CN111535810B - 姿态检测设备和掘进机 - Google Patents

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CN111535810B CN202010370566.9A CN202010370566A CN111535810B CN 111535810 B CN111535810 B CN 111535810B CN 202010370566 A CN202010370566 A CN 202010370566A CN 111535810 B CN111535810 B CN 111535810B
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Abstract

本发明提供了一种姿态检测设备和掘进机。其中，姿态检测设备包括：惯性导航器件，惯性导航器件设置于电控箱中，用于采集掘进机的姿态信息；位移传感器，位移传感器设置在驱动油缸上，用于采集驱动油缸的位移参数；控制装置，控制装置用于根据掘进机的姿态信息和驱动油缸的位移参数，确定截割头的平面坐标参数；其中，掘进机的姿态信息包括掘进机的位置信息和偏角参数，实现了对掘进机系统的全方位监控，精度相比于相关技术中仅利用传感器或者利用视频监控的系统精度更高，有益于巷道一次性成型，提高截断面成型质量，省去二次修补工作。

Description

姿态检测设备和掘进机
技术领域
本发明属于地下工程设备领域，具体而言，涉及一种姿态检测设备和一种掘进机。
背景技术
目前，自动化掘进机推广应用到各个煤矿巷道进行复杂的采掘工作。技术的方向更趋向于运动轨迹的监控与模拟，实现目标轨迹的跟踪控制。轨迹跟踪控制系统的主要目的是通过给定各关节的驱动力矩，使得掘进机的位置、速度等状态变量跟踪给定的理想轨迹。煤矿巷道施工条件复杂，现有的可视化系统在高粉尘、湿度大的条件下视觉效果差，严重影响操作手视线问题，并且掘进机截割时容易发生横向偏移，产生横滚现象，都会导致截割断面欠挖、超挖现象，影响断面的成型质量。
发明内容
本发明旨在解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明的第一方面提出了一种姿态检测设备。
本发明的第二方面提出了一种掘进机。
有鉴于此，根据本发明的第一方面提出了一种姿态检测设备，用于掘进机，掘进机包括：截割头、悬臂、驱动油缸和电控箱，姿态检测设备包括：惯性导航器件，惯性导航器件设置于电控箱中，用于采集掘进机的姿态信息；位移传感器，位移传感器设置在驱动油缸上，用于采集驱动油缸的位移参数；控制装置，控制装置用于根据掘进机的姿态信息和驱动油缸的位移参数，确定截割头的平面坐标参数；其中，掘进机的姿态信息包括掘进机的位置信息和偏角参数。
本发明提供的一种姿态检测设备，包括惯性导航器件、位移传感器和控制装置，姿态检测设备用于对掘进机工作过程中的姿态进行检测。掘进机用于在地下作业，进行开掘隧道等工作，掘进机至少包括截割头、悬臂、驱动油缸和电控箱，截割头用于对地下隧道中的截断面进行切割作业，截割头与悬臂相连，驱动油缸用于对悬臂进行驱动，悬臂运动能够带动截割头动作，电控箱用于控制截割头和驱动油缸动作。姿态检测设备设置在掘进机上，其中，惯性导航器件设置在掘进机的电控箱中，惯性导航器件能够采集掘进机姿态参数，具体包括确定掘进机所在的位置点，还能够确定掘进机动作的角度参数，位移传感器设置在驱动油缸上，能够通过采集驱动油缸的位移参数。控制器与位移传感器和惯性导航器件相连，控制器能够接收位移传感器和惯性导航器件检测到的参数，并且根据掘进机的姿态信息和驱动油缸的位移参数，确定截割头的平面坐标参数。截割头的平面坐标参数能够体现出结构在巷道中的姿态信息，能够根据巷道中截割面的位置信息和截割头的平面坐标参数能够确定是否需要对截割头的位置进行调整。本申请采用了机载的位移传感器和惯性导航器件对掘进机进行位姿检测，实现了对掘进机系统的全方位监控，精度相比于相关技术中仅利用传感器或者利用视频监控的系统精度更高，有益于巷道一次性成型，提高截断面成型质量，省去二次修补工作。
