CN111044042B - 基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航系统，其包括主控系统、惯导设备、陀螺全站仪、车体合作目标、井下控制点标识以及无线通讯网络,所述主控系统、惯导设备、陀螺全站仪之间通过无线局域网络进行数据传输连接；陀螺全站仪对惯导设备提供组合校正信息。本发明基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航系统及方法，适用于隧道、地铁、矿井等地下密闭空间盾构机、掘进机等大型机械的高精度定位、定向和测姿系统。

Description

基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航系统及方法

技术领域

本发明属于掘进机定位导航技术领域，涉及一种基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航系统及方法。

背景技术

目前，以智能化、自动化的调度系统为主，利用高速、大容量的数字化网络实现智能规划与采矿管理，通过对矿山各个环节的实时、动态监控与控制，配合人工智能的识别与分析，实现矿山开采的安全、高效为目的的智慧矿山概念日益成熟，并在逐步实现。智慧矿山通常划分为三个系统：智慧生产系统、智慧职业健康与安全管理系统和智慧技术与后勤保障系统。智慧生产系统包括开采工作面和掘进工作面的智能化，对于煤矿来讲，就是以无人值守采煤掘进技术为代表的智能综采工作面和无人掘进工作面。对于非煤矿山来说，是以智能化、自动化采矿技术为代表的无人采矿工作面和无人掘进工作面系统。

进入21世纪以来，国外煤矿开采追求“安全、高效、简单、实用、可靠、经济”的原则，其智能开采的技术思路是：通过钻孔地质勘探和掘进相结合的方式，描绘工作面煤层的赋存分布，通过惯导设备获知采煤机的三维坐标，两者结合实现工作面的全自动采掘。

惯导设备是一种通过测量载体的加速度，自动进行积分运算，获得载体瞬时速度、位置和姿态数据的捷联式惯导设备(Strap-down Inertial measurement unit，SINS)。惯导设备由“惯性测量单元”(Inertial measurement unit，IMU)、“导航计算机”和其它设备组成。IMU由三只单自由度陀螺(凡指光纤陀螺、激光陀螺、微机械陀螺等)和三只加速度计(凡指石英加速度计、液浮加速度计、微机械加速度计等)；导航计算机采用相应的计算程序，解算SINS的“导航信息”以及对IMU的控制指令。SINS导航信息的精度在很大程度上取决于所用陀螺仪和加速度计的性能。因此，在惯导设备精密测量系统中，除了在成本允许的条件下选用高精度的惯性元件外，重点内容是惯导设备与其它可利用信息的“组合导航”方法，利用外部参考信息对SINS的误差进行适时“补偿”。

陀螺全站仪是一种能自主测量真北方位角的设备，由陀螺装置、全站仪和挂装架组成。该设备测量真北方位简单迅速，不受时间约束，常用于公路、铁路、隧道和矿山等的测量应用。它利用陀螺仪的定轴性和进动，采用金属吊带悬挂重心下移的陀螺灵敏部来敏感地球自转角速度水平分量，在重力作用下，产生向北进动的力矩，使得陀螺仪主轴围绕地球子午面往复摆动，从而测定真北方位角。并将真北方位传递至全站仪望远镜视准轴，当望远镜瞄准被测目标后，即可直接输出该目标与测站连线的真北方位角。

采煤机一般采用“惯导设备”+“里程计”的组合模式，用里程计信息对惯导设备进行外信息“阻尼”，抑制其误差发散。针对矿山生产系统掘进工作面无人值守需求，以往很多专利和文章中都提到了利用INS、“INS+里程计”测量输出采煤机位置、方位和姿态的方法，但掘进机无法提供里程信息，或者无法提供精确的里程信息，因此，无法保证惯导设备在整个工作周期内输出高精度的位置、方位信息。

因此，本发明采用后置陀螺全站仪对安装在掘进机车体上的合作目标进行跟踪和测量，解算获得惯导设备位置信息，适时将其发送至惯导设备，惯导设备进行自校正，确保长期测量输出高精度的位置、方位和姿态信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航系统，以期实现掘进机的长周期、高精度定位、定向、测姿和振动检测。

