CN111272156A - 用于确定竖井掘进机姿态的自动测量设备、方法、系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于确定竖井掘进机姿态的自动测量设备、方法、系统，自动测量设备包括激光垂准仪、感光靶、双轴倾斜仪、工控机、显示装置，在工作过程中，激光垂准仪向下发射第一铅垂激光和第二铅垂激光；两个感光靶随竖井掘进机的盾体进行移动，每一感光靶确定一个铅垂激光在该感光靶的靶面上的位置信息；双轴倾斜仪检测竖井掘进机的倾斜角和俯仰角；工控机根据倾斜角、俯仰角、全部位置信息计算竖井掘进机的偏移量和滚动角，并通过显示装置进行显示。该自动测量设备自动计算竖井掘进机的偏移量和滚动角，并进行数据显示，使得用户可以确定竖井掘进机的姿态。

Description

用于确定竖井掘进机姿态的自动测量设备、方法、系统

技术领域

本申请涉及竖井掘进机技术领域，更具体地说，涉及一种用于确定竖井掘进机姿态的自动测量设备、方法、系统。

背景技术

竖井掘进机的成井质量很大程度上取决于掘进过程中的姿态监测以及偏斜控制，传统的竖井定向依靠传统的吊线和激光方式，垂直度和标高控制方法存在着工作过程繁琐、效率低、精度不高等问题，且存在很大的局限性。

国内高精度的竖井掘进机导向系统几乎没有。浅深度的无泥浆工况竖井开挖基本上采用的是激光垂准仪以及原始的吊重锤线方式来检测竖井的偏斜情况，且其测量过程需要人工下井，其结果依赖人工判。竖井的井斜测量基本采用廉价、简单的吊线方式或垂准仪的方式来实现，虽然方案直观、简单，但无法测量竖井掘进机的实时姿态，并且其测量依赖人工，测量人员的安全问题及激光方式的局限性都是现实存在的。

综上所述，如何实现竖井掘进机姿态的自动测量，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的是提供一种用于确定竖井掘进机姿态的自动测量设备、方法、系统，其能够对竖井掘进机的姿态进行测量，从而确定竖井掘进机的滚动角和偏移量。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种用于确定竖井掘进机姿态的自动测量设备，包括：

激光垂准仪，固定于地面，并向下发射第一铅垂激光和第二铅垂激光；

两个感光靶，二者设于竖井掘进机的盾体上，二者分布在所述竖井掘进机的中心轴的两侧，二者分别具有垂直于所述竖井掘进机的中心轴的靶面，二者的靶面位于同一平面；两个所述感光靶分别为第一感光靶和第二感光靶，所述第一感光靶用于确定所述第一铅垂激光在所述第一感光靶的靶面上的位置信息，所述第二感光靶用于确定所述第二铅垂激光在所述第二感光靶的靶面上的位置信息；

双轴倾斜仪，用于检测所述竖井掘进机的倾斜角和俯仰角；

工控机，用于根据所述倾斜角、所述俯仰角、全部所述位置信息计算所述竖井掘进机的偏移量和滚动角，并控制显示装置生成与所述偏移量和所述滚动角对应的显示信息，两个所述感光靶、所述双轴倾斜仪、所述显示装置分别与所述工控机电连接。

可选的，所述第一感光靶和所述第二感光靶关于所述竖井掘进机的中心轴呈中心对称分布。

可选的，还包括用于清洗所述感光靶的清洗装置。

一种用于确定竖井掘进机姿态的自动测量方法，应用于上述任意一种用于确定竖井掘进机姿态的自动测量设备，所述自动测量方法包括：

在初始时刻，获取第一感光靶的第一初始光斑数据、第二感光靶的第二初始光斑数据、竖井掘进机的初始俯仰角和所述竖井掘进机的初始倾斜角；

通过所述初始俯仰角和所述初始倾斜角，计算当所述竖井掘进机处于水平状态下，与所述第一初始光斑数据对应的第一修正光斑数据，与所述第二初始光斑数据对应的第二修正光斑数据；

在测试时刻，获取所述第一感光靶的第一实测光斑数据、所述第二感光靶的第二实测光斑数据、所述竖井掘进机的掘进俯仰角和所述竖井掘进机的掘进倾斜角；

通过所述掘进俯仰角和所述掘进倾斜角，计算当所述竖井掘进机处于水平状态下，与所述第一实测光斑数据对应的第三修正光斑数据，与所述第二实测光斑数据对应的第四修正光斑数据；

根据所述第一修正光斑数据、所述第二修正光斑数据、所述第三修正光斑数据以及所述第四修正光斑数据确定所述竖井掘进机的偏移量和滚动角。

可选的，所述通过所述初始俯仰角和所述初始倾斜角，计算当所述竖井掘进机处于水平状态下，与所述第一初始光斑数据对应的第一修正光斑数据，与所述第二初始光斑数据对应的第二修正光斑数据的过程包括：