另外，根据本发明提供的上述技术方案中的掘进机，还可以具有如下附加技术特征：
在上述技术方案中，姿态检测设备还包括：指向仪，指向仪与控制装置相连，用于确定截割头的指向参数，并将指向参数传输至控制装置；控制装置还用于，根据指向参数和平面坐标参数确定截割头的三维坐标参数。
在该技术方案中，姿态检测设备还包括指向仪，指向仪中存储有预设的截割头的设定指向参数，控制装置从指向仪处获取到截割头的指向参数，能够确定截割头移动的方向，根据截割头的平面坐标参数和指向参数能够确定截割头的三维坐标参数，将三维坐标参数反馈给远程控制端，远程控制端能够根据截割头的三维坐标参数模拟形成截割头在巷道中的姿态图像，实现真实表达截割轨迹，进一步提高了断面成型的精准性。
可以理解的是，指向仪可以选为激光指向仪，直接通过视觉成像系统捕捉激光指向仪的光斑信息从而确定截割头移动的方向。
在上述任一技术方案中，控制装置确定截割头的平面坐标参数的步骤之前，还包括：根据掘进机的位置信息建立惯性导航坐标系。
在该技术方案中，控制装置在确定截割头的平面坐标参数之前，根据掘进机的位置信息建立一个惯性导航坐标系。
在上述任一技术方案中，控制装置确定截割头的平面坐标参数的步骤，具体包括：将偏角参数和位移参数输入至惯性导航坐标系进行坐标参数转换，确定截割头的平面坐标参数，实现将惯性导航器件采集到的参数转换为坐标参数，能够直观的体现出截割头的与巷道之间的位置关系。
在该技术方案中，将偏角参数和位移参数输入至惯性导航坐标系中，能够生成一个基于惯性导航系统的坐标参数，从而确定截割头基于惯性导航系统的平面坐标参数。
在上述任一技术方案中，控制装置还用于：根据三维坐标参数确定截断面存在欠挖关系，向掘进机的电控箱发送第一补偿参数。
在该技术方案中，控制装置根据截割头的三维坐标参数确定截断面存在欠挖关系，向掘进机中的电控箱发送第一补偿参数，电控箱能够根据第一补偿参数对掘进机的姿态进行调整，还可以选择将第一补偿参数发送至远程控制端进行分析，远程控制端根据第一补偿参数向掘进机的电控箱中发送控制指令对掘进机进行控制，实现了对掘进机工作姿态的快速调整。
在上述任一技术方案中，控制装置根据三维坐标参数确定截断面是否存在欠挖关系的步骤，具体包括：根据三维坐标参数确定悬臂的水平偏移距离和悬臂的水平摆角；根据水平偏移距离、水平摆角和悬臂的长度确定截断面存在欠挖关系。
在该技术方案中，控制装置根据三维坐标参数确定悬臂的水平偏移距离和悬臂水平摆角，根据水平距离和水平摆角以及悬臂的长度能够确定截断面存在欠挖关系。
当
Figure BDA0002478129230000031
或
Figure BDA0002478129230000032
时，确定掘进机开凿的截断面存在欠挖关系。
其中，e为水平偏移距离，R为掘进机悬臂的长度，
Figure BDA0002478129230000033
为悬臂水平摆角。
在上述任一技术方案中，控制装置向掘进机的电控箱发送第一补偿参数的步骤，具体包括：根据姿态信息确定掘进机的升降角；根据升降角、水平摆角和悬臂的长度确定欠挖距离和悬臂伸缩补偿量；将欠挖距离和悬臂伸缩补偿量作为第一补偿参数发送至掘进机的电控箱。
在该技术方案中，根据惯性导航器件采集得到的姿态信息能够确定掘进机的竖直方向的升降角，根据升降角、水平白交和悬臂的长度能够计算得到欠挖距离和悬臂伸缩补偿量，欠挖距离和悬臂伸缩补偿量为第一补偿参数，控制装置能够根据第一补偿参数对掘进机进行补偿控制。
通过以下公式对截断面欠挖距离进行计算，
Figure BDA0002478129230000041
其中，h为截断面欠挖距离，R为掘进机悬臂的长度，
Figure BDA0002478129230000042
为悬臂水平摆角，θ为掘进机的升降角。
通过以下公式对悬臂伸缩补偿量进行计算，
Figure BDA0002478129230000043
其中，Δd为悬臂伸缩补偿量，R为掘进机悬臂的长度，φ为悬臂水平摆角，θ为掘进机的升降角。
在上述任一技术方案中，控制装置还用于：根据位移参数和姿态信息确定掘进机的偏向位移量；根据偏向位移量大于零确定掘进机存在偏向位移，向掘进机的电控箱发送第二补偿参数。
