CN111156976B - 一种掘进机位姿数据测量系统及其测量方法 - Google Patents

一种掘进机位姿数据测量系统及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于旋转标靶的掘进机位姿数据测量系统及其测量方法，属于掘进机位姿数据测量技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种基于旋转标靶的掘进机位姿数据测量系统硬件结构及其测量方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：包括掘进机和活动设置在掘进巷道顶板上的激光指向仪，所述激光指向仪设置在掘进机的后侧，所述掘进机的机身上侧平行设置有一对旋转标靶，所述旋转标靶包括连杆和靶框，所述连杆的一端与靶框焊接固定，所述连杆的另一端与掘进机机身上设置的旋转电机的动作端相连，所述旋转电机嵌入掘进机机身内部；所述掘进机的内部还设置有控制电路板和倾角传感器，所述控制电路板上集成有微控制器；本发明应用于掘进机位姿数据测量场所。

Description

一种掘进机位姿数据测量系统及其测量方法
技术领域
本发明一种基于旋转标靶的掘进机位姿数据测量系统及其测量方法，属于掘进机位姿数据测量技术领域。
背景技术
掘进机是一种能够实现截割、装载运输功能的联合机组，目前煤岩掘进场所中使用的是悬臂式巷道掘进机；在使用过程中，掘进机的定向对掘进巷道方向、坡度具有重要意义。
在传统的巷道掘进过程中，为了保持掘进设备始终处于正确的掘进方向，需要掘进机司机人工随时观察，准确跟随激光指向仪的激光指向点进行掘进施工；随着矿山巷道掘进工程质量和效率要求的提高，对掘进机的自动化掘进工作提出需求，迫切需要采用自动控制方法完成掘进机的掘进工作，以降低现场工人的工作强度，提高掘进效率。
掘进机位姿自动测量是实现掘进机自动控制的前提，为了实现掘进机的位姿测量，需要建立起掘进设备自身的位置坐标，有了这个坐标，才有了掘进方向及掘进方向的控制，使掘进机具备自动掘进功能；现有的测量装置和测量方法由于受到掘进工作地形复杂、环境恶劣等因素影响，导致测量装置结构复杂，测量精度低，在利用惯性导航技术使用中，长时间工作会存在累计误差、漂移等无法避免的缺陷，且对于高震动场合更是难以保证准确度。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于旋转标靶的掘进机位姿数据测量系统硬件结构及其测量方法的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于旋转标靶的掘进机位姿数据测量系统，包括掘进机和活动设置在掘进巷道顶板上的激光指向仪，所述激光指向仪设置在掘进机的后侧，所述掘进机的机身上侧平行设置有一对旋转标靶，所述旋转标靶包括连杆和靶框，所述连杆的一端与靶框焊接固定，所述连杆的另一端与掘进机机身上设置的旋转电机的动作端相连，所述旋转电机嵌入掘进机机身内部；
所述掘进机的内部还设置有控制电路板和倾角传感器，所述控制电路板上集成有微控制器；
所述旋转标靶用于接收激光指向仪发出的激光束，所述靶框的框内并列设置有多个标靶单元，所述标靶单元具体为由光敏二极管组成的激光捕获电路板；
所述微控制器通过导线与标靶单元的信号输出端相连；
所述微控制器通过导线与旋转电机、倾角传感器相连；
所述微控制器还通过导线连接有数据存储模块；
所述微控制器的电源输入端与电源模块相连。
所述微控制器使用的芯片为控制芯片U1，所述微控制器的电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚、9脚、24脚、36脚、48脚接3.3V输入电源；
所述控制芯片U1的2脚、3脚、38脚、39脚、45脚、46脚与旋转电机的控制端相连；
所述控制芯片U1的4脚串接电阻R61和二极管LED1后接地；
所述控制芯片U1的5脚并接晶振XT1的一端后与电容C16的一端相连；
所述控制芯片U1的6脚并接晶振XT1的另一端后与电容C17的另一端相连，所述电容C17的另一端并接电容C16的另一端、电容C14的一端后接地；
所述电容C14的另一端并接电阻R59的一端、控制开关SW1的一端后与控制芯片U1的7脚相连；
所述电阻R59的另一端接3.3V输入电源，所述控制开关SW1的另一端接地；
所述控制芯片U1的10脚至22脚通过多路复用器与标靶单元的信号输出端相连；