根据第一关系式和第二关系式计算所述第一修正光斑数据；

根据第三关系式和第四关系式计算所述第二修正光斑数据；

相应的，所述通过所述掘进俯仰角和所述掘进倾斜角，计算当所述竖井掘进机处于水平状态下，与所述第一实测光斑数据对应的第三修正光斑数据，与所述第二实测光斑数据对应的第四修正光斑数据的过程包括：

根据第五关系式和第六关系式计算所述第三修正光斑数据；

根据第七关系式和第八关系式计算所述第四修正光斑数据；

其中，所述第一关系式为

，所述第二关系式为

，所述第三关系式为

，所述第四关系式为

，所述第五关系式为

，所述第六关系式为

，所述第七关系式为

，所述第八关系式为

；x10和y10为所述第一初始光斑数据，x20和y20为所述第二初始光斑数据，x11和y11为所述第一实测光斑数据，x21和y21为所述第二实测光斑数据，X10和Y10为所述第一修正光斑数据，X20和Y20为所述第二修正光斑数据，X11和Y11为所述第三修正光斑数据，X21和Y21为所述第四修正光斑数据，pitch0为所述初始俯仰角，azimuth0为所述初始倾斜角，pitch1为所述掘进俯仰角，azimuth1为所述掘进倾斜角。

可选的，所述根据所述第一修正光斑数据、所述第二修正光斑数据、所述第三修正光斑数据以及所述第四修正光斑数据确定所述竖井掘进机的偏移量和滚动角的过程包括：

获取所述竖井掘进机的中心轴至所述第一感光靶的中心的距离，获取所述竖井掘进机的中心轴至所述第二感光靶的中心的距离；

通过目标方程组确定所述偏移量和所述滚动角；

其中，所述目标方程组包括：

；

r1为所述竖井掘进机的中心轴至所述第一感光靶的中心的距离，r2为所述竖井掘进机的中心轴至所述第二感光靶的中心的距离，roll为所述滚动角，dx为沿X轴的偏移量，dy为沿Y轴的偏移量，XY平面为垂直于所述竖井掘进机的中心轴的平面。

一种用于确定竖井掘进机姿态的自动测量系统，包括：

第一获取模块，用于在初始时刻，获取第一感光靶的第一初始光斑数据、第二感光靶的第二初始光斑数据、竖井掘进机的初始俯仰角和所述竖井掘进机的初始倾斜角；

第一计算模块，用于通过所述初始俯仰角和所述初始倾斜角，计算当所述竖井掘进机处于水平状态下，与所述第一初始光斑数据对应的第一修正光斑数据，与所述第二初始光斑数据对应的第二修正光斑数据；

第二获取模块，用于在测试时刻，获取所述第一感光靶的第一实测光斑数据、所述第二感光靶的第二实测光斑数据、所述竖井掘进机的掘进俯仰角和所述竖井掘进机的掘进倾斜角；

第二计算模块，用于通过所述掘进俯仰角和所述掘进倾斜角，计算当所述竖井掘进机处于水平状态下，与所述第一实测光斑数据对应的第三修正光斑数据，与所述第二实测光斑数据对应的第四修正光斑数据；

偏移参数计算模块，用于根据所述第一修正光斑数据、所述第二修正光斑数据、所述第三修正光斑数据以及所述第四修正光斑数据确定所述竖井掘进机的偏移量和滚动角。

可选的，所述第一计算模块包括：

第一计算模块第一子模块，用于根据第一关系式和第二关系式计算所述第一修正光斑数据；

第一计算模块第二子模块，用于根据第三关系式和第四关系式计算所述第二修正光斑数据；

相应的，所述第二计算模块包括：

第二计算模块第一子模块，用于根据第五关系式和第六关系式计算所述第三修正光斑数据；

第二计算模块第二子模块，用于根据第七关系式和第八关系式计算所述第四修正光斑数据；

其中，所述第一关系式为

，所述第二关系式为

，所述第三关系式为

，所述第四关系式为

，所述第五关系式为

，所述第六关系式为

，所述第七关系式为

，所述第八关系式为

；x10和y10为所述第一初始光斑数据，x20和y20为所述第二初始光斑数据，x11和y11为所述第一实测光斑数据，x21和y21为所述第二实测光斑数据，X10和Y10为所述第一修正光斑数据，X20和Y20为所述第二修正光斑数据，X11和Y11为所述第三修正光斑数据，X21和Y21为所述第四修正光斑数据，pitch0为所述初始俯仰角，azimuth0为所述初始倾斜角，pitch1为所述掘进俯仰角，azimuth1为所述掘进倾斜角。