在该技术方案中，通过位移传感器能够检测得到掘进机的偏向位移量，判断偏向位移量是否大于零，如果偏向位移量大于零则能够确定掘进机存在偏向位置，控制装置向电控箱发送第二补偿参数，电控箱能够根据第二补偿参数对掘进机的姿态进行调整，还可以选择将第二补偿参数发送至远程控制端进行分析，远程控制端根据第二补偿参数向掘进机的电控箱中发送控制指令对掘进机进行控制。
在上述任一技术方案中，控制装置向掘进机的电控箱发送第二补偿参数的步骤，具体包括：根据三维坐标参数确定掘进机的翻滚角；根据三维坐标参数、翻滚角、水平摆角和偏向位移量确定摆角修正量，将摆角修正量作为第二补偿参数发送至掘进机的电控箱。
在该技术方案中，根据三维坐标参数能够确定掘进机的翻滚角，也可以直接通过惯性导航器件采集得到掘进机的角度参数确定掘进机的翻滚角。通过三维坐标参数、翻滚角、水平摆角和偏向位移量计算得到摆角修正量，摆角修正量为第二补偿参数，控制装置能够根据第二补偿参数对掘进机进行控制。
可以理解的是，掘进机际截割作业由于底板不平整，会出现掘进机两侧履带高度不等，与理想的水平底板形成夹角为翻滚角γ，将横滚角投影到一个三维坐标系中。
Figure BDA0002478129230000051
Figure BDA0002478129230000052
Figure BDA0002478129230000053
其中，三维坐标为(Px，Py，Pz)，R为掘进机悬臂的长度，
Figure BDA0002478129230000054
为悬臂水平摆角，θ为掘进机的升降角，γ为掘进机的翻滚角。
通过以下公式计算得到摆角修正量，
Figure BDA0002478129230000055
其中，R为掘进机悬臂的长度，
Figure BDA0002478129230000056
为悬臂水平摆角，γ为掘进机的翻滚角， a为偏向位移量，
Figure BDA0002478129230000057
为摆角修正量。
根据本发明的第二方面提出了一种掘进机，包括：如上述任一技术方案中的姿态检测设备；悬臂；驱动油缸，驱动油缸与悬臂相连，姿态检测设备中的位移传感器设置在驱动油缸上；电控箱，姿态检测设备中的惯性导航器件设置在电控箱内。
在该技术方案中，公开了一种掘进机，掘进机包括悬臂、驱动油缸和电控箱，悬臂的一端还设置有用于地下掘进作业的截割头，驱动油缸与悬臂相连，用于驱动悬臂动作，电控箱控制驱动油缸动作，从而控制悬臂动作，掘进机还包括如上述任一技术方案中的姿态检测设备，因而具有上述任一技术方案中姿态检测设备的有益效果，在此不再过多赘述。
可以理解的是，姿态检测装置中的惯性导航器件设置在电控箱中，能够对掘进机的整体姿态进行检测，位移传感器设置掘进机的驱动油缸上，采集每个驱动油缸的位移参数。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出了本发明的一个实施例的姿态检测设备的示意框图；
图2示出了本发明的一个实施例的姿态检测设备的控制方法的流程示意图；
图3示出了本发明的另一个实施例的姿态检测设备的控制方法的流程示意图；
图4示出了本发明的再一个实施例的姿态检测设备的控制方法的流程示意图；
图5示出了本发明的一个完整实施例的姿态检测设备的控制方法的流程示意图；
图6示出了本发明的掘进机悬臂竖直方向摆动范围示意图；
图7示出了本发明的掘进机悬臂水平方向摆动范围示意图；
图8示出了本发明的掘进机水平偏移与断面欠挖示意图；
图9示出了本发明的一个实施例的断面补偿控制系统示意框图。
其中，图1中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：
100姿态检测设备，102惯性导航器件，104位移传感器，106指向仪。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面参照图1至图5描述根据本发明一些实施例的姿态检测设备和掘进机。
实施例一：