本发明还提供一种基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航方法。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航系统，其包括主控系统、惯导设备、陀螺全站仪、车体合作目标、井下控制点标识以及无线通讯网络；所述主控系统采用计算机设备，用于地面或井下安全区域人员控制井下掘进机；所述惯导设备安装在掘进机车体上适当位置，惯导设备测量输出的位置、方位、姿态和振动信息即代表掘进机的位置、方位、姿态和振动信息；所述陀螺全站仪可实现自主寻北、测距、搜索车体合作目标以及解算三维坐标；所述合作目标安装在掘进机车体上，与惯导设备相对位置关系确定，并已知二者三维坐标差，车体合作目标与陀螺全站仪通视；控制点标识安装在井下控制点上配合陀螺全站仪获取本地点坐标；所述主控系统、惯导设备、陀螺全站仪之间通过无线局域网络进行数据传输连接；陀螺全站仪对惯导设备提供组合校正信息。

而且，所述控制点为矿井导线控制点。

而且，所述陀螺全站仪挂装在距离掘进机数米至数百米的巷道顶部。

而且，所述主控系统为IBASE,AMI210-PE遥控主机；陀螺全站仪采用UAGT-1陀螺罗盘与LEICA TS60全站仪组合；所述惯导设备采用L9-CK-01惯导设备。

一种基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航方法，其包括如下步骤：

1)利用陀螺全站仪自寻北功能获得真北方位，陀螺全站仪输出值即为望远镜视准轴与真北方位之间的夹角；

2)控制陀螺全站仪搜索井下控制点标识并锁定，测得陀螺全站仪至井下控制点基线的方位、距离和高低角，自动解算陀螺全站仪安装位置的三维坐标；

3)控制陀螺全站仪搜索车体合作目标并锁定，测得陀螺全站仪至合作目标基线的方位、距离和高低角，自动解算车体合作目标的三维坐标；

4)陀螺全站仪通过无线局域网络将所测信息发送至主控系统，信息包括陀螺仪安装位置三维坐标，合作目标的方位、距离、三维坐标，主控系统解算惯导设备安装位置坐标；

5)主控系统通过无线方式适时将惯导设备位置信息发送至惯导设备；

6)惯导设备利用主控系统发送的位置信息进行自校正，保持输出高精度位置、方位、姿态和振动信息，并将惯导设备输出的位置、方位、姿态和振动信息以无线方式发送主控系统。

而且，所述惯导设备通过主控系统干预转换状态，或者掘进机工作状态切换指令自动转换状态；或者根据主控系统下达给掘进机的工作指令进行转换。

而且，所述惯导设备具备对主控机发送的校正信息的检测功能，依据工作状态、近期数据等条件判断校正信息的健康性。

而且，所述陀螺全站仪具备休眠功能，通过两种主控系统干预，下达休眠指令实现休眠功能；或者陀螺全站仪通过某些工作状态及其保持时间判断，自主进入休眠时间。

而且，陀螺全站仪具备唤醒功能，通过主控系统干预唤醒，下达唤醒指令；或者陀螺全站仪依据接收的车体、惯导设备指令进行判断，自主唤醒。

本发明的优点和有益效果为：

1.本发明基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航系统及方法，适用于隧道、地铁、矿井等地下密闭空间盾构机、掘进机等大型机械的高精度定位、定向和测姿系统。

附图说明

图1为本发明的系统组成示意图；

图2为本发明的控制原理方框图。

附图标记说明：

1-井下掘进机、2-惯导设备、3—车体合作目标、4—陀螺全站仪、5-井下控制点标识、6—主控系统。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1-2所示，一种基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航系统，其包括主控系统6、惯导设备2、陀螺全站仪4、车体合作目标3、井下控制点标识5以及无线通讯网络。

主控系统采用IBASE,AMI210-PE遥控主机，用于地面或井下安全区域人员控制井下掘进机，遥控主机连接有DIR-602型无线通讯模块；惯导设备采用L9-CK-01惯导设备，惯导设备设置有HF-2211无线通讯模块、电源及开关模块，安装在井下掘进机1车体上适当位置，惯导设备测量输出的位置、方位、姿态和振动信息即代表掘进机的位置、方位、姿态和振动信息。车体合作目标采用改装棱镜，安装在井下掘进机车体上，与惯导设备相对位置关系确定，并已知二者三维坐标差，车体合作目标与陀螺全站仪通视；陀螺全站仪采用UAGT-1陀螺罗盘与LEICA TS60全站仪组合，全站仪连接HF-2211无线通讯模块、电源及开关模块，可实现自主寻北、测距、搜索车体合作目标以及解算三维坐标，陀螺全站仪挂装在距离掘进机数米至数百米的巷道顶部；井下控制点标识，采用改装棱镜，安装在井下控制点上配合陀螺全站仪获取本地点坐标，控制点为矿井导线控制点。主控系统与惯导设备、陀螺全站仪之间通过无线局域网络进行数据传输连接；陀螺全站仪对惯导设备提供组合校正信息。

