CN111156974A - 基于激光标靶的掘进机位姿测量系统 - Google Patents

Abstract

基于激光标靶的掘进机位姿测量系统。本发明涉及一种测量掘进机姿态的系统。所述系统包括：激光测距模块，用于向反射棱镜发射激光并测距；激光云台，安装在掘进机上，用于驱动激光测距模块进行姿态调整，以使得激光测距模块发出的激光照射到激光标靶的前置反射棱镜上；单轴倾角仪，安装在激光测距模块上，用于测量激光测距模块的翻滚角；反射棱镜，利用带切口的全反射棱镜，尖端切口处可以透光，用于配合激光云台跟踪和激光标靶定位；激光标靶，布置在掘进机后方的巷道顶板上，标靶靶面位于反射棱镜的后方，用于检测激光测距模块发射并从反射棱镜切口处穿过的激光光斑位置；处理器，用于解算掘进机位姿。

Description

基于激光标靶的掘进机位姿测量系统

技术领域

本发明属于煤矿掘进机自动化技术领域，具体涉及掘进机的位置和姿态(即，位姿)的实时测量方法。

背景技术

目前，无人化开采是煤炭行业发展的方向和目标，其装备的自动化、智能化和机器人化是无人化的基础和前提。巷道掘进是煤炭开采的重要环节，掘进质量的好坏直接决定着煤炭安全及生产效率。掘进机是巷道掘进的关键装备之一。在综合机械化掘进作业中，掘进机位姿的测量是控制掘进机智能行进，实现无人化掘进的重要环节之一，是实现煤炭无人化开采的的最前端，即感知阶段。研究掘进机位姿自动测量方法，能够实现掘进机在综掘巷道位姿的自动测量，从而为实现无人掘进提供可能性。

专利号为CN104729501A，授权公开日为2015年06月24日的发明专利“基于旋转扇面激光的悬臂式掘进机位姿测量方法”，该专利方案的设计提出了一种基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量系统，即将该系统的扇面激光发射端安装在悬臂式掘进机机身上，扇面激光接收端(包含3个不共线的扇面激光接收器)固定安装在已经由悬臂式掘进机掘出的煤巷后方，扇面激光接收器相对于空间大地坐标系的坐标值由其它测量方式测得。由扇面激光发射端测得扇面激光接收器相对于发射端的坐标值，再通过相应的坐标转换，计算出悬臂式掘进机上固定三点(不共线)相对于空间大地坐标系的三维坐标值。若已知空间刚体上固定三点(不共线)相对于空间大地坐标系的三维坐标值，可计算出该空间刚体的位姿(位置和位姿)数据。该方法通过机载激光器的坐标转换实现了掘进机位姿的测量，但是其需要三个激光接收器，并且三个激光接收器的位置都得已知，激光接收器的移站和定位比较复杂，工况适应性较差。

专利号为CN105203099A，授权公开日为2015年12月30日的发明专利“基于iGPS的掘进机单站位姿测量方法”，该专利方案的设计提出了一种基于iGPS的掘进机单站位姿测量方法，安装单站多点分时测量平台至掘进工作面后方巷道顶板适宜位置处，机载接收器及任务处理器均固定安装在掘进机机身上。各个机载接收器接收不同位置处发射站发出的光信号并转化为电信号传至任务处理器，最后由解算计算机求解出各个机载接收器在全局坐标系中的位置坐标实现空间定位，再通过已知的各个机载接收器位置坐标计算得出掘进机机身的姿态参数。但是该方法需要在掘进机后方多点布站和定位，同样存在移站复杂的问题，并且多点布站会使发射站定位时的累积误差增加。

鉴于以上不足，需要一种减少布站次数和降低测量成本，更便捷的完成掘进机的位姿测量的技术。

发明内容

本发明在于提供一种便捷的低成本的测量掘进机位姿的系统。

根据本发明，提供一种测量掘进机位姿的系统，所述系统包括：激光测距模块，用于向反射棱镜发射激光并测距；激光云台，安装在掘进机上，用于驱动激光测距模块进行姿态调整，以使得激光测距模块发出的激光照射到激光标靶的前置反射棱镜上；单轴倾角仪，安装在激光测距模块上，用于测量激光测距模块的翻滚角；反射棱镜，利用带切口的全反射棱镜，尖端切口处可以透光，用于配合激光云台跟踪和激光标靶定位；激光标靶，布置在掘进机后方的巷道顶板上，标靶靶面位于反射棱镜的后方，用于检测激光测距模块发射并从反射棱镜切口处穿过的激光光斑位置；处理器，用于解算掘进机位姿。

可选地，处理器根据光斑在激光标靶上的位置、激光测距模块倾角以及激光测距模块与反射棱镜的测量距离，确定激光测距模块在激光标靶坐标系下的第一位姿；根据第一位姿、结合作为第二位姿的激光测距模块与掘进机之间的相对位姿、作为第三位的姿激光标靶在现实世界的位姿，确定掘进机在现实世界的位姿。