如图1所示，本发明的一个实施例中，提供了一种姿态检测设备100，用于掘进机，掘进机包括：截割头、悬臂、驱动油缸和电控箱，姿态检测设备100包括：惯性导航器件102，惯性导航器件102设置于电控箱中，用于采集掘进机的姿态信息；位移传感器104，位移传感器104设置在驱动油缸上，用于采集驱动油缸的位移参数；控制装置108，控制装置108 用于根据掘进机的姿态信息和驱动油缸的位移参数，确定截割头的平面坐标参数；其中，掘进机的姿态信息包括掘进机的位置信息和偏角参数。
在该实施例中，姿态检测设备100包括惯性导航器件102、位移传感器104和控制装置108，姿态检测设备100用于对掘进机工作过程中的姿态进行检测。掘进机用于在地下作业，进行开掘隧道等工作，掘进机至少包括截割头、悬臂、驱动油缸和电控箱，截割头用于对地下隧道中的截断面进行切割作业，截割头与悬臂相连，驱动油缸用于对悬臂进行驱动，悬臂运动能够带动截割头动作，电控箱用于控制截割头和驱动油缸动作。姿态检测设备100设置在掘进机上，其中，惯性导航器件102设置在掘进机的电控箱中，惯性导航器件102 能够采集掘进机姿态参数，具体包括确定掘进机所在的位置点，还能够确定掘进机动作的角度参数，位移传感器104设置在驱动油缸上，能够通过采集驱动油缸的位移参数。控制器与位移传感器104和惯性导航器件102相连，控制器能够接收位移传感器104和惯性导航器件102检测到的参数，并且根据掘进机的姿态信息和驱动油缸的位移参数，确定截割头的平面坐标参数。截割头的平面坐标参数能够体现出结构在巷道中的姿态信息，能够根据巷道中截割面的位置信息和截割头的平面坐标参数能够确定是否需要对截割头的位置进行调整。本申请采用了机载的位移传感器104和惯性导航器件102对掘进机进行位姿检测，实现了对掘进机系统的全方位监控，精度相比于相关技术中仅利用传感器或者利用视频监控的系统精度更高，有益于巷道一次性成型，提高截断面成型质量，省去二次修补工作。
在上述实施例中，姿态检测设备100还包括：指向仪106，指向仪106与控制装置108相连，用于确定截割头的指向参数，并将指向参数传输至控制装置108；控制装置108还用于，根据指向参数和平面坐标参数确定截割头的三维坐标参数。
在该实施例中，姿态检测设备100还包括指向仪106，指向仪106中存储有预设的截割头的设定指向参数，控制装置108从指向仪106处获取到截割头的指向参数，能够确定截割头移动的方向，根据截割头的平面坐标参数和指向参数能够确定截割头的三维坐标参数，将三维坐标参数反馈给远程控制端，远程控制端能够根据截割头的三维坐标参数模拟形成截割头在巷道中的姿态图像，实现真实表达截割轨迹，进一步提高了断面成型的精准性。
可以理解的是，指向仪106可以选为激光指向仪106，直接通过视觉成像系统捕捉激光指向仪106的光斑信息从而确定截割头移动的方向。
在上述任一实施例中，控制装置108确定截割头的平面坐标参数的步骤之前，还包括：根据掘进机的位置信息建立惯性导航坐标系。
在该实施例中，控制装置108在确定截割头的平面坐标参数之前，根据掘进机的位置信息建立一个惯性导航坐标系。
在上述任一实施例中，控制装置108确定截割头的平面坐标参数的步骤，具体包括：将偏角参数和位移参数输入至惯性导航坐标系进行坐标参数转换，确定截割头的平面坐标参数。
在该实施例中，将偏角参数和位移参数输入至惯性导航坐标系中，能够生成一个基于惯性导航系统的坐标参数，从而确定截割头基于惯性导航系统的平面坐标参数，能够直观的体现出截割头的与巷道之间的位置关系。
在上述任一实施例中，控制装置108还用于：根据三维坐标参数确定截断面存在欠挖关系，向掘进机的电控箱发送第一补偿参数。
在该实施例中，控制装置108根据截割头的三维坐标参数确定截断面存在欠挖关系，向掘进机中的电控箱发送第一补偿参数，电控箱能够根据第一补偿参数对掘进机的姿态进行调整，还可以选择将第一补偿参数发送至远程控制端进行分析，远程控制端根据第一补偿参数向掘进机的电控箱中发送控制指令对掘进机进行控制，实现了对掘进机工作姿态的快速调整。
在上述任一实施例中，控制装置108根据三维坐标参数确定截断面是否存在欠挖关系的步骤，具体包括：根据三维坐标参数确定悬臂的水平偏移距离和悬臂的水平摆角；根据水平偏移距离、水平摆角和悬臂的长度确定截断面存在欠挖关系。