惯导设备测量输出掘进机的位置、方位和姿态信息。惯导设备工作状态分为无阻尼和组合工作状态。无阻尼工作状态也称为纯惯导工作状态，这种状态下，位置误差和方位误差发散较快，并不适用于精密测量，如：轨道测量、管线测量以及井下测量，因此，大多数工作时间内，惯导设备处于组合工作状态。本发明采用陀螺全站仪和惯导设备组合，利用陀螺全站仪提供的精确位置信息进行定期校正。掘进机截割过程中，无法保证陀螺全站仪和车体合作目标通视，惯导设备工作在零速组合工作状态。

陀螺全站仪适时为惯导设备提供精确校正信息。陀螺全站仪的主要功能包括：一是搜索、跟踪合作目标，二是测量目标真北方位、距离和高低角，结合自身位置坐标解算目标精确坐标。利用陀螺全站仪测量获得车体合作目标的三维坐标，经过位置改正后，借助无线局域网络，将惯导设备的三维坐标传输至惯导设备。

车体合作目棱镜标辅助陀螺全站仪精确定位惯导设备。车体合作目标由反光棱镜和安装基座组成，其主要功能是提供容易搜索的目标供陀螺全站仪搜索、跟踪，实现测距和测角。

陀螺全站仪搜索、锁定控制点标识后，利用其测量的距离、方位和高低角，以及已知的控制点坐标，反算获得其安装位置的三维坐标。当井下条件允许时(陀螺全站仪和车体合作目标通视)，陀螺全站仪进行第二次搜索，搜索并锁定车体合作目标，利用其测量的距离、方位和高低角，以及自身位置的坐标，解算车体合作目标的三维坐标。车体合作目标和惯导设备位置关系确定，坐标差值已知，从而得到惯导设备的三维坐标。陀螺全站仪利用无线局域网络将惯导设备的三维坐标发送至主控系统，主控系统将该坐标转发至惯导设备，惯导设备进行自校正。

利用人工智能算法，进行多元信息融合，提高车体位置、方位和姿态信息的精确度、可靠性，保障无人采掘的精准度、安全性和可靠性。

一种基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航方法，其包括如下步骤：

1.陀螺全站仪安装：螺全站仪挂装架设在距离工作面数米至数百米距离的巷道顶部，确保陀螺全站仪的望远镜与车体合作目标通视；陀螺全站仪安装完毕后，利用其调平机构，人工或自动将其调整至水平。

2.控制点标识安装：控制点为矿井内导线测量控制点，一般情况下，该控制点用铁钉标识，为方便陀螺全站仪搜索和瞄准，将距离陀螺全站仪较近的控制点铁钉更换为控制点标识，控制点标识采用棱镜。

3.遥控加电：

各设备安装就绪后，主控系统利用无线网络依次对各设备实施遥控加电。首先给陀螺全站仪遥控加电，加电后陀螺全站仪自动进入工作流程，依次完成自检、寻北、搜索控制点标识、搜索车体合作目标、坐标解算以及数据传输等工作；然后给惯导设备遥控加电，加电完成后，惯导设备接收陀螺全站仪无线发送的位置信息，自动进入初始对准流程，完成初始对准后，根据接收到的车体工作指令转换至相应的工作状态。

4.实时测量输出：

无人值守的掘进面工作有两种方式：一是主控系统端人为遥控掘进机实时掘进；二是采用SLAM技术进行预规划掘进。遥控指令的次序一般为启动掘进机、前进、停车、支撑、开始截割、停止截割等。任务进行的任何阶段，惯导设备自动、实时输出掘进机的位置、方位、姿态和振动信息，并通过无线局域网实时发送至主控系统。具体步骤为：