可选的，所述偏移参数计算模块包括：

距离获取模块，用于获取所述竖井掘进机的中心轴至所述第一感光靶的中心的距离，获取所述竖井掘进机的中心轴至所述第二感光靶的中心的距离；

偏移参数计算子模块，用于通过目标方程组确定所述偏移量和所述滚动角；

其中，所述目标方程组包括：

；

r1为所述竖井掘进机的中心轴至所述第一感光靶的中心的距离，r2为所述竖井掘进机的中心轴至所述第二感光靶的中心的距离，roll为所述滚动角，dx为沿X轴的偏移量，dy为沿Y轴的偏移量，XY平面为垂直于所述竖井掘进机的中心轴的平面。

通过上述方案，本申请提供的用于确定竖井掘进机姿态的自动测量设备的有益效果在于：该自动测量设备包括激光垂准仪、感光靶、双轴倾斜仪、工控机、显示装置，且感光靶、双轴倾斜仪、显示装置分别与工控机电连接。在工作过程中，激光垂准仪向下发射第一铅垂激光和第二铅垂激光；两个感光靶随竖井掘进机的盾体进行移动，每一感光靶确定一个铅垂激光在该感光靶的靶面上的位置信息；双轴倾斜仪检测竖井掘进机的倾斜角和俯仰角；工控机根据倾斜角、俯仰角、全部位置信息计算竖井掘进机的偏移量和滚动角；显示装置对偏移量和滚动角进行显示。该自动测量设备利用感光靶检测到的铅垂激光的位置信息，以及双轴倾斜仪检测到的倾斜角和俯仰角，自动计算竖井掘进机的偏移量和滚动角，并进行数据显示，使得用户可以确定竖井掘进机的姿态。

本申请提供的用于确定竖井掘进机姿态的自动测量方法的有益效果在于：该自动测量方法在实施过程中，在初始时刻获取竖井掘进机的初始俯仰角、初始倾斜角、两个感光靶各自对应的初始光斑数据，在测试时刻获取竖井掘进机的掘进俯仰角、掘进倾斜角、两个感光靶各自对应的实测光斑数据；将初始光斑数据和实测光斑数据分别转化为在竖井掘进机处于水平状态下的修正光斑数据，最后通过全部修正光斑数据计算竖井掘进机的偏移量和滚动角。该自动测量方法首先将感光靶检测到的位置信息修正为竖井掘进机处于水平状态时的修正光斑数据，消除竖井掘进机由于俯仰或者倾斜造成的误差，然后再计算偏移量和滚动角，从而准确确定竖井掘进机的姿态。

此外，应当理解的是，本申请提供的用于确定竖井掘进机姿态的自动测量系统同样具备上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种自动测量设备的结构示意图；

图2为图1中的感光靶的俯视图；

图3为本申请实施例提供的一种自动测量方法的流程示意图；

图4为本申请实施例提供的一种自动测量系统的流程示意图。

图1~4中的附图标记为：

激光垂准仪1、第一激光垂准仪1A、第二激光垂准仪1B、铅垂激光2、第一铅垂激光2A、第二铅垂激光2B、感光靶3、第一感光靶3A、第二感光靶3B、清洗装置4、双轴倾斜仪5、工控机6、主支撑架7、出渣通道8、竖井掘进机9、地面10、井壁11；

第一获取模块100、第一计算模块200、第二获取模块300、第二计算模块400、偏移参数计算模块500。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参考图1和图2，本申请提供的用于确定竖井掘进机姿态的自动测量设备可以包括：激光垂准仪1、感光靶3、清洗装置4、双轴倾斜仪5、工控机6以及显示装置。

激光垂准仪1能够向井壁11中发射朝向下方的两束铅垂激光2，即第一铅垂激光2A和第二铅垂激光2B，铅垂激光2的精度可以为3″。在实际使用时，激光垂准仪1的数量可以为两个，此时两个激光垂准仪1分别为第一激光垂准仪1A和第二激光垂准仪1B；或者激光垂准仪1的数量也可以为一个，能够发射两束铅垂激光2即可。激光垂准仪1固定于地面10，例如具体固定在地面10上的主支撑架7上，在竖井掘进机9掘进过程中，激光垂准仪1发射的铅垂激光2的位置不会发生改变。

感光靶3有两个，两个感光靶3均设于竖井掘进机9的盾体上，并且每一感光靶3的姿态与竖井掘进机9的姿态保持一致。两个感光靶3分别为第一感光靶3A和第二感光靶3B，每一感光靶3具有一个靶面，且每一靶面垂直于竖井掘进机9的中心轴。第一感光靶3A的靶面和第二感光靶3B靶面位于同一平面，且二者均不设置在竖井掘进机9的中心轴上，而是设置在竖井掘进机9的中心轴的两侧。在实际安装时，优选两个感光靶3在竖井掘进机9直径方向对称安装，此时第一感光靶3A和第二感光靶3B关于竖井掘进机9的中心轴呈中心对称分布。在工作时，每一感光靶3接受一束铅垂激光2并自动判识该束铅垂激光2在靶面上的位置信息，感光靶3对铅垂激光2的定位精度可以为1mm；并且，每一感光靶3与工控机6电连接，并将各自检测到的位置信息传输至工控机6。具体来说，第一感光靶3A用于确定第一铅垂激光2A在第一感光靶3A的靶面上的位置信息，第二感光靶3B用于确定第二铅垂激光2B在第二感光靶3B的靶面上的位置信息。以图2所示的视角为例，竖井掘进机9绕第一感光靶3A的中心与第二感光靶3B的中心的连线转动为俯仰。