在该实施例中，控制装置108根据三维坐标参数确定悬臂的水平偏移距离和悬臂水平摆角，根据水平距离和水平摆角以及悬臂的长度能够确定截断面存在欠挖关系。
当
Figure BDA0002478129230000091
或
Figure BDA0002478129230000092
时，确定掘进机开凿的截断面存在欠挖关系。
其中，e为水平偏移距离，R为掘进机悬臂的长度，
Figure BDA0002478129230000093
为悬臂水平摆角。
在上述任一实施例中，控制装置108向掘进机的电控箱发送第一补偿参数的步骤，具体包括：根据姿态信息确定掘进机的升降角；根据升降角、水平摆角和悬臂的长度确定欠挖距离和悬臂伸缩补偿量；将欠挖距离和悬臂伸缩补偿量作为第一补偿参数发送至掘进机的电控箱。
在该实施例中，根据惯性导航器件102采集得到的姿态信息能够确定掘进机的竖直方向的升降角，根据升降角、水平白交和悬臂的长度能够计算得到欠挖距离和悬臂伸缩补偿量，欠挖距离和悬臂伸缩补偿量为第一补偿参数，控制装置108能够根据第一补偿参数对掘进机进行补偿控制。
通过以下公式对截断面欠挖距离进行计算，
Figure BDA0002478129230000094
其中，h为截断面欠挖距离，R为掘进机悬臂的长度，
Figure BDA0002478129230000095
为悬臂水平摆角，θ为掘进机的升降角。
通过以下公式对悬臂伸缩补偿量进行计算，
Figure BDA0002478129230000096
其中，Δd为悬臂伸缩补偿量，R为掘进机悬臂的长度，φ为悬臂水平摆角，θ为掘进机的升降角。
在上述任一实施例中，控制装置108还用于：根据位移参数和姿态信息确定掘进机的偏向位移量；根据偏向位移量大于零确定掘进机存在偏向位移，向掘进机的电控箱发送第二补偿参数。
在该实施例中，通过位移传感器104能够检测得到掘进机的偏向位移量，判断偏向位移量是否大于零，如果偏向位移量大于零则能够确定掘进机存在偏向位置，控制装置108向电控箱发送第二补偿参数，电控箱能够根据第二补偿参数对掘进机的姿态进行调整，还可以选择将第二补偿参数发送至远程控制端进行分析，远程控制端根据第二补偿参数向掘进机的电控箱中发送控制指令对掘进机进行控制。
在上述任一实施例中，控制装置108向掘进机的电控箱发送第二补偿参数的步骤，具体包括：根据三维坐标参数确定掘进机的翻滚角；根据三维坐标参数、翻滚角、水平摆角和偏向位移量确定摆角修正量，将摆角修正量作为第二补偿参数发送至掘进机的电控箱。
在该实施例中，根据三维坐标参数能够确定掘进机的翻滚角，也可以直接通过惯性导航器件102采集得到掘进机的角度参数确定掘进机的翻滚角。通过三维坐标参数、翻滚角、水平摆角和偏向位移量计算得到摆角修正量，摆角修正量为第二补偿参数，控制装置108能够根据第二补偿参数对掘进机进行控制。
可以理解的是，掘进机际截割作业由于底板不平整，会出现掘进机两侧履带高度不等，与理想的水平底板形成夹角为翻滚角γ，将横滚角投影到一个三维坐标系中。
Figure BDA0002478129230000101
Figure BDA0002478129230000102
Figure BDA0002478129230000103
其中，三维坐标为(Px，Py，Pz)，R为掘进机悬臂的长度，
Figure BDA0002478129230000104
为悬臂水平摆角，θ为掘进机的升降角，γ为掘进机的翻滚角。
通过以下公式计算得到摆角修正量，
Figure BDA0002478129230000105
其中，R为掘进机悬臂的长度，
Figure BDA0002478129230000106
为悬臂水平摆角，γ为掘进机的翻滚角， a为偏向位移量，
Figure BDA0002478129230000107
为摆角修正量。
实施例二：
如图2所示，本发明的一个实施例中，限定一种姿态检测设备100的控制方法，包括：
步骤S102，采集掘进机的姿态信息，并建立惯性导航坐标系；
步骤S104，采集驱动油缸的位移参数；
