶前一刻的掘进距离Lt，反光靶标1的长度Dx和宽度Dy，计算出舵机云台23水平、俯仰转动的角度范围θx和θy：
Figure BDA0002312352290000081
S2.根据计算得出的舵机云台 23水平、俯仰转动的角度范围θx和θy计算出云台在水平和俯仰方向的扫描次数ΔCx和ΔCy:
Figure BDA0002312352290000082
其中，Δθx为水平舵机分辨角，Δθy为俯仰舵机分辨角。为确保扫描中反光靶标1，增大扫描次数为ΔCxmax和ΔCymax，ΔCxnax＝Cx+kx，ΔCynax＝Cy+ky；其中，kx、ky为0-5的任意整数。S3.以脱靶前一刻光束照射在反光靶标1的位置为原点，水平向右为x轴正坐标，竖直向上为y轴正坐标，建立直角坐标系，舵机云台23分别沿坐标系内的y＝x和y＝-x直线方向寻找反光靶标1，直至第一次找到反光靶标1。S4.水平舵机分别以顺时针和逆时针方向扫描ΔCx次，记录下顺时针和逆时针分别扫到反光靶标1的次数Cx1和Cx2；若 Cx1＞Cx2，则水平舵机顺时针扫描
Figure BDA0002312352290000091
次；若Cx1＜Cx2，则水平舵机逆时针扫描
Figure BDA0002312352290000092
次，此时激光照在反光靶标1水平方向的中间位置；俯仰舵机分别以顺时针和逆时针方向扫描ΔCy次，记录下顺时针和逆时针分别扫到反光靶标1的次数Cy1和Cy2；若Cy1＞Cy2，则俯仰舵机顺时针扫描
Figure BDA0002312352290000093
次；若Cy1＜Cy2，则俯仰舵机逆时针扫描
Figure BDA0002312352290000094
次，此时激光照在反光靶标1竖直方向的中间位置；二者结合，测距装置2照射于反光靶标1中心位置，完成寻靶过程。
步骤五、记录之后掘进机5处于掘进状态时掘进距离，记为Dt2，得到掘进机5掘进进尺为：Dt＝Dt2-Dt1。
步骤六、重复上述步骤，完成掘进机5进尺测量。
综上所述，本发明公开的一种掘进机进尺测量方法，通过设置测距装置与反光靶标，进行掘进机进尺的自动测量，以自动测量代替人工测量，测量精度高，且降低了劳动强度；同时可通过激光传感器所测量回光量，判定激光束是否中靶，从而根据要求启动舵机云台，进行寻靶工作，进一步提高距离测量的准确性与完整性。
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和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式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发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种掘进机进尺测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、安装反光靶标(1)和测距装置(2)；所述反光靶标(1)安装于二运皮带机(4)的轨道(3)上方，与轨道(3)相对静止；所述测距装置(2)包括激光传感器(21)、姿态传感器(22)、舵机云台(23)以及数据处理单元(24)，所述舵机云台(23)包括水平舵机、俯仰舵机以及云台；所述测距装置(2)安装于二运皮带机(4)上，调整舵机云台(23)使得激光传感器(21)所发出的激光照射至以反光靶标(1)中心为圆心的半径5cm的圆内；
步骤二、开始工作时，根据激光传感器(21)所测距离和姿态传感器(22)所测加速度，判断当前掘进机(5)的工作状态，并记录掘进机(5)首次处于掘进状态时的掘进距离，记为Lt1；
步骤三、记录激光传感器(21)所测回光量C，与数据处理单元(24)中预设回光量阈值C1相比较，若所测回光量大于阈值，则激光束照射在反光靶标(1)上，记为“中靶”，执行步骤五；反之即为“脱靶”，执行步骤四；
步骤四、启动舵机云台(23)寻靶；S1.根据测距装置(2)脱靶前一刻的掘进距离Lt，反光靶标(1)的长度Dx和宽度Dy，计算出舵机云台(23)水平、俯仰转动的角度范围θx和θy：
Figure FDA0002312352280000011
S2.根据计算得出的舵机云台(23)水平、俯仰转动的角度范围θx和θy计算出云台在水平和俯仰方向的扫描次数ΔCx和ΔCy:
Figure FDA0002312352280000012
其中，Δθx为水平舵机分辨角，Δθy为俯仰舵机分辨角；S3.以脱靶前一刻光束照射在反光靶标(1)的位置为原点，水平向右为x轴正坐标，竖直向上为y轴正坐标，建立直角坐标系，舵机云台(23)分别沿坐标系内的y＝x和y＝-x直线方向寻找反光靶标(1)，直至第一次找到反光靶标(1)；S4.水平舵机分别以顺时针和逆时针方向扫描ΔCx次，记录下顺时针和逆时针分别扫到反光靶标(1)的次数Cx1和Cx2；若Cx1＞Cx2，则水平舵机顺时针扫描