清洗装置4设置在竖井掘进机9上，在竖井掘进机9开挖的过程中，可能会有灰尘会落在感光靶3上，所以设置清洗装置4来清洗感光靶3。清洗装置4可以设置两个，二者与两个感光靶3一一对应。若灰尘对感光靶3的正常工作没有影响，也可以不设置清洗装置4。

双轴倾斜仪5设置在竖井掘进机9的盾体上，用于实时检测竖井掘进机9的倾斜角和俯仰角，双轴倾斜仪5的测量精度可以为0.02°。双轴倾斜仪5与工控机6电连接，并将检测到的倾斜角和俯仰角发送至工控机6。

工控机6可以设置在地面10上，工控机6根据倾斜角、俯仰角、全部位置信息计算竖井掘进机9的偏移量和滚动角，并向显示装置发送显示指令。在工作时，工控机6通过中心位置定位算法和各项数据综合得出竖井掘进机9实时姿态以及与设计轴线偏差，并将以上信息通过显示装置呈现给操作人员。工控机6的中心位置定位算法在下文的自动测量方法中具体说明，此处不再赘述。

显示装置与工控机6电连接，用于按照显示指令生成显示信息，来对偏移量和滚动角进行显示。在实际应用中，工控机6也可以向显示装置发送与双轴倾斜仪5测量到的倾斜角和俯仰角、感光靶3感知到的铅垂激光2在靶面上的位置信息、掘进里程信息中任意一者对应的显示指令；相应的，显示装置对倾斜角、俯仰角、每一铅垂激光2在靶面上的位置信息、掘进里程信息进行显示。

自动测量设备的安装流程如下：在竖井掘进机9的盾体合适位置固定双轴倾斜仪5，然后将竖井掘进机9调至水平（竖井掘进机9水平度通过在井口全站仪测量所得，其调至水平通过钢绞线调节）；然后在竖井掘进机9盾体合适位置固定感光靶3，并在主支撑架7上与感光靶3良好通视位置固定激光垂准仪1，此时尽可能调整激光垂准仪1的铅垂激光2的光斑初始位置位于感光靶3的正中心，然后调整激光垂准仪1至水平状态，最后开始自动测量。

由上述实施方式可以见，本申请提供的自动测量设备的有益效果在于：

设计超大直径竖井掘进机9姿态实时自动测量设备，为超大直径竖井掘进机9的自动导向提供数据支持。其采用全自动的激光垂准仪1+感光靶3+双轴倾斜仪5的双激光定位方式，通过双轴倾斜仪5测量竖井掘进机9的俯仰角和倾斜角，感光靶3和激光垂准仪1测量掘进机姿态和位置偏差信息，融合中心位置定位算法，计算出掘进机实时姿态以及与设计轴线偏差，实现测量过程全自动。

并且，在实际使用中，若采用单束铅垂激光2和单个感光靶3定位的方式，则单束铅垂激光2与单个感光靶3必须布置在竖井掘进机9的中心通道，且整个中心通道不可以有任何遮挡。而本申请中，两个感光靶3与两束铅垂激光2配合使用，感光靶3无需占用而竖井掘进机9内部正中心的出渣通道8，更方便出渣通道8等其他关键部件布置。

请参考图3，本申请提供的用于确定竖井掘进机姿态的自动测量方法应用于上述任意一种自动测量设备，该自动测量方法包括以下步骤：

步骤S1、在初始时刻，获取第一感光靶3A的第一初始光斑数据、第二感光靶3B的第二初始光斑数据、竖井掘进机9的初始俯仰角和竖井掘进机9的初始倾斜角。

具体的，初始时刻指竖井掘进机9的始发时刻，在竖井掘进机9始发之前，需要预先完成自动测量设备的安装过程，使感光靶3和双轴倾斜仪5安装于竖井掘进机9上，激光垂准仪1安装于主支撑架7上，并且竖井掘进机9的轴线处于垂直状态，然后将双轴倾斜仪5的数据调零。在自动测量设备的安装完毕后，掘进机始发。

第一初始光斑数据指在初始时刻第一铅垂激光2A在第一感光靶3A上的位置信息，该位置信息由第一感光靶3A检测确定。第二初始光斑数据指在初始时刻第二铅垂激光2B在第二感光靶3B上的位置信息，该位置信息由第二感光靶3B检测确定。初始俯仰角和初始倾斜角均由双轴倾斜仪5检测确定。