步骤S106，将偏角参数和位移参数输入至惯性导航坐标系进行坐标参数转换，确定截割头的平面坐标参数；
步骤S108，根据指向参数和平面坐标参数确定截割头的三维坐标参数；
步骤S110，根据三维坐标参数确定截断面存在欠挖关系，向掘进机的电控箱发送第一补偿参数；
步骤S112，根据位移参数和姿态信息确定掘进机的偏向位移量；
步骤S114，根据偏向位移量大于零确定掘进机存在偏向位移，向掘进机的电控箱发送第二补偿参数。
其中，掘进机的姿态信息包括掘进机的位置信息和偏角参数。
在该实施例中，根据截割头的平面坐标参数和指向参数能够确定截割头的三维坐标参数，将三维坐标参数反馈给远程控制端，远程控制端能够根据截割头的三维坐标参数模拟形成截割头在巷道中的姿态图像，实现真实表达截割轨迹，进一步提高了断面成型的精准性。确定截割头的平面坐标参数的步骤，具体包括：将偏角参数和位移参数输入至惯性导航坐标系进行坐标参数转换，确定截割头的平面坐标参数，实现将惯性导航器件采集到的参数转换为坐标参数，能够直观的体现出截割头的与巷道之间的位置关系。向掘进机中的电控箱发送第一补偿参数和第二补偿参数，电控箱能够根据第一补偿参数和第二补偿参数对掘进机的姿态进行调整，还可以选择将第一补偿参数和第二补偿参数发送至远程控制端进行分析，远程控制端根据第一补偿参数和第二补偿参数向掘进机的电控箱中发送控制指令对掘进机进行控制，实现了对掘进机工作姿态的快速调整。
如图3所示，在上述任一实施例中，控制装置向掘进机的电控箱发送第一补偿参数的步骤，具体包括：
步骤S202，根据姿态信息确定掘进机的升降角；
步骤S204，根据升降角、水平摆角和悬臂的长度确定欠挖距离和悬臂伸缩补偿量；
步骤S206，将欠挖距离和悬臂伸缩补偿量作为第一补偿参数发送至掘进机的电控箱。
在该实施例中，根据惯性导航器件采集得到的姿态信息能够确定掘进机的竖直方向的升降角，根据升降角、水平白交和悬臂的长度能够计算得到欠挖距离和悬臂伸缩补偿量，欠挖距离和悬臂伸缩补偿量为第一补偿参数，控制装置能够根据第一补偿参数对掘进机进行补偿控制。
通过以下公式对截断面欠挖距离进行计算，
Figure BDA0002478129230000121
其中，h为截断面欠挖距离，R为掘进机悬臂的长度，
Figure BDA0002478129230000122
为悬臂水平摆角，θ为掘进机的升降角。
通过以下公式对悬臂伸缩补偿量进行计算，
Figure BDA0002478129230000123
其中，Δd为悬臂伸缩补偿量，R为掘进机悬臂的长度，φ为悬臂水平摆角，θ为掘进机的升降角。
如图4所示，在上述任一实施例中，控制装置向掘进机的电控箱发送第二补偿参数的步骤，具体包括：
步骤S302，根据三维坐标参数确定掘进机的翻滚角；
步骤S304，根据三维坐标参数、翻滚角、水平摆角和偏向位移量确定摆角修正量，将摆角修正量作为第二补偿参数发送至掘进机的电控箱。
实施例三：
如图5所示，本发明的一个完整实施例中，限定了一种姿态检测设备100 的控制方法，包括：
步骤S402，姿态检测设备100自动对准；
步骤S404，姿态检测设备100初始化；
步骤S406，多传感器融合导航；
步骤S408，计算掘进机机身位姿信息；
步骤S410，掘进机记载控制器控制掘进机动作；
步骤S412，计算截割头在惯性导航坐标系的位置；
步骤S414，通过控制总线向掘进机发送补偿角度和补偿位移；
步骤S416，伸缩补偿控制指令输出。
在该实施例中，姿态检测设备100在掘进机上电后自动初始对准，对准完成后进入导航模式，与里程计组合输出姿态和位置参数，数据采集接收视觉成像仪、悬臂升降回转油缸参数等，结合惯性导航输出的坐标参数，转换得到掘进机的位姿参数和截割头相对于巷道基准的绝对坐标。掘进机机载的控制装置接收坐标数据后，经模型计算以通讯指令的形式输出到执行机构，同时结合悬臂回转油缸、升降油缸位移和角度数据，计算实时伸缩补偿量，并对悬臂摆角进行修正，精准控制掘进机截割头的截割与伸缩补偿动作。
