CN111121735A - 一种隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统，其包括陀螺全站仪、双目标组件、控制点标识以及无线通讯网络，陀螺全站仪由陀螺装置和全站仪组成，具有自主寻北、测距、搜索目标以及解算三维坐标的功能，双目标组件安装固连在掘进机车体上，与掘进机车体中心位置、艏艉线角度关系确定且稳定；控制点标识安装在井下导线控制点上，配合陀螺全站仪获取本地点坐标；所述陀螺全站仪通过无线局域网络与上级系统之间进行通讯。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、矿井实现无人化开采和掘进的配套设备，给实施开挖的盾构机、掘进机或采煤机等提供高精度位置和方位信息。

Description

一种隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统及方法

技术领域

本发明属于地下或水下密闭空间的自主定位、导航技术领域，特别是一种隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统及方法。

背景技术

在隧道、地铁和矿井等无人化开挖作业过程中，需要知道车体精确的位置和方位信息，才能规划其工作路径，或遥控其实施工作，而上述车体在隧道、矿井中运行或停车时，方位处于随机状态，无法支撑无人作业，要想获得其精确的方位值，需要利用惯导设备和陀螺经纬仪等进行测量。惯导设备提供的方位信息，一方面含有初始误差，当前技术水平可将方位初始误差控制在3′以内；另一方面，惯导的测量误差随时间发散，进一步恶化了方位测量精度。陀螺经纬仪可以提供高精度方位信息，但需要专门架设，且准直车体的方位基准镜，需要操作人员经常介入，无法实现真正意义上的无人化开采。

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的隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统及方法。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统，其包括陀螺全站仪、双目标组件、控制点标识以及无线通讯网络，陀螺全站仪由陀螺装置和全站仪组成，具有自主寻北、测距、搜索目标以及解算三维坐标的功能，双目标组件安装固连在掘进机车体上，与掘进机车体中心位置、艏艉线角度关系确定且稳定；控制点标识安装在井下导线控制点上，配合陀螺全站仪获取本地点坐标；所述陀螺全站仪通过无线局域网络与上级系统之间进行通讯。

而且，双目标组件由目标一、目标二通过支撑杆安装于连接横梁上，目标一、目标二为两个反光棱镜，组合后安装在车体顶部适当位置，方便与后方陀螺全站仪通视。

一种基于权利要求1-2任一项一种隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统的定位定向方法，其包括如下步骤：

1)陀螺全站仪上电启动；

2)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；

3)陀螺全站仪搜索控制点标识并锁定，测得陀螺全站仪至控制点标识基线的方位、距离和高低角，自动解算陀螺全站仪安装位置的三维坐标；

4)陀螺全站仪搜索双目标组件的“目标一”并锁定，测得陀螺全站仪至“目标一”基线的方位、距离和高低角，自动解算“目标一”的三维坐标；

5)制陀螺全站仪搜索双目标组件的“目标二”并锁定，测得陀螺全站仪至“目标二”基线的方位、距离和高低角，自动解算“目标二”的三维坐标；通过对“目标二”方位角、距离的判断和识别，实现对“目标一”和“目标二”的区分；

6)解算双目标组件横梁方位，进而解算掘进机车体艏艉线方位；

7)通过无线通讯网络向上级系统发布测量成果。

本发明的优点和有益效果为：

1.本发明隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统，利用陀螺全站仪结合新设计的双目标组件，实现了车体的自主定位和定向，很大程度上保证了较长时间内无人参与或少人参与的效果，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，陀螺装置利用陀螺仪的定轴性和进动性，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。陀螺装置测量真北方位简单迅速，不受时间、空间约束，常用于公路/铁路隧道、地铁和矿山等的测量应用。

2.本发明隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统，双目标组件是一种以棱镜为反射目标的合作目标，为陀螺全站仪提供测量目标，具备搜索和跟踪目标功能的陀螺全站仪可轻易搜索到该组件的两个棱镜，并可交替跟踪，实现车体方位实时测量和监视。

3.本发明隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统及定位定向方法，适用于隧道、矿井实现无人化开采和掘进的配套设备，给实施开挖的盾构机、掘进机或采煤机等(下文统称车体)提供高精度位置和方位信息，尤其适用于矿井掘进机在掘进面的无人化工作。

附图说明

图1为本发明隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统安装示意图；

图2为本发明的双目标组件示意图。

附图标记说明：

1-车体、2-双目标组件、3-陀螺全站仪、4-车体艏艉线、5-控制点标识、6—目标一，7-目标支撑杆，8-横梁，9-目标二、10-角度调节座。

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所示，一种隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统，其包括陀螺全站仪3、双目标组件2、控制点标识5以及无线通讯网络，陀螺全站仪由陀螺装置和全站仪组成，采用中船重工七0七研究所生产的AGT-5型陀螺装置和全站仪组。具有自主寻北、测距、搜索目标以及解算三维坐标的功能。陀螺全站仪挂装在巷道顶部，牢固且稳定，距离工作面数米至数百米，确保能与双目标组件通视。陀螺全站仪测量双目标组件的位置，进而解算车体的位置和方位，借助无线局域网络发送至上级系统。陀螺全站仪的主要功能包括：一是搜索控制点标识，解算自身位置的坐标；二是搜索、跟踪双目标组件，测算双目标位置及组件横梁的真北方位。