所述控制芯片U1的25脚至28脚与数据存储模块相连；
所述控制芯片U1的29脚、30脚、31脚通过485收发器与旋转电机的信号输出端相连；
所述控制芯片U1的34脚、37脚与倾角传感器的信号输出端相连。
所述控制芯片U1的型号为STM32F103CBU6；
所述多路复用器内部使用的芯片型号为74HC4051；
所述485收发器的型号为MAX3485；
所述数据存储模块内部使用的芯片型号为74HC595；
所述电源模块内部使用的芯片型号为配电开关TPS2552和稳压器RT9013。
一种基于旋转标靶的掘进机位姿数据测量方法，包括如下步骤：
步骤一：将掘进机设置在待掘进巷道中，在掘进机后侧的巷道顶板上安装激光指向仪，所述激光指向仪具体设置在巷道顶板的中心线位置，所述激光指向仪的激光发射角度与巷道的掘进方向相一致；
步骤二：在掘进机机身上安装一对旋转标靶，所述旋转标靶垂直安装在掘进机机身上侧的旋转电机上，所述两个旋转标靶上的靶框相互之间平行设置；
步骤三：控制掘进机开始掘进作业，通过人工调整激光指向仪的安装位置和激光发射角度，使激光指向仪发射的激光束可以打在两个旋转标靶的靶框上，所述激光标靶可以通过激光捕获电路板获取到当前激光束打在相应标靶单元上的坐标位置，坐标位置数据包括左右位置（Ax，Bx）和上下位置（Ay，By），标靶单元将所述的坐标位置数据通过导线发送至微控制器做进一步处理；
步骤四：所述倾角传感器同时采集掘进机当前的掘进俯仰角数据（Yaw），倾角传感器将所述的俯仰角数据通过导线发送至微控制器做进一步处理；
步骤五：所述微控制器的计算参数中包括预设的距离参数，其中定义激光指向仪发射激光束到达第一个旋转标靶的距离为L1，两个旋转标靶之间的距离为L0，结合接收到的激光坐标数据可以计算并得出当前掘进机的位姿测量数据：
其中俯仰角（Yaw）的计算公式为：
Figure 235531DEST_PATH_IMAGE001
；
航向角（Pitch）的计算公式为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE002
；
翻滚角（Roll）数据即为倾角传感器（5）的测量数据；
水平位移（dx）的计算公式为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE003
；
高度位移（dy）的计算公式为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE004
；
深度位移（dz）的计算公式为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE005
；
在上式的坐标系中，定义X轴为巷道掘进面的宽度，Y轴为巷道掘进面的高度，Z轴为巷道掘进方向的深度；
上述Ax和Bx分别是激光束打在第一个和第二个旋转标靶上的点所在位置的x坐标；
上述Ay和By分别是激光束打在第一个和第二个旋转标靶上的点所在位置的y坐标。
所述步骤三中激光束打在旋转标靶上的坐标数据计算方法如下：
要求计算得出的坐标数据包括激光打在第一个旋转标靶上的A点坐标（Ax，Ay）和激光打在第二个旋转标靶上的B点坐标（Bx，By）；
进行数据处理前，微控制器首先对旋转电机反馈的旋转角度数据θ进行接收处理，即已知激光捕获电路板的旋转角度θ和激光束打在旋转标靶上的光点半径r，可以将该极坐标转换为相应的直角坐标：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE007
；
所述旋转标靶内部由多个标靶单元并列设置在靶框中，掘进机位姿变化时，不同位置的标靶单元都有可能捕获到激光点，由此将单个标靶单元上的A点激光坐标转换到整个旋转标靶的坐标为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；
根据同样算法和数学模型，对于另一个平行放置的激光标靶，可以获取相应的B点激光坐标为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
；