需要注意的是，竖井掘进机9始发时，竖井掘进机9本身是不一定完全水平的，而可能是处于倾斜状态，这个时候双轴倾斜仪5检测到的初始俯仰角和初始倾斜角反映掘进机始发时的姿态。

步骤S2、通过初始俯仰角和初始倾斜角，计算当竖井掘进机9处于水平状态下，与第一初始光斑数据对应的第一修正光斑数据，与第二初始光斑数据对应的第二修正光斑数据。

具体的，步骤S2进行第一次修正，将两个初始光斑数据（即第一初始光斑数据和第二初始光斑数据）修正为两个修正光斑数据（即第一修正光斑数据和第二修正光斑数据），修正的目的是将初始时刻铅垂激光2在感光靶3上的位置信息从非水平状态折算为水平状态。

以其中一个感光靶3和与该感光靶3对应的铅垂激光2为例，具体来说，测量过程中，铅垂激光2始终是从上向下垂直发射的，而竖井掘进机9始发时可能处于倾斜状态，并带动感光靶3随之倾斜；因此，感光靶3所检测到的初始光斑数据是当感光靶3的靶面处于非水平状态、铅垂激光2在感光靶3上的位置信息，而通过双轴倾斜仪5测量出的角度进行修正后，修正光斑数据为感光靶3处于水平状态、铅垂激光2在感光靶3上的位置信息。

步骤S3、在测试时刻，获取第一感光靶3A的第一实测光斑数据、第二感光靶3B的第二实测光斑数据、竖井掘进机9的掘进俯仰角和竖井掘进机9的掘进倾斜角；

具体的，测试时刻可以是在初始时刻之后的任意一个掘进过程中的时刻。第一实测光斑数据指在测试时刻第一铅垂激光2A在第一感光靶3A上的位置信息，该位置信息由第一感光靶3A检测确定。第二实测光斑数据指在测试时刻第二铅垂激光2B在第二感光靶3B上的位置信息，该位置信息由第二感光靶3B检测确定。掘进俯仰角和掘进倾斜角均由双轴倾斜仪5检测确定。

步骤S4、通过掘进俯仰角和掘进倾斜角，计算当竖井掘进机9处于水平状态下，与第一实测光斑数据对应的第三修正光斑数据，与第二实测光斑数据对应的第四修正光斑数据。

具体的，步骤S4进行第二次修正，将两个实测光斑数据（即第一实测光斑数据和第二实测光斑数据）修正为两个修正光斑数据（即第三修正光斑数据和第四修正光斑数据），修正的目的是将测试时刻铅垂激光2在感光靶3上的位置信息从非水平状态折算为水平状态。

以其中一个感光靶3和与该感光靶3对应的铅垂激光2为例，具体来说，感光靶3所检测到的实测光斑数据是当感光靶3的靶面处于非水平状态、铅垂激光2在感光靶3上的位置信息，而通过双轴倾斜仪5测量出的角度进行修正后，修正光斑数据为感光靶3处于水平状态、铅垂激光2在感光靶3上的位置信息。

步骤S5、根据第一修正光斑数据、第二修正光斑数据、第三修正光斑数据以及第四修正光斑数据确定竖井掘进机9的偏移量和滚动角。

具体的，经过步骤S2和步骤S4的两个修正过程后，可以确定当竖井掘进机9处于水平状态，初始时刻和测试时刻两个不同时刻中，每一铅垂激光2在对应的感光靶3上的位置信息，因此消除了竖井掘进机9的倾斜角和俯仰角两个因素对竖井掘进机9姿态的影响。因此，可以通过四个修正光斑数据直接计算出竖井掘进机9的偏移量和滚动角。

由上述实施方式可以见，本申请提供的自动测量方法的有益效果在于：

第一，由于竖井掘进机9刀盘旋转所带来的扭转力会造成竖井掘进机9一定程度的自转，若不修正自转造成的点位偏移，则会造成竖井掘进机9中心位置不准确。该测量方法有效的修正了竖井掘进机9倾斜造成的点位偏移，更修正了竖井掘进机9自转造成的点位偏移，因此，本技术方案应用于全断面竖井掘进机9，能够实时反映掘进机姿态（倾斜角度以及自转角度）以及掘进机所处位置与设计轴线的偏移量（即竖井的偏斜程度），有利于竖井掘进机9实时纠偏，从而保障高精度成井。第二，实现全自动测量，无需人员井下操作，保证安全的同时提高测量效率。所有元器件安装好正式测量后，所有控制命令以及测量结果均在井上操作台上进行。第三，通过配备高精度的检测元件，能够提高测量精度，深度百米以内的竖井，其测量精度可控制在毫米级。