A.利用陀螺全站仪自寻北功能获得真北方位，陀螺全站仪输出值即为望远镜视准轴与真北方位之间的夹角。

B.控制陀螺全站仪搜索井下控制点标识并锁定，测得陀螺全站仪至井下控制点基线的方位、距离和高低角，自动解算陀螺全站仪安装位置的三维坐标；

C.控制陀螺全站仪搜索车体合作目标并锁定，测得陀螺全站仪至合作目标基线的方位、距离和高低角，自动解算车体合作目标的三维坐标；

D.陀螺全站仪通过无线局域网络将所测信息发送至主控系统，信息包括陀螺仪安装位置三维坐标，合作目标的方位、距离、三维坐标，主控系统解算惯导设备安装位置坐标；

E.主控系统通过无线方式适时将惯导设备位置信息发送至惯导设备；

F.惯导设备利用主控系统发送的位置信息进行自校正，保持输出高精度位置、方位、姿态和振动信息，并将惯导设备输出的位置、方位、姿态和振动信息以无线方式发送主控系统。

惯导设备通过主控系统干预转换状态，或者掘进机工作状态切换指令自动转换状态；或者根据主控系统下达给掘进机的工作指令进行转换。

惯导设备具备对主控机发送的校正信息的检测功能，依据工作状态、近期数据等条件判断校正信息的健康性。

陀螺全站仪具备休眠功能，通过两种主控系统干预，下达休眠指令实现休眠功能；或者陀螺全站仪通过某些工作状态及其保持时间判断，自主进入休眠时间。陀螺全站仪具备唤醒功能，通过主控系统干预唤醒，下达唤醒指令；或者陀螺全站仪依据接收的车体、惯导设备指令进行判断，自主唤醒。

5)更换陀螺全站仪安装位置:

随着采掘工作面逐步向前推进，至陀螺全站仪和车体合作目标无法通视后，更换陀螺全站仪安装位置，使其保持与车体合作目标通视。

6)控制点标识安装位置更换:

随着采掘工作面逐步向前推进，至陀螺全站仪和车体合作目标无法通视后，更换陀螺全站仪安装位置。为了方便陀螺全站仪瞄准控制点，将控制点标识更换至距离陀螺全站仪附近的控制点上。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）利用陀螺全站仪自寻北功能获得真北方位，陀螺全站仪输出值即为望远镜视准轴与真北方位之间的夹角；

2）控制陀螺全站仪搜索井下控制点标识并锁定，测得陀螺全站仪至井下控制点基线的方位、距离和高低角，自动解算陀螺全站仪安装位置的三维坐标；

3）控制陀螺全站仪搜索车体合作目标并锁定，测得陀螺全站仪至车体合作目标基线的方位、距离和高低角，自动解算车体合作目标的三维坐标；

4）陀螺全站仪通过无线局域网络将所测信息发送至主控系统，信息包括陀螺全站仪安装位置三维坐标，车体合作目标的方位、距离、三维坐标，所述车体合作目标安装在掘进机车体上，与惯导设备相对位置关系确定，并已知二者三维坐标差，主控系统解算惯导设备安装位置坐标；

5）主控系统通过无线方式适时将惯导设备位置信息发送至惯导设备；

6）惯导设备利用主控系统发送的位置信息进行自校正，保持输出高精度位置、方位、姿态和振动信息，并将惯导设备输出的位置、方位、姿态和振动信息以无线方式发送主控系统。

2.根据权利要求1所述基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航方法，其特征在于：所述惯导设备通过主控系统干预转换状态，或者掘进机工作状态切换指令自动转换状态；或者根据主控系统下达给掘进机的工作指令进行转换。

3.根据权利要求1所述基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航方法，其特征在于：所述惯导设备具备对主控机发送的校正信息的检测功能，依据工作状态、近期数据条件判断校正信息的健康性。

4.根据权利要求1所述基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航方法，其特征在于：所述陀螺全站仪具备休眠功能，通过主控系统干预，下达休眠指令实现休眠功能；或者陀螺全站仪通过某些工作状态及其保持时间判断，自主进入休眠时间。

5.根据权利要求1所述基于陀螺全站仪和惯导设备的掘进机定位导航方法，其特征在于：陀螺全站仪具备唤醒功能，通过主控系统干预唤醒，下达唤醒指令；或者陀螺全站仪依据接收的车体、惯导设备指令进行判断，自主唤醒。

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