CN111189436B - 基于激光靶向跟踪的掘进机位姿测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光靶向跟踪的掘进机位姿测量系统。所述系统包括：激光跟踪云台，安装在掘进机后方巷道某位置处，用于驱动激光测距模块进行姿态调整；激光测距模块，安装在激光跟踪云台的回转中心，发出的激光照射到激光标靶的靶面上；激光标靶，安装在掘进机上，其靶面用于接收激光；双轴倾角仪，安装在激光标靶上，用于测量激光标靶在巷道坐标系中的翻滚角和俯仰角；处理器模块，用于解算掘进机位姿，并反馈给掘进机的控制单元；通信模块，用于建立激光跟踪云台和激光标靶之间的信息交互通路。

Description

基于激光靶向跟踪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

智能化开采是煤炭工业发展的必然选择，实现无人化开采是煤炭行业发展的方向和目标，设备的感知是智能化开采的前提。在综掘作业中，掘进机位姿的测量是控制掘进机智能行进，实现煤巷无人掘进的最前端。为实现无人掘进提供可能性，研究掘进机位姿自动测量的系统和方法，能够实现掘进机在综掘巷道位姿的自动测量的大前提。

专利号为CN109115173A，授权公开日为2019年01月01日的发明专利“一种掘进机姿态控制系统及方法”，该专利方案的设计提出了一种基于直线定位模型的掘进机机身位姿单目视觉测量方法，通过摄像机对激光束图像进行采集，利用Hough变换对采集的激光束进行直线检测，分别得到平行激光束和水平激光束的直线方程；建立基于两点三线的掘进机位姿解算模型，根据水平激光束的直线方程和平行激光束的直线方程，得到摄像机在定位模型坐标系下的位姿信息，结合掘进机机身坐标系与摄像机坐标系间的转换关系，得到掘进机机身在定位模型坐标下的位姿信息；最后采用全站仪测量激光指向仪绝对坐标，获得激光指向仪在巷道坐标系下坐标，从而得到定位模型坐标系与巷道坐标系的转换关系，结合掘进机机身在定位模型坐标下的位姿信息，最终得到掘进机机身在巷道坐标下的俯仰角、偏航角、翻滚角和位置信息。该专利在巷道后方加装三个激光指向仪，用相机采集其中两道激光束，使得激光指向仪的定位和移比较复杂，具备相对较差的工况适应性。

专利号为CN102589514A，授权公开日为2012年07月18日的发明专利“掘进机位姿参数测量装置及其方法”，该专利方案的设计提出了一种掘进机机身的位姿参数的测量装置及其方法。由激光指向仪、掘进机水平盖板、定位装置、激光接收光栅、可编程控制器、回转装置及其机架、伺服驱动装置、安全保护罩、清理刷等组成。激光指向仪指示出当前的巷道基准。工作时，由伺服驱动装置带动两个激光接收光栅先后做回转运动，当接收到激光指向仪发射的激光束时，记录下两组转角和两组距离γ₁，θ₁，γ₂，θ₂，并返回初始位置。而两个光栅间的距离固定为Δl，通过运算便可得到掘进机机身的五个参数：掘进机相对于巷道中心线的左右偏移Px，上下偏移P_z，相对于掘进机机身中心的摇摆角α，俯仰角β，偏转角γ。该套装置提供了掘进机仿形截割的位姿参数，但是需要两个激光接收光栅，需要两次激光束的寻靶过程，过程相对繁琐。

鉴于以上不足，需要一种标靶单点布站的情况下完成掘进机所有位姿参数的测量技术。

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：激光跟踪云台，安装在掘进机后方巷道某位置处，用于驱动激光测距模块进行姿态调整；激光测距模块，安装在激光跟踪云台的回转中心，发出的激光照射到激光标靶的靶面上；激光标靶，固定安装在掘进机上，其靶面用于接收激光；双轴倾角仪，安装在激光标靶上，用于测量激光标靶的俯仰角和翻滚角；处理器模块，用于解算掘进机位姿，并反馈给掘进机的控制单元；通信模块，用于建立激光跟踪云台和激光标靶之间的信息交互通路。

可选地，处理器模块提取照射到靶面上的光斑在激光标靶坐标系中的坐标，并利用相关信息解算出掘进机在巷道大地坐标系中的位姿参数并反馈给掘进机的控制单元。

可选地，激光标靶的靶面为两片垂直安装的半透半反射分光板，双轴倾角仪固定在激光标靶底端，激光标靶安装在掘进机上，与掘进机的位置关系可通过事先标定获得。

可选地，激光跟踪云台包括：承载体，用于安装激光测距模块；激光测距模块，发射激光到靶面并测量距离；两个伺服电机，分别驱动承载体进行偏航姿态和俯仰姿态的改变；底座，将激光跟踪云台结合到巷道上。