可选的，本申请提供的一种实施例中，步骤S2中的通过初始俯仰角和初始倾斜角，计算当竖井掘进机9处于水平状态下，与第一初始光斑数据对应的第一修正光斑数据，与第二初始光斑数据对应的第二修正光斑数据的过程包括：

步骤S21、根据第一关系式和第二关系式计算第一修正光斑数据；其中，第一关系式为

，第二关系式为

，x10和y10为第一初始光斑数据，X10和Y10为第一修正光斑数据，pitch0为初始俯仰角，azimuth0为初始倾斜角。

步骤S22、根据第三关系式和第四关系式计算第二修正光斑数据；其中，第三关系式为

，第四关系式为

，x20和y20为第二初始光斑数据，X20和Y20为第二修正光斑数据。

相应的，步骤S4中的通过掘进俯仰角和掘进倾斜角，计算当竖井掘进机9处于水平状态下时，与第一实测光斑数据对应的第三修正光斑数据，与第二实测光斑数据对应的第四修正光斑数据的过程包括：

步骤S41、根据第五关系式和第六关系式计算第三修正光斑数据；其中，第五关系式为

，第六关系式为

，x11和y11为第一实测光斑数据，X11和Y11为第三修正光斑数据，pitch1为掘进俯仰角，azimuth1为掘进倾斜角。

步骤S42、根据第七关系式和第八关系式计算第四修正光斑数据；其中，第七关系式为

，第八关系式为

；x21和y21为第二实测光斑数据，X21和Y21为第四修正光斑数据。

具体的，在修正过程中，将原本处于倾斜状态的感光靶3修正为水平状态，则分别计算初始光斑数据与实测光斑数据在竖直方向上的投影即可。

可选的，本申请提供的一种实施例中，步骤S5中的根据第一修正光斑数据、第二修正光斑数据、第三修正光斑数据以及第四修正光斑数据确定竖井掘进机9的偏移量和滚动角的过程包括：

步骤S51、获取竖井掘进机9的中心轴至第一感光靶3A的中心的距离，获取竖井掘进机9的中心轴至第二感光靶3B的中心的距离；

步骤S52、通过目标方程组确定偏移量和滚动角；

其中，目标方程组包括：

；

其中，第一感光靶3A和第二感光靶3B安装在竖井掘进机9的中心轴的两侧，中心轴到每一感光靶3的中心的半径r为矢量，中心轴到感光靶3中心的方向，向右为正。r1为竖井掘进机9的中心轴至第一感光靶3A的中心的距离，r2为竖井掘进机9的中心轴至第二感光靶3B的中心的距离，竖井掘进机9顺时针滚动为正，roll为滚动角，dx为沿X轴的偏移量，dy为沿Y轴的偏移量，XY平面为垂直于竖井掘进机9的中心轴的平面。通过目标方程组中的四个方程对滚动角、沿X轴的偏移量、沿Y轴的偏移量三个未知数进行求解。

请参考图4，本申请提供的用于确定竖井掘进机姿态的自动测量系统包括：

第一获取模块100，用于在初始时刻，获取第一感光靶3A的第一初始光斑数据、第二感光靶3B的第二初始光斑数据、竖井掘进机9的初始俯仰角和竖井掘进机9的初始倾斜角；

第一计算模块200，用于通过初始俯仰角和初始倾斜角，计算当竖井掘进机9处于水平状态下，与第一初始光斑数据对应的第一修正光斑数据，与第二初始光斑数据对应的第二修正光斑数据；

第二获取模块300，用于在测试时刻，获取第一感光靶3A的第一实测光斑数据、第二感光靶3B的第二实测光斑数据、竖井掘进机9的掘进俯仰角和竖井掘进机9的掘进倾斜角；

第二计算模块400，用于通过掘进俯仰角和掘进倾斜角，计算当竖井掘进机9处于水平状态下时，与第一实测光斑数据对应的第三修正光斑数据，与第二实测光斑数据对应的第四修正光斑数据；

偏移参数计算模块500，用于根据第一修正光斑数据、第二修正光斑数据、第三修正光斑数据以及第四修正光斑数据确定竖井掘进机9的偏移量和滚动角。

可选的，在一个实施例中，第一计算模块200包括：第一计算模块第一子模块和第一计算模块第二子模块；其中，第一计算模块第一子模块用于根据第一关系式和第二关系式计算第一修正光斑数据；第一计算模块第二子模块用于根据第三关系式和第四关系式计算第二修正光斑数据；相应的，第二计算模块400包括第二计算模块第一子模块和第二计算模块第二子模块；其中，第二计算模块第一子模块用于根据第五关系式和第六关系式计算第三修正光斑数据；第二计算模块第二子模块用于根据第七关系式和第八关系式计算第四修正光斑数据。本实施例中，八个关系式（即第一关系式、第二关系式、第三关系式、第四关系式、第五关系式、第六关系式、第七关系式、第八关系式）的具体表达式，以及每一关系式中的具体参数，可以参照本申请中的自动测量方法部分，此处不再赘述。