所述微控制器将计算得出的上述坐标数据发送至数据存储模块进行存储。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供一种掘进机位姿数据测量装置，该装置可以和现有煤矿使用的激光指向仪功能相结合，实现对工作中掘进机位姿数据的实时测量；本发明通过在掘进机机体上加装两个可转动式激光标靶，使其在掘进机工作过程中全时段测量当前掘进机的位置和姿态，从而可以实现掘进机在工作过程中的位姿态补偿，并将其反馈回监控计算机中，最终实现掘进机的自动化掘进工作；本发明基于目前正在使用的激光指向仪，实时获取巷道中线和腰线，定位精度高，可以有效提高掘进效率，整个测量系统安装调试方便，可实现掘进机的精确定位要求。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明掘进机内部控制电路的结构示意图；
图3为本发明微控制器的电路图；
图4为本发明单个旋转标靶中极坐标和直角坐标转换的模型图；
图5为本发明多个旋转标靶中极坐标和直角坐标转换的模型图；
图6为本发明测量计算掘进机俯仰角的模型图；
图7为本发明测量计算掘进机航向角的模型图；
图8为本发明掘进机位姿测量的数据处理流程图；
图中：1为激光指向仪、2为连杆、3为靶框、4为旋转电机、5为倾角传感器、6为微控制器、7为标靶单元、8为数据存储模块、9为电源模块。
具体实施方式
本发明提供一种基于旋转标靶的掘进机位姿数据测量系统及其测量方法，主要涉及煤矿井下巷道或者铁路、公路隧道掘进所使用的掘进机定位技术，包括相应的位姿参数测量装置及其测量方法，对实现掘进机的自动化控制具有重要作用。
本发明主要包括设置在掘进巷道顶板上的激光指向仪，所述激光扫描仪由相关地测部门安放，用于指明所掘进巷道的中线和腰线，并每隔一段时间通过人工方式向前移动，重新定位设置；
如图1至图3所示，所述掘进机的机身前后设置有两个平行放置的多旋转激光标靶，在使用时，要求激光指向仪的激光束打在两个激光标靶上；所述移动式激光标靶主要由光敏二极管构成，当某个光敏二极管接收到一定频谱范围内的光照时，根据光照强度不同，二极管的导通电阻不同，控制器扫描和光敏二极管相连接的行（ROW）、列（COLUMN）线上的二极管电压变化，并根据该电压差获取激光点接收点所在位置；
所述掘进机内部设置有掘进机控制器，该控制器通过通信导线与两个平行放置的多旋转激光标靶实现双向通信，该控制器还通过导线与倾角传感器相连；
所述掘进机内部还设置有倾角传感器，用于测量掘进机的翻滚角，并将获得的角度数据通过导线发送给掘进机控制器。
所述旋转标靶由多个标靶单元并列放置在一个矩形框架中，每个标靶单元由光敏二极管及相应的控制器组成激光捕获电路板，激光捕获电路板沿圆心旋转，每个标靶单元安装在不同水平面，因此彼此之间有部分重叠区域，激光捕获电路板的旋转角度θ可以由控制器内的旋转编码器计算获得，激光束打在旋转标靶上的半径r数据可以由激光标靶上的控制器获得；
如图4所示，根据旋转标靶所捕获的激光束位置，即已知激光捕获电路板的旋转角度θ和激光束打在旋转激光靶上的半径r，可以将此极坐标转换为直角坐标：
Figure 136360DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 916097DEST_PATH_IMAGE007
；
如图5所示，由于所述多旋转激光标靶由多个标靶单元并列放置在一个矩形框架中，由于掘进机位姿变化，不同位置的标靶单元都有可能捕获到激光点，由此可以将单个标靶单元的坐标转换到整个旋转标靶的坐标：
Figure 311306DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 125678DEST_PATH_IMAGE009
；
根据同样算法和数学模型，对于另一个平行放置的旋转标靶，可以获取其坐标：
Figure 400671DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure 667704DEST_PATH_IMAGE011
；
如图6和图7所示，本发明为实现掘进机对巷道断面的自动截割功能，实时测量掘进机的掘进位置和机身姿态参数，通过在掘进机上加装两个多旋转激光标靶，获取激光指向仪指向的巷道中线和腰线，并结合掘进机本身机体尺寸，以及机身安装的倾角传感器，对采集到的数据分析处理，得到掘进机相应的位置及姿态参数，进而为实现掘进机的自动控制，提高掘进机掘进效率、安全性和巷道平整度提供基础数据。
本发明提供的掘进机位姿数据测量方法主要包括如下步骤：
步骤一：将掘进机设置在待掘进巷道中，在掘进机后侧的巷道顶板上安装激光指向仪，所述激光指向仪具体设置在巷道顶板的中心线位置，所述激光指向仪的激光发射角度与巷道的掘进方向相一致；