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。

根据本发明的基于激光靶向跟踪的掘进机位姿测量系统，针对现有测量方法存在布站复杂、测量过程繁琐的缺点，本发明可以在标靶单点布站的情况下完成掘进机所有位姿参数的测量，实现测量系统的结构简单、激光标靶移站布站的效率高的优点。

附图说明

图1是本发明的系统组成图；

图2是激光标靶结构图。

图3是激光跟踪云台结构图。

图4是本发明的激光跟踪闭环控制流程图。

图中标记如下：

1：掘进机

2：掘进机坐标系

3：激光标靶

4：激光标靶坐标系

5：巷道坐标系

6：激光跟踪云台坐标系

7：激光跟踪云台

8：双轴倾角仪

9：处理器模块

10：通信模块

11、15：相机

12：目标区域

13：激光束

14：靶面

16/21：伺服电机

17：工业轴承

18：电机固定盘

19、26：云台转动盘

20：L型支架

22：承载体

23：激光测距模块

24：轴承固定盘

25：铜柱

27：电机轴

28：螺栓

29：下壳体

30：底座

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标靶以及激光跟踪云台。

图2是根据本发明的实施例的激光标靶。

如图2所示，激光标靶3包括双轴倾角仪8、处理器模块9、通信模块10、相机11、相机15、目标区域12以及由两片垂直安装的半透半反射分光板构成的靶面14，激光跟踪云台7上的激光测距模块向激光标靶3上靶面14的竖直靶面的目标区域12内发射激光束13，激光束经靶面14中的竖直靶面反射到靶面14的横向靶面并在两片分光板上各形成一个光斑，分光板背部粘贴漫反射膜，用于显示光斑位置，根据两个光斑的位置可以解算出入射激光束的姿态(方位角和俯仰角)。双轴倾角仪8安装在激光标靶3的内部，用于测量激光标靶在巷道坐标系中的翻滚角和俯仰角。

图3是根据本发明的实施例的激光跟踪云台构造。

激光器跟踪云台7依靠底座30安装在掘进机后方的巷道上。

激光的发射角度由激光跟踪云台7的回转和俯仰运动控制，由通信模块10建立激光跟踪云台7和激光标靶3之间的信息交互通路，以传递位姿解算所需信息。处理器模块9提取接收光斑在激光标靶坐标系4中的坐标，并利用激光跟踪云台7的控制角度、激光测距模块23的测得值和双轴倾角仪8测得值等相关信息解算出掘进机在巷道坐标系5中的位姿参数。

如图4所示，研究激光跟踪云台的控制系统，以编码器或光栅尺作为位置反馈信息，利用无线通信构建激光标靶与激光跟踪云台的全闭环控制。

具体地说，处理器模块9根据在激光标靶3上的光斑位置、激光测距模块23的测量值以及激光标靶3的翻滚角确定激光标靶3在激光跟踪云台坐标系(O_JX_JY_JZ_J)下的第一位姿。

下面示出计算激光标靶3与激光跟踪云台7之间的相对位姿的一个示例。

(a₁,b₁,c₁)是O_B在激光跟踪云台坐标系6中的坐标，(α₁,β₁,γ₁)是激光标靶坐标系4在激光跟踪云台坐标系6中的姿态角。设激光在竖向靶面上的点坐标为A(0,y_A,z_A)，在横向靶面上对应的点坐标为a(x_a,y_a,0)，则激光束在激光标靶坐标系4中的姿态角为：

设双轴倾角仪8测得翻滚角的值为γ_q，是双轴倾角仪8与巷道坐标系5的水平面之间的夹角，而γ₁是激光标靶坐标系4经过方位变换、俯仰变换后Z_B轴与Z_J轴的夹角。

激光标靶坐标系4中的点坐标为(0,y_A,z_A)在激光跟踪云台坐标系6中的坐标为(d,0,0)，d为激光测距模块23的测得值，则激光标靶在激光跟踪云台坐标系6中的坐标为：

随后，处理器模块9可根据第一位姿、作为第二位姿的激光标靶的坐标系与掘进机1之间的相对位姿、作为第三位姿的激光跟踪云台7在巷道坐标系中的位姿，确定掘进机1在巷道坐标系中的位姿。

激光标靶3安装固定在掘进机1上，从而可确定出激光标靶3与掘进机1之间的相对位姿(第二位姿)，例如，可表示为：激光标靶3在掘进机坐标系2下的位姿，或者掘进机1在激光标靶坐标系4下的位姿。