Figure FDA0002312352280000021
次；若Cx1＜Cx2，则水平舵机逆时针扫描
Figure FDA0002312352280000022
次，此时激光照在反光靶标(1)水平方向的中间位置；俯仰舵机分别以顺时针和逆时针方向扫描ΔCy次，记录下顺时针和逆时针分别扫到反光靶标(1)的次数Cy1和Cy2；若Cy1＞Cy2，则俯仰舵机顺时针扫描
Figure FDA0002312352280000023
次；若Cy1＜Cy2，则俯仰舵机逆时针扫描
Figure FDA0002312352280000024
次，此时激光照在反光靶标(1)竖直方向的中间位置；二者结合，测距装置(2)照射于反光靶标(1)中心位置，完成寻靶过程；
步骤五、记录之后掘进机(5)处于掘进状态时掘进距离，记为Lt2，得到掘进机(5)的掘进进尺Lt＝Lt2-Lt1。
步骤六、重复上述步骤，完成掘进机(5)进尺测量。
2.根据权利要求1所述的一种掘进机进尺测量方法，其特征在于，步骤一中，所述测距装置(2)还包括用于监测激光传感器(21)的三轴角度信息α、β、γ、修正距离偏差的角度传感器，所述角度传感器安装于云台上，与激光传感器(21)准确配对；数据处理单元(24)接收激光传感器(21)与角度传感器所监测的数据并进行处理，得出D＝Lcosγcosα，其中，L为激光传感器(21)所测测距装置到反光靶标(1)的距离，D为精确后掘进距离；则首次掘进机(5)处于掘进状态时的掘进距离，记为Dt1；之后掘进机(5)处于掘进状态时掘进距离，记为Dt2，掘进进尺为：Dt＝Dt2-Dt1。
3.根据权利要求2所述的一种掘进机进尺测量方法，其特征在于，所述测距装置(2)还包括防爆壳体(25)、服务器(26)、显示屏(27)以及直流电源(28)；所述防爆壳体(25)上设置有多个用于供电和与外部通信的喇叭口(251)，所述防爆壳体(25)的前端设置有一个玻璃窗(252)，激光传感器(21)所发射激光透过此玻璃窗(252)照射在反光靶标(1)上；所述服务器(26)用于将数据处理单元(24)所获得的数据进行存储，并做进一步处理，将最终结果传输至显示屏(27)显示；所述显示屏(27)用于显示当前掘进机(5)进尺、工作状态、反光靶标(1)状态和云台的三轴角度信息；所述直流电源(28)用于为整个测距装置(2)供电。
4.根据权利要求1所述的一种掘进机进尺测量方法，其特征在于，步骤二中，掘进机(5)工作状态分为上电、掘进、前进、后退以及拖轨道五种；当激光传感器(21)前后两时刻获得的掘进距离数据差|L2-L1|在5mm的范围内波动，姿态传感器(22)测得的加速度数据|a|＜a1时，判断当前掘进机(5)为上电状态；当激光传感器(21)返回的数据逐渐增大，L2-L1＞50mm，姿态传感器(22)测得的加速度数据a1＜|a|＜a2时，判断此时掘进机(5)为前进状态；当激光传感器(21)返回的数据差5mm＜|L2-L1|＜50mm，姿态传感器(22)测得的加速度数据|a|＞a2时，判断此时掘进机(5)为掘进状态；当激光传感器(21)返回的数据逐渐减小，L2-L1＜-50mm，姿态传感器(22)测得的加速度数据a1＜|a|＜a2时，判断当前掘进机(5)为后退状态；当激光传感器(21)返回的数据差|L2-L1|＜5mm，姿态传感器(22)测得的加速度数据|a|＞a2时，判断当前掘进机(5)为拖轨道状态；其中，L1和L2为前后两时刻的掘进距离，a为姿态传感器(22)所测的实时加速度，a1、a2为系统预设的两个加速度阈值，a2＞a1。
5.根据权利要求1所述的一种掘进机进尺测量方法，其特征在于，步骤四中，增大扫描次数为ΔCxmax和ΔCymax，以确保扫描中反光靶标(1)，
Figure FDA0002312352280000031
ΔCynax＝Cy+ky；其中，kx、ky为0-5的任意整数。
6.根据权利要求1所述的一种掘进机进尺测量方法，其特征在于，回光量初始阈值记为C1＝2500；增设回光量阈值选择值C1＝1500，当所测回光量C＞2500，激光束照射在反光靶标(1)上，记为“中靶”，回光量初始阈值保持为C1＝2500；当所测回光量C≤2500时，调整回光量阈值C1＝1500，所测回光量再次与调整后回光量阈值相比较，若C＞1500，则激光束照射在反光靶标(1)上，记为“中靶”，反之即为“脱靶”。
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