可选地，激光标靶包括：图像传感器，检测所述激光测距模块在激光标靶上形成的光斑的坐标；通信模块，向激光发射子系统发送指令，其中，所述系统还包括布置在掘进机上的第二通信模块，第二通信模块向第一通信模块发送第二位姿参数。

可选地，激光云台包括：承载体，用于安装激光测距模块；驱动轴，驱动承载体进行俯仰姿态的改变；旋转主体，驱动承载体进行偏航姿态的改变；底座，结合到掘进机；驱动装置，驱动驱动轴和旋转主体进行旋转。

本发明的另一方面提供一种具有上述测量掘进机位姿的系统的掘进机。

根据本发明的测量掘进机位姿的系统，打破了现有测量技术中单时多接收器多点布站和单接收器分时多点布站的技术缺陷，实现了单时单接收器单点布站，简化了测量系统的结构，提高了激光标靶移站布站的效率。

附图说明

图1是本发明的系统组成图；

图2是激光发射子系统。

图3是激光接收子系统。

图4是本发明的数学模型示意图。

图中标记如下：

1：激光接受子系统

2：激光发射子系统

3：掘进机

4：激光测距模块

5：单轴倾角仪

6：承载体

7：驱动轴

8：旋转主体

9：底座

10：图像传感器

11：处理器

12：通信模块

13：激光标靶

14：反射棱镜

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施例的掘进机位姿测量系统。

为清楚、说明的方便，附图可不按比例绘制，并且附图中元件、部件、零件的相对大小、比例和描绘可被夸大。

图1是根据本发明的实施例的测量掘进机位姿的系统组成图。

如图1所示，根据本发明的实施例的测量掘进机位姿的系统包括激光接收子系统1以及激光发射子系统2。

图2是根据本发明的实施例的激光发射子系统。

如图2所示，激光发射子系统2包括激光测距模块4、单轴倾角仪5、承载体6、驱动轴7、旋转主体8、底座9、驱动装置和通信模块(未示出)。

图3是根据本发明的实施例的激光接收子系统。

如图3所示，激光接收子系统1包括图像传感器10、处理器11、通信模块12、激光标靶13、反射棱镜14。反射棱镜14为尖端带切口的全反射棱镜，布置在激光标靶13的前方，用于配合激光测距模块4的测距，同时将激光测距模块4发射的激光束通过尖端切口投射到激光标靶13上。图像传感器10布置在激光标靶13的后方，用于采集激光标靶13上光斑的位置。

激光器发射子系统2的底座9安装在掘进机3上，通过驱动装置调整驱动轴7的角度和旋转主体8的角度来带动承载体6做回转运动，调整激光测距模块4的发射角度，以使得激光点发射到反射棱镜14上，激光测距模块4同时测量其与激光标靶13的距离。

单轴倾角仪5安装在激光测距模块4的上部，用于测量激光测距模块4的翻滚角。

激光接收子系统1布置在掘进机3的外部，由图像传感器10拍摄激光标靶13的图像，该图像包括激光测距模块4照射在激光标靶13上的光斑。这样，可由处理器11根据图像中光斑的位置确定光斑在激光标靶13上的位置，从而确定出光斑在标靶坐标系中的坐标进而解算激光测距模块4的位姿参数进而解算出掘进机3的位姿参数，激光发射子系统2对反射棱镜14的跟踪以及两个子系统的测量参数由通信模块12完成。

图4是根据本发明的实施例的测量掘进机位姿的数学模型示意图。

具体地说，处理器11根据在激光标靶13上的光斑位置、激光测距模块的测量值以及激光测距模块的翻滚角确定激光测距模块4在激光标靶坐标系(O_BX_BY_BZ_B)下的第一位姿。

下面示出计算激光测距模块4与激光标靶13之间的相对位姿的一个示例。

在标靶坐标系中，激光测距模块4打在激光标靶13靶面上的光斑的坐标(0,y,z)与激光测距模块4的激光束的姿态存在二维映射关系，设激光束与X_BO_BY_B平面的夹角为激光测距模块4在标靶坐标系中的俯仰角β₁，激光束与X_BO_BY_B平面的夹角为激光测距模块4在标靶坐标系中的方向角α₁。

翻滚角γ₁由激光测距模块4上的单轴倾角仪5测出。

设置靶面到反射棱镜的距离为s，设激光测距模块到激光标靶的测距值为d，则激光测距模块在标靶坐标系中的位置为：

随后，处理器11可根据第一位姿、作为第二位姿的激光测距模块4的坐标系(O_JX_JY_JZ_J)与掘进机3之间的相对位姿、作为第三位姿的激光标靶13在现实世界的位姿，确定掘进机3在现实世界的位姿。