步骤二：在掘进机机身上安装一对旋转标靶，所述旋转标靶垂直安装在掘进机机身上侧的旋转电机上，所述两个旋转标靶上的靶框相互之间平行设置；
步骤三：控制掘进机开始掘进作业，通过人工调整激光指向仪的安装位置和激光发射角度，使激光指向仪发射的激光束可以打在两个旋转标靶的靶框上，所述激光标靶可以通过激光捕获电路板获取到当前激光束打在相应标靶单元上的坐标位置，坐标位置数据包括左右位置（Ax，Bx）和上下位置（Ay，By），标靶单元将所述的坐标位置数据通过导线发送至微控制器做进一步处理；
步骤四：所述倾角传感器同时采集掘进机当前的掘进俯仰角数据（Yaw），倾角传感器将所述的俯仰角数据通过导线发送至微控制器做进一步处理；
步骤五：所述微控制器的计算参数中包括预设的距离参数，其中定义激光指向仪发射激光束到达第一个旋转标靶的距离为L1，两个旋转标靶之间的距离为L0，结合接收到的激光坐标数据可以计算并得出当前掘进机的位姿测量数据：
其中俯仰角（Yaw）的计算公式为：
Figure 866604DEST_PATH_IMAGE001
；
航向角（Pitch）的计算公式为：
Figure 207587DEST_PATH_IMAGE002
；
翻滚角（Roll）数据即为倾角传感器（5）的测量数据；
水平位移（dx）的计算公式为：
Figure 200951DEST_PATH_IMAGE003
；
高度位移（dy）的计算公式为：
Figure 955280DEST_PATH_IMAGE004
；
深度位移（dz）的计算公式为：
Figure 879243DEST_PATH_IMAGE005
；
在上式的坐标系中，定义X轴为巷道掘进面的宽度，Y轴为巷道掘进面的高度，Z轴为巷道掘进方向的深度；
上述Ax和Bx分别是激光束打在第一个和第二个旋转标靶上的点所在位置的x坐标；
上述Ay和By分别是激光束打在第一个和第二个旋转标靶上的点所在位置的y坐标。
如图8所示，所述微控制器与各标靶单元建立数据连接，可以判断当前两个旋转标靶是否接收到激光束的照射，在确认两个旋转标靶都捕获激光点后，微控制器将根据预置的算法脚本计算相应的位姿数据，并将相应的计算结果发送至数据存储模块进行存储，同时可以通过外接的通信总线将计算数据发送至地面的上位机，管理人员对数据做进一步处理，可以实现相应的管理与统计功能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种基于旋转标靶的掘进机位姿数据测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：将掘进机设置在待掘进巷道中，在掘进机后侧的巷道顶板上安装激光指向仪（1），所述激光指向仪（1）具体设置在巷道顶板的中心线位置，所述激光指向仪（1）的激光发射角度与巷道的掘进方向相一致；
步骤二：在掘进机机身上安装一对旋转标靶，所述旋转标靶垂直安装在掘进机机身上侧的旋转电机（4）上，所述两个旋转标靶上的靶框（3）相互之间平行设置；
步骤三：控制掘进机开始掘进作业，通过人工调整激光指向仪（1）的安装位置和激光发射角度，使激光指向仪（1）发射的激光束可以打在两个旋转标靶的靶框（3）上，所述旋转标靶可以通过激光捕获电路板获取到当前激光束打在相应标靶单元（7）上的坐标位置，坐标位置数据包括左右位置（Ax，Bx）和上下位置（Ay，By），标靶单元（7）将所述的坐标位置数据通过导线发送至微控制器（6）做进一步处理；
步骤四：倾角传感器（5）同时采集掘进机当前的掘进俯仰角数据Yaw，倾角传感器（5）将所述的俯仰角数据通过导线发送至微控制器（6）做进一步处理；
步骤五：所述微控制器（6）的计算参数中包括预设的距离参数，其中定义激光指向仪（1）发射激光束到达第一个旋转标靶的距离为L1，两个旋转标靶之间的距离为L0，结合接收到的激光坐标数据可以计算并得出当前掘进机的位姿测量数据：
其中俯仰角Yaw的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
航向角Pitch的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
翻滚角Roll数据即为倾角传感器（5）的测量数据；
水平位移dx的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
高度位移dy的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