在已知掘进机1与激光标靶3之间的相对位姿、激光标靶3与激光跟踪云台7之间的相对位姿、激光跟踪云台7在现实世界的位姿的情况下，可确定出掘进机1在现实世界的位姿。

在一个实施例中，激光标靶3还包括通信模块10，发送激光测距模块23的跟踪情况。在此情况下，所述系统还包括布置在激光跟踪云台7上的第二通信模块，第二通信模块接收通信模块10的指令并把第二位姿发送给处理器模块9。

可选地，布置第三通信模块在掘进机1上或掘进机1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1的位姿的改变追踪激光标靶3，使得激光测距模块23发射的激光始终跟踪靶面14的竖向靶面。可基于光斑随着掘进机1的位姿的改变而在激光标靶3中的位置的变化趋势，调整激光跟踪云台7，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目标区域12(例如，圆形或矩形)，随着掘进机1的位姿的改变，当激光会向目标区域12外部移动时，此时激光跟踪云台7带动激光测距模块23运动，使得发射的激光向激光标靶3目标区域12内部移动，使得激光测距模块23发射的激光始终跟踪靶面14的竖向靶面。

伺服电机21驱动承载体22进行俯仰姿态的改变。承载体22通过激光跟踪云台7中伺服电机21的运转进行俯仰姿态的改变，从而带动固定在承载体22上的激光测距模块23进行俯仰姿态的改变。

伺服电机16驱动承载体22进行偏航姿态的改变。由伺服电机16的电机轴27带动与之彼此相连的云台转动盘26、云台转动盘19、L型支架20、伺服电机21、承载体22各零件作回转运动，从而带动固定在承载体22上的激光测距模块23进行偏航姿态的改变。此时，伺服电机16固定在电机固定盘18上，电机轴固连云台转动盘26，云台转动盘19和云台转动盘26经由四个铜柱25固连而夹住工业轴承17的内圈，轴承固定盘24和电机固定盘18夹住轴承外圈。因此，伺服电机16的电机轴27只承受转矩而不承受其他方向的力，其他方向的力由工业轴承17承受，而轴承17经四根螺栓28与轴承固定盘24、电机固定盘18、下壳体29、底座30固定连接。

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 (5)

1.基于激光靶向跟踪的掘进机位姿测量系统，其特征在于，所述系统包括：

激光跟踪云台，安装在掘进机后方巷道某位置处，用于驱动激光测距模块进行姿态调整；

激光测距模块，安装在激光跟踪云台的承载体上，激光发射器位于云台回转轴和俯仰轴交点，发出的激光照射到激光标靶的靶面上；

激光标靶，安装在掘进机上，其靶面用于接收激光；

双轴倾角仪，安装在激光标靶上，用于测量激光标靶的翻滚角和俯仰角；

处理器模块，用于解算掘进机位姿，并反馈给掘进机的控制单元；

通信模块，用于建立激光跟踪云台和激光标靶之间的信息交互通路,

其中，激光标靶包括由两片垂直安装的半透半反射分光板构成的竖直靶面和横向靶面，激光测距模块向激光标靶上的竖直靶面的目标区域内发射激光，激光经竖直靶面反射到横向靶面并在两片分光板上各形成一个光斑，分光板背部粘贴漫反射膜，用于显示光斑位置，

处理器模块根据光斑在激光标靶上的位置、激光标靶的翻滚角以及激光测距模块的测量距离，确定激光标靶在激光跟踪云台坐标系下的第一位姿；根据第一位姿、结合作为第二位姿的掘进机与激光标靶之间的相对位姿、作为第三位姿的激光跟踪云台在巷道坐标系的位姿，确定掘进机在巷道坐标系的位姿，

其中，激光标靶坐标系的原点在激光跟踪云台坐标系中的坐标为(a₁,b₁,c₁)，激光标靶坐标系在激光跟踪云台坐标系中的姿态角为(α₁,β₁,γ₁)，

其中，

其中，d为激光测距模块的测得值，激光在激光标靶的竖直 靶面上的点坐标为(0,y_A,z_A)，激光在激光标靶的横向靶面上的点坐标为(x_a,y_a,0)，

γ₁是激光标靶坐标系经过方位变换、俯仰变换后激光标靶坐标系的坐标轴Z_B轴与激光跟踪云台坐标系的Z_J轴的夹角。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，激光标靶包括：

处理器模块，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，控制激光跟踪云台跟踪靶面目标区域；

其中，所述系统还包括布置在激光跟踪云台上的第二通信模块，第二通信模块把第二位姿发送给处理器模块。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，处理器模块控制激光跟踪云台驱动激光测距模块来跟踪靶面目标区域，使得激光测距模块将激光发射到激光标靶上。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，激光跟踪云台构造包括：

承载体，用于安装激光测距模块；

激光测距模块，发射激光到靶面并测量距离；

两个伺服电机，分别驱动承载体进行偏航和俯仰姿态的改变。

5.一种具有如权利要求1至4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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