可选的，在一个实施例中，偏移参数计算模块500包括距离获取模块和偏移参数计算子模块；其中，距离获取模块用于获取竖井掘进机9的中心轴至第一感光靶3A的中心的距离，获取竖井掘进机9的中心轴至第二感光靶3B的中心的距离；偏移参数计算子模块用于通过目标方程组确定偏移量和滚动角；本实施例中，目标方程组的具体表达式，以及目标方程组中各个参数的含义，可以参照本申请中的自动测量方法部分，此处不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本申请所提供的用于确定竖井掘进机姿态的自动测量设备、方法、系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于确定竖井掘进机姿态的自动测量设备，其特征在于，包括：

激光垂准仪（1），固定于地面（10），并向下发射第一铅垂激光（2A）和第二铅垂激光（2B）；

两个感光靶（3），二者设于竖井掘进机（9）的盾体上，二者分布在所述竖井掘进机（9）的中心轴的两侧，二者分别具有垂直于所述竖井掘进机（9）的中心轴的靶面，二者的靶面位于同一平面；两个所述感光靶（3）分别为第一感光靶（3A）和第二感光靶（3B），所述第一感光靶（3A）用于确定所述第一铅垂激光（2A）在所述第一感光靶（3A）的靶面上的位置信息，所述第二感光靶（3B）用于确定所述第二铅垂激光（2B）在所述第二感光靶（3B）的靶面上的位置信息；

双轴倾斜仪（5），用于检测所述竖井掘进机（9）的倾斜角和俯仰角；

工控机（6），用于根据所述倾斜角、所述俯仰角、全部所述位置信息计算所述竖井掘进机（9）的偏移量和滚动角，并控制显示装置生成与所述偏移量和所述滚动角对应的显示信息，两个所述感光靶（3）、所述双轴倾斜仪（5）、所述显示装置分别与所述工控机（6）电连接。

2.根据权利要求1所述的自动测量设备，其特征在于，所述第一感光靶（3A）和所述第二感光靶（3B）关于所述竖井掘进机（9）的中心轴呈中心对称分布。

3.根据权利要求2所述的自动测量设备，其特征在于，还包括用于清洗所述感光靶（3）的清洗装置（4）。

4.一种用于确定竖井掘进机姿态的自动测量方法，其特征在于，应用于权利要求1至3任意一项所述的用于确定竖井掘进机姿态的自动测量设备，所述自动测量方法包括：

在初始时刻，获取第一感光靶（3A）的第一初始光斑数据、第二感光靶（3B）的第二初始光斑数据、竖井掘进机（9）的初始俯仰角和所述竖井掘进机（9）的初始倾斜角；

通过所述初始俯仰角和所述初始倾斜角，计算当所述竖井掘进机（9）处于水平状态下，与所述第一初始光斑数据对应的第一修正光斑数据，与所述第二初始光斑数据对应的第二修正光斑数据；

在测试时刻，获取所述第一感光靶（3A）的第一实测光斑数据、所述第二感光靶（3B）的第二实测光斑数据、所述竖井掘进机（9）的掘进俯仰角和所述竖井掘进机（9）的掘进倾斜角；

通过所述掘进俯仰角和所述掘进倾斜角，计算当所述竖井掘进机（9）处于水平状态下，与所述第一实测光斑数据对应的第三修正光斑数据，与所述第二实测光斑数据对应的第四修正光斑数据；

根据所述第一修正光斑数据、所述第二修正光斑数据、所述第三修正光斑数据以及所述第四修正光斑数据确定所述竖井掘进机（9）的偏移量和滚动角。

5.根据权利要求4所述的自动测量方法，其特征在于，所述通过所述初始俯仰角和所述初始倾斜角，计算当所述竖井掘进机（9）处于水平状态下，与所述第一初始光斑数据对应的第一修正光斑数据，与所述第二初始光斑数据对应的第二修正光斑数据的过程包括：

根据第一关系式和第二关系式计算所述第一修正光斑数据；

根据第三关系式和第四关系式计算所述第二修正光斑数据；

相应的，所述通过所述掘进俯仰角和所述掘进倾斜角，计算当所述竖井掘进机（9）处于水平状态下，与所述第一实测光斑数据对应的第三修正光斑数据，与所述第二实测光斑数据对应的第四修正光斑数据的过程包括：

根据第五关系式和第六关系式计算所述第三修正光斑数据；

根据第七关系式和第八关系式计算所述第四修正光斑数据；

其中，所述第一关系式为

，所述第二关系式为

，所述第三关系式为

，所述第四关系式为

，所述第五关系式为

，所述第六关系式为

，所述第七关系式为

，所述第八关系式为

；x10和y10为所述第一初始光斑数据，x20和y20为所述第二初始光斑数据，x11和y11为所述第一实测光斑数据，x21和y21为所述第二实测光斑数据，X10和Y10为所述第一修正光斑数据，X20和Y20为所述第二修正光斑数据，X11和Y11为所述第三修正光斑数据，X21和Y21为所述第四修正光斑数据，pitch0为所述初始俯仰角，azimuth0为所述初始倾斜角，pitch1为所述掘进俯仰角，azimuth1为所述掘进倾斜角。