深度位移dz的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
在上式的坐标系中，定义X轴为巷道掘进面的宽度，Y轴为巷道掘进面的高度，Z轴为巷道掘进方向的深度；
上述Ax和Bx分别是激光束打在第一个和第二个旋转标靶上的点所在位置的x坐标；
上述Ay和By分别是激光束打在第一个和第二个旋转标靶上的点所在位置的y坐标；
所述步骤三中激光束打在旋转标靶上的坐标数据计算方法如下：
要求计算得出的坐标数据包括激光打在第一个旋转标靶上的A点坐标（Ax，Ay）和激光打在第二个旋转标靶上的B点坐标（Bx，By）；
进行数据处理前，微控制器（6）首先对旋转电机（4）反馈的旋转角度数据θ进行接收处理，即已知激光捕获电路板的旋转角度θ和激光束打在旋转标靶上的光点半径r，可以将极坐标转换为相应的直角坐标：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
所述旋转标靶内部由多个标靶单元（7）并列设置在靶框（3）中，掘进机位姿变化时，不同位置的标靶单元（7）都有可能捕获到激光点，由此将单个标靶单元（7）上的A点激光坐标转换到整个旋转标靶的坐标为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
根据同样算法和数学模型，对于另一个平行放置的激光标靶，可以获取相应的B点激光坐标为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
所述微控制器（6）将计算得出的上述坐标数据发送至数据存储模块（8）进行存储；
为实现基于旋转标靶的掘进机位姿数据测量方法提供的测量系统，包括掘进机和活动设置在掘进巷道顶板上的激光指向仪（1），所述激光指向仪（1）设置在掘进机的后侧，所述掘进机的机身上侧平行设置有一对旋转标靶，所述旋转标靶包括连杆（2）和靶框（3），所述连杆（2）的一端与靶框（3）焊接固定，所述连杆（2）的另一端与掘进机机身上设置的旋转电机（4）的动作端相连，所述旋转电机（4）嵌入掘进机机身内部；
所述掘进机的内部还设置有控制电路板和倾角传感器（5），所述控制电路板上集成有微控制器（6）；
所述旋转标靶用于接收激光指向仪（1）发出的激光束，所述靶框（3）的框内并列设置有多个标靶单元（7），所述标靶单元（7）具体为由光敏二极管组成的激光捕获电路板；
所述微控制器（6）通过导线与标靶单元（7）的信号输出端相连；
所述微控制器（6）通过导线与旋转电机（4）、倾角传感器（5）相连；
所述微控制器（6）还通过导线连接有数据存储模块（8）；
所述微控制器（6）的电源输入端与电源模块（9）相连；
所述微控制器（6）使用的芯片为控制芯片U1，所述微控制器（6）的电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚、9脚、24脚、36脚、48脚接3.3V输入电源；
所述控制芯片U1的2脚、3脚、38脚、39脚、45脚、46脚与旋转电机（4）的控制端相连；
所述控制芯片U1的4脚串接电阻R61和二极管LED1后接地；
所述控制芯片U1的5脚并接晶振XT1的一端后与电容C16的一端相连；
所述控制芯片U1的6脚并接晶振XT1的另一端后与电容C17的另一端相连，所述电容C17的另一端并接电容C16的另一端、电容C14的一端后接地；
所述电容C14的另一端并接电阻R59的一端、控制开关SW1的一端后与控制芯片U1的7脚相连；
所述电阻R59的另一端接3.3V输入电源，所述控制开关SW1的另一端接地；
所述控制芯片U1的10脚至22脚通过多路复用器与标靶单元（7）的信号输出端相连；
所述控制芯片U1的25脚至28脚与数据存储模块（8）相连；
所述控制芯片U1的29脚、30脚、31脚通过485收发器与旋转电机（4）的信号输出端相连；
所述控制芯片U1的34脚、37脚与倾角传感器（5）的信号输出端相连；
所述控制芯片U1的型号为STM32F103CBU6。
2.根据权利要求1所述的一种基于旋转标靶的掘进机位姿数据测量方法，其特征在于：所述多路复用器内部使用的芯片型号为74HC4051；
所述485收发器的型号为MAX3485；
所述数据存储模块（8）内部使用的芯片型号为74HC595；
所述电源模块（9）内部使用的芯片型号为配电开关TPS2552和稳压器RT9013。
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