激光发射子系统2安装固定在掘进机3上，并且驱动激光测距模块4进行姿态调整。因此，可以确定出激光测距模块4相对于底座9的姿态变化，从而可确定出激光测距模块4与掘进机3之间的相对位姿(第二位姿)，例如，可表示为：激光测距模块4在掘进机坐标系下的位姿，或者掘进机3在激光测距模块坐标系下的位姿。

在已知掘进机3与激光测距模块4之间的相对位姿、激光测距模块4与激光标靶13之间的相对位姿、激光标靶13在现实世界的位姿的情况下，可确定出掘进机3在现实世界的位姿。

在一个实施例中，激光接收子系统1还包括通信模块12，发送激光测距模块的跟踪情况。在此情况下，所述系统还包括布置在激光发射子系统2上的第二通信模块，第二通信模块接收通信模块12的指令并把第二位姿发送给处理器11。

可选地，布置第三通信模块在掘进机3上或掘进机3的外部(例如，布置在另一终端(例如，智能手机、台式机、平板电脑、以及其他电子终端))中。

在一个实施例中，为了防止因为激光脱靶导致重新对靶导致的时间浪费，当激光对靶后，随着掘进机3的位姿的改变追踪激光标靶13，使得激光测距模块4发射的激光始终跟踪反射棱镜14。可基于光斑随着掘进机3的位姿的改变而在激光标靶中的位置的变化趋势，调整激光云台，来抵消上述变化趋势。在一个实施例中，当激光对靶后，在激光标靶中心划定预定区域(例如，圆形或矩形)，随着掘进机3的位姿的改变，当激光会向方形区域外部移动时，此时整激光云台使激光测距模块发射的激光向激光标靶13方形区域内部移动，使得激光测距模块4发射的激光始终对中反射棱镜14。

驱动轴9驱动承载体6进行俯仰姿态的改变。承载体6通过激光发射子系统2的驱动轴7进行俯仰姿态的改变，从而带动激光测距模块4进行俯仰姿态的改变。

旋转主体8驱动承载体6进行偏航姿态的改变。激光发射子系统2的旋转主体8可进行左右旋转，从而带动激光测距模块4进行偏航姿态的改变。此时，驱动轴7可经由轴承结合到旋转主体8。旋转主体8安装在底座9上。

本发明的激光发射子系统2不限于图2所示的激光云台，其他可以驱动激光测距模块4进行姿态改变的激光云台也是可行的。例如，驱动轴7可经由轴承结合到底座9，旋转主体8可位于在承载体6中；再例如，考虑到进行对靶跟踪时的方便，激光发射子系统2还可增加使得激光测距模块4进行滚转姿态的改变的机构。

本发明还提供一种具有上述测量掘进机姿态的系统的掘进机。此时，根据本发明的测量掘进机姿态的系统可作为掘进机的一部分集成到掘进机。

虽然上面示出了本发明的实施例，但本领域技术人员应该理解，这些实施例不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于激光标靶的掘进机位姿测量系统，其特征在于，所述系统包括：

激光测距模块，用于向激光标靶发射激光并测距；

激光云台，安装在掘进机上，用于驱动激光测距模块进行姿态调整，以使得激光测距模块发出的激光照射到激光标靶的前置反射棱镜上；

单轴倾角仪，安装在激光测距模块上，用于测量激光测距模块的翻滚角；

反射棱镜，利用带切口的全反射棱镜，尖端切口处可以透光，用于配合激光云台跟踪和激光标靶定位；

激光标靶，布置在掘进机后方的巷道顶板上，标靶靶面位于反射棱镜的后方，用于检测激光测距模块发射并从反射棱镜切口处穿过的激光光斑位置；处理器，用于解算掘进机位姿。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，处理器根据光斑在激光标靶上的位置、测距模块的翻滚角以及激光测距模块的测量距离，确定激光测距模块在激光标靶坐标系下的第一位姿；根据第一位姿、结合作为第二位姿的激光测距模块与掘进机之间的相对位姿、作为第三位的姿激光标靶在现实世界的位姿，确定掘进机在现实世界的位姿。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，激光标靶包括：

图像传感器，采集所述激光测距模块在激光标靶上形成的光斑位置

通信模块，向激光发射子系统发送指令，控制激光云台跟踪反射棱镜；

其中，所述系统还包括布置在掘进机上的第二通信模块，第二通信模块向第一通信模块发送第二位姿参数。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，处理器控制激光云台驱动激光测距模块来跟踪反射棱镜，使得激光测距模块将激光发射到激光标靶上。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，激光云台包括：

承载体，用于安装激光发射装置；

驱动轴，驱动承载体进行俯仰姿态的改变；

旋转主体，驱动承载体进行偏航姿态的改变；

底座，结合到掘进机；

驱动装置，驱动驱动轴和旋转主体进行旋转。

6.一种具有如权利要求1至5中的任意一项所述的测量掘进机位姿的系统的掘进机。

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