双目标组件安装固连在掘进机车体1上，与掘进机车体中心位置、艏艉线4角度关系确定且稳定。双目标组件由目标一6、目标二9通过支撑杆8安装于连接横梁上，目标一、目标二为两个反光棱镜，通过角度调节座10，安装在车体顶部适当位置，调节角度后，可方便与后方陀螺全站仪通视。其横梁与车体艏艉线相对关系稳定，且经过精确标校。双目标组件见图2所示。两个目标中心点之间的长度视车体宽度而定，1.5m～3m之间。

控制点标识安装在井下导线控制点上，配合陀螺全站仪获取本地点坐标，为陀螺全站仪反算获得其安装位置的三维坐标提供合作目标。所述陀螺全站仪通过无线局域网络与上级系统之间进行通讯。控制点标识采用反光棱镜，通过安装座安装。

陀螺全站仪搜索并锁定双目标组件的“目标一”，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“目标一”的三维坐标，陀螺全站仪搜索并锁定“目标二”，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“目标二”的三维坐标。

解算双目标组件横梁方位及车体方位；利用无线局域网络将车体的三维坐标及艏艉线方位值发送至上级系统，进行两个目标快速搜索和识别。

陀螺全站仪挂装于车体后方，自动搜索、跟踪安装于车体上的双目标组件，并利用井下控制点位置信息，及其测算的坐标、方位、距离等信息解算出双目标坐标及其基线方位，进而解算出精确的车体方位角，供控制系统对车体实施精确控制，实现盾构、采掘面开挖掘进的无人化作业。

一种基于隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统的定位定心方法，其包括如下步骤：

1、陀螺全站仪安装：

陀螺全站仪挂装在巷道顶部，距离工作面数米至数百米，确保陀螺全站仪的望远镜与双目标组件通视；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，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标识更换为控制点标识。

3、遥控加电：

各设备安装就绪后，上级系统利用无线网络对陀螺全站仪遥控上电，上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、搜索双目标组件、坐标和方位值解算以及数据传输等工作。

4、测量输出：

通过操作人员遥控车体运行及工作；或者是预规划车体行进路径进行控制。

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.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.制陀螺全站仪搜索双目标组件的“目标一”并锁定，测得陀螺全站仪至“目标一”基线的方位、距离和高低角，自动解算“目标一”的三维坐标；

D.制陀螺全站仪搜索双目标组件的“目标二”并锁定，测得陀螺全站仪至“目标二”基线的方位、距离和高低角，自动解算“目标二”的三维坐标；通过对“目标二”方位角、距离等的综合判断和识别，实现对“目标一”和“目标二”的区分；

E.解算双目标组件横梁方位，进而解算车体艏艉线方位；

F.通过无线通讯网络向上级系统发布测量成果。

5、陀螺全站仪安装位置前移:

随着工作面逐步向前推进，陀螺全站仪和双目标组件无法通视后，更换陀螺全站仪安装位置，使其保持与双目标组件通视。

6、控制点标识安装位置前移:

随着采掘工作面逐步向前推进，陀螺全站仪和双目标组件无法通视后，更换控制点标识至距离陀螺全站仪更近的控制点上。

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 (3)

1.一种隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统，其特征在于：包括陀螺全站仪、双目标组件、控制点标识以及无线通讯网络，陀螺全站仪由陀螺装置和全站仪组成，具有自主寻北、测距、搜索目标以及解算三维坐标的功能，双目标组件安装固连在掘进机车体上，与掘进机车体中心位置、艏艉线角度关系确定且稳定；控制点标识安装在井下导线控制点上，配合陀螺全站仪获取本地点坐标；所述陀螺全站仪通过无线局域网络与上级系统之间进行通讯。

2.根据权利要求1所述一种隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统，其特征在于：双目标组件由目标一、目标二通过支撑杆安装于连接横梁上，目标一、目标二为两个反光棱镜，组合后安装在车体顶部适当位置，方便与后方陀螺全站仪通视。

3.一种基于权利要求1-2任一项一种隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统的定位定向方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)陀螺全站仪上电启动；

2)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；

3)陀螺全站仪搜索控制点标识并锁定，测得陀螺全站仪至控制点标识基线的方位、距离和高低角，自动解算陀螺全站仪安装位置的三维坐标；

4)陀螺全站仪搜索双目标组件的“目标一”并锁定，测得陀螺全站仪至“目标一”基线的方位、距离和高低角，自动解算“目标一”的三维坐标；

5)制陀螺全站仪搜索双目标组件的“目标二”并锁定，测得陀螺全站仪至“目标二”基线的方位、距离和高低角，自动解算“目标二”的三维坐标；通过对“目标二”方位角、距离的判断和识别，实现对“目标一”和“目标二”的区分；

6)解算双目标组件横梁方位，进而解算掘进机车体艏艉线方位；

7)通过无线通讯网络向上级系统发布测量成果。

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