基于掘进机姿态测量系统，将惯性导航系统提供的姿态信息与悬臂的驱动油缸位移参数相结合，进行坐标参数的转换，得到掘进机截割头的平面坐标参数，然后利用视觉成像捕捉激光指向仪的光斑位置信息和检测偏向位移，并将该信息进行模型计算确定三维坐标参数，获取的机身与截割头位置数据上传，完成位置信息在线监测，提供远程操作手操作使用。
在一个具体实施例中，掘进机悬臂水平放置为标准，建立掘进机悬臂升降与横摆的坐标关系。
如图6和图7所示，悬臂水平摆动相当于在xOz平面投影，可以计算出在xoz平面位置点投影点距离坐标原点的距离，其值为：
Figure BDA0002478129230000131
截割臂的竖直摆动，相当于在xOz平面向z轴投影，可以计算出为位置点在z轴的投影长度，其值为：
Figure BDA0002478129230000132
球面顶点与当前位置点的距离为：
Figure BDA0002478129230000133
可以理解的是，截割臂的自由端运动所形成的球面的圆锥形运动区域，当前位置点为截割臂在升降角度和摆角下的当前位置点。
如图8所示，截断面存在欠挖关系，图中a为巷道中心轴线位置，b为偏移位置未修正，c为偏移位置修正，d欠挖区域，e水平偏移距离。
当
Figure BDA0002478129230000134
或
Figure BDA0002478129230000135
时，确定掘进机开凿的截断面存在欠挖关系。
其中，e为水平偏移距离，R为掘进机悬臂的长度，
Figure BDA0002478129230000141
为悬臂水平摆角。
通过以下公式对截断面欠挖距离进行计算，
Figure BDA0002478129230000142
其中，h为截断面欠挖距离，R为掘进机悬臂的长度，
Figure BDA0002478129230000143
为悬臂水平摆角，θ为掘进机的升降角。
通过以下公式对悬臂伸缩补偿量进行计算，
Figure BDA0002478129230000144
其中，Δd为悬臂伸缩补偿量，R为掘进机悬臂的长度，φ为悬臂水平摆角，θ为掘进机的升降角。
掘进机际截割作业由于底板不平整，会出现掘进机两侧履带高度不等，与理想的水平底板形成夹角为翻滚角γ，将横滚角投影到一个三维坐标系中。
Figure BDA0002478129230000145
Figure BDA0002478129230000146
Figure BDA0002478129230000147
其中，三维坐标为(Px，Py，Pz)，R为掘进机悬臂的长度，
Figure BDA0002478129230000148
为悬臂水平摆角，θ为掘进机的升降角，γ为掘进机的翻滚角。
通过以下公式计算得到摆角修正量，
Figure BDA0002478129230000149
其中，R为掘进机悬臂的长度，
Figure BDA00024781292300001410
为悬臂水平摆角，γ为掘进机的翻滚角， a为偏向位移量，
Figure BDA00024781292300001411
为摆角修正量。
实施例四：
如图9所示，本发明的一个实施例，提供了一种断面补偿控制系统，断面补偿控制系统包括如上述任一实施例中的姿态检测设备100、数学平台和补偿控制装置。
数学平台能够根据姿态检测设备100采集到的各项参数基进行计算，从而得到对掘进机控制的控制参数，其中，控制参数包括具体的移动位置和移动速度。数学平台计算得到的控制参数发送至补偿控制装置中，机载控制器根据欠挖距离、伸缩补偿量和角度修正量对掘进机进行断面伸缩补偿控制，实现了经精确模型计算的截割头位姿参数，能够真实表达截割轨迹。断面成型的精准控制，有益于巷道一次性成型，提高断面成型质量，省去二次的修补工作。
惯性导航系统中包括陀螺仪和能够检测加速度的传感器，将检测到的加速度和角度参数发送给控制装置中的数学平台进行计算，经过变换矩阵计算后再进行姿态、航向计算。将计算后的参数发送给控制装置，控制装置根据欠挖距离、伸缩补偿量和摆角修正量对掘进机进行控制，实现对截断面伸缩进行补偿。