6.根据权利要求5所述的自动测量方法，其特征在于，所述根据所述第一修正光斑数据、所述第二修正光斑数据、所述第三修正光斑数据以及所述第四修正光斑数据确定所述竖井掘进机（9）的偏移量和滚动角的过程包括：

获取所述竖井掘进机（9）的中心轴至所述第一感光靶（3A）的中心的距离，获取所述竖井掘进机（9）的中心轴至所述第二感光靶（3B）的中心的距离；

通过目标方程组确定所述偏移量和所述滚动角；

其中，所述目标方程组包括：

；

r1为所述竖井掘进机（9）的中心轴至所述第一感光靶（3A）的中心的距离，r2为所述竖井掘进机（9）的中心轴至所述第二感光靶（3B）的中心的距离，roll为所述滚动角，dx为沿X轴的偏移量，dy为沿Y轴的偏移量，XY平面为垂直于所述竖井掘进机（9）的中心轴的平面。

7.一种用于确定竖井掘进机姿态的自动测量系统，其特征在于，包括：

第一获取模块（100），用于在初始时刻，获取第一感光靶（3A）的第一初始光斑数据、第二感光靶（3B）的第二初始光斑数据、竖井掘进机（9）的初始俯仰角和所述竖井掘进机（9）的初始倾斜角；

第一计算模块（200），用于通过所述初始俯仰角和所述初始倾斜角，计算当所述竖井掘进机（9）处于水平状态下，与所述第一初始光斑数据对应的第一修正光斑数据，与所述第二初始光斑数据对应的第二修正光斑数据；

第二获取模块（300），用于在测试时刻，获取所述第一感光靶（3A）的第一实测光斑数据、所述第二感光靶（3B）的第二实测光斑数据、所述竖井掘进机（9）的掘进俯仰角和所述竖井掘进机（9）的掘进倾斜角；

第二计算模块（400），用于通过所述掘进俯仰角和所述掘进倾斜角，计算当所述竖井掘进机（9）处于水平状态下，与所述第一实测光斑数据对应的第三修正光斑数据，与所述第二实测光斑数据对应的第四修正光斑数据；

偏移参数计算模块（500），用于根据所述第一修正光斑数据、所述第二修正光斑数据、所述第三修正光斑数据以及所述第四修正光斑数据确定所述竖井掘进机（9）的偏移量和滚动角。

8.根据权利要求7所述的自动测量系统，其特征在于，所述第一计算模块（200）包括：

第一计算模块第一子模块，用于根据第一关系式和第二关系式计算所述第一修正光斑数据；

第一计算模块第二子模块，用于根据第三关系式和第四关系式计算所述第二修正光斑数据；

所述第二计算模块（400）包括：

第二计算模块第一子模块，用于根据第五关系式和第六关系式计算所述第三修正光斑数据；

第二计算模块第二子模块，用于根据第七关系式和第八关系式计算所述第四修正光斑数据；

其中，所述第一关系式为

，所述第二关系式为

，所述第三关系式为

，所述第四关系式为

，所述第五关系式为

，所述第六关系式为

，所述第七关系式为

，所述第八关系式为

；x10和y10为所述第一初始光斑数据，x20和y20为所述第二初始光斑数据，x11和y11为所述第一实测光斑数据，x21和y21为所述第二实测光斑数据，X10和Y10为所述第一修正光斑数据，X20和Y20为所述第二修正光斑数据，X11和Y11为所述第三修正光斑数据，X21和Y21为所述第四修正光斑数据，pitch0为所述初始俯仰角，azimuth0为所述初始倾斜角，pitch1为所述掘进俯仰角，azimuth1为所述掘进倾斜角。

9.根据权利要求8所述的自动测量系统，其特征在于，所述偏移参数计算模块（500）包括：

距离获取模块，用于获取所述竖井掘进机（9）的中心轴至所述第一感光靶（3A）的中心的距离，获取所述竖井掘进机（9）的中心轴至所述第二感光靶（3B）的中心的距离；

偏移参数计算子模块，用于通过目标方程组确定所述偏移量和所述滚动角；

其中，所述目标方程组包括：

；

r1为所述竖井掘进机（9）的中心轴至所述第一感光靶（3A）的中心的距离，r2为所述竖井掘进机（9）的中心轴至所述第二感光靶（3B）的中心的距离，roll为所述滚动角，dx为沿X轴的偏移量，dy为沿Y轴的偏移量，XY平面为垂直于所述竖井掘进机（9）的中心轴的平面。

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