基于姿态检测设备100的断面截割断面补偿控制具体包括：姿态检测设备 100在进入导航模式后，与里程计组合输出姿态和位置参数，数据采集接收视觉成像仪、悬臂升降回转油缸参数等，结合惯性导航输出的坐标参数，转换得到掘进机的位姿参数和截割头相对于巷道基准的绝对坐标。掘进机机载的控制装置接收坐标数据后，经模型计算以通讯指令的形式输出到执行机构，同时结合悬臂回转油缸、升降油缸位移和角度数据，计算实时伸缩补偿量，并对悬臂摆角进行修正，精准控制掘进机截割头的截割与伸缩补偿动作。
实施例五：
本发明的一个实施例中，提供了一种掘进机，掘进机包括悬臂、驱动油缸和电控箱，悬臂的一端还设置有用于地下掘进作业的截割头，驱动油缸与悬臂相连，用于驱动悬臂动作，电控箱控制驱动油缸动作，从而控制悬臂动作，掘进机还包括如上述任一技术方案中的姿态检测设备，因而具有上述任一技术方案中姿态检测设备的有益效果，在此不再过多赘述。
可以理解的是，姿态检测装置中的惯性导航器件设置在电控箱中，能够对掘进机的整体姿态进行检测，位移传感器设置掘进机的驱动油缸上，采集每个驱动油缸的位移参数。
在本发明中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种姿态检测设备，用于掘进机，所述掘进机包括：截割头、悬臂、驱动油缸和电控箱，其特征在于，所述姿态检测设备包括：
惯性导航器件，所述惯性导航器件设置于所述电控箱中，用于采集所述掘进机的姿态信息；
位移传感器，所述位移传感器设置在所述驱动油缸上，用于采集所述驱动油缸的位移参数；
控制装置，所述控制装置用于根据所述掘进机的姿态信息和所述驱动油缸的位移参数，确定所述截割头的平面坐标参数；
其中，所述掘进机的姿态信息包括掘进机的位置信息和偏角参数；
所述姿态检测设备还包括：
指向仪，所述指向仪与所述控制装置相连，用于确定所述截割头的指向参数，并将指向参数传输至控制装置；
所述控制装置还用于，根据所述指向参数和所述平面坐标参数确定所述截割头的三维坐标参数。
2.根据权利要求1所述的姿态检测设备，其特征在于，所述控制装置确定所述截割头的平面坐标参数的步骤之前，还包括：
根据所述掘进机的位置信息建立惯性导航坐标系。
3.根据权利要求2所述的姿态检测设备，其特征在于，所述控制装置确定所述截割头的平面坐标参数的步骤，具体包括：
将所述偏角参数和所述位移参数输入至所述惯性导航坐标系进行坐标参数转换，确定所述截割头的所述平面坐标参数。
4.根据权利要求3所述的姿态检测设备，其特征在于，所述控制装置还用于：
根据所述三维坐标参数确定截断面存在欠挖关系，向所述掘进机的电控箱发送第一补偿参数。
5.根据权利要求4所述的姿态检测设备，其特征在于，所述控制装置根据所述三维坐标参数确定截断面是否存在欠挖关系的步骤，具体包括：
根据所述三维坐标参数确定所述悬臂的水平偏移距离和所述悬臂的水平摆角；
根据所述水平偏移距离、所述水平摆角和所述悬臂的长度确定截断面存在欠挖关系。
6.根据权利要求5所述的姿态检测设备，其特征在于，所述控制装置向所述掘进机的电控箱发送第一补偿参数的步骤，具体包括：
根据所述姿态信息确定所述掘进机的升降角；
根据所述升降角、所述水平摆角和所述悬臂的长度确定所述欠挖距离和所述悬臂伸缩补偿量；
将所述欠挖距离和所述悬臂伸缩补偿量作为所述第一补偿参数发送至所述掘进机的电控箱。
7.根据权利要求6所述的姿态检测设备，其特征在于，所述控制装置还用于：
根据所述位移参数和所述姿态信息确定所述掘进机的偏向位移量；
根据所述偏向位移量大于零确定所述掘进机存在偏向位移，向所述掘进机的电控箱发送第二补偿参数。
8.根据权利要求7所述的姿态检测设备，其特征在于，所述控制装置向所述掘进机的电控箱发送第二补偿参数的步骤，具体包括：
根据所述三维坐标参数确定所述掘进机的翻滚角；
根据所述三维坐标参数、所述翻滚角、所述水平摆角和偏向位移量确定摆角修正量，将所述摆角修正量作为所述第二补偿参数发送至所述掘进机的电控箱。
9.一种掘进机，其特征在于，包括：
如上述权利要求1至8中任一项所述的姿态检测设备；
悬臂；
驱动油缸，所述驱动油缸与所述悬臂相连，所述姿态检测设备中的位移传感器设置在所述驱动油缸上；
电控箱，所述姿态检测设备中的惯性导航器件设置在所述电控箱内。
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