CN112012759A - 一种用于煤矿巷道的掘进装备导航定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿巷道掘进技术领域，具体是一种用于煤矿巷道的掘进装备导航定位系统。包括掘进机本体、摄像头组件、辅惯性导航组件、铲板角度传感器、压力传感器、测距传感器、防碰撞预警系统、主惯性导航组件、流量传感器、主控器组件、后支撑角度传感器、棱镜组、轨道、自动全站仪组件、上位机系统以及振动传感器。本发明的煤矿巷道掘进的掘进装备导航定位系统，自动全站仪穿梭在轨道上，也可以固定于其他已知坐标位置，能对掘进机惯性导航组件进行准确标定。

Description

一种用于煤矿巷道的掘进装备导航定位系统

技术领域

本发明涉及煤矿巷道掘进技术领域，具体是一种用于煤矿巷道的掘进装备导航定位系统。

背景技术

目前我国煤矿每年巷道掘进量超过8000km，其中综合机械化掘进量（综掘）占比很大，并逐年大幅提高。近年来，据统计煤矿在役掘进机约6000台，绝大部分掘进机的操作都是由工人在设备上直接操作。掘进工作面已经成为煤矿井下环境恶劣、地质复杂、人员劳动强度最大的区域。掘进工作面粉尘、灰尘量都会很大，工人视野局限，操作人员只能根据感觉定位和定向，无法自动截割，人员工作劳动危险性高，劳动强度大，受灰尘影响大，绝大多数工人受尘肺病困扰。同时截割断面超挖、欠挖严重，巷道成形质量差。

在公开号为CN109630154A的中国专利文献中，提出了一种用于隧道掘进的掘进机器人，该机器人为水利水电、交通建设中用于隧洞掘进的设备。该文献中的设备采用全断面掘进机，全断面掘进机不适用于煤矿巷道掘进工作，而且上述文献中对掘进的关键技术导航定位及自动截割等并未说明。

关于掘进机定位定向的研究，公开号为CN102419433A，名为“一种掘进机定位系统”的专利申请文件以及公开号为CN105298509A，名为“一种掘进机姿态定位系统”的专利申请文件中，通过安装在掘进机上的无线信号收发器与安装在巷道内的多个个无线信号发射器，运用GPS无线定位原理对掘进机进行定位。公开号为CN106225779A，名为“基于三激光标记点图像的掘进机定位系统及导航定位方法”的专利申请文件中，通过安装在掘进机上的摄像仪对三角激光标记仪产生的激光点进行识别，达到掘进机姿态测量的目的。公开号为CN104296733A，名为“掘进机激光定位装置及掘进机”的专利申请文件中，通过在巷道内安装激光发射器，并在掘进机上安装激光定位传感器。通过分析激光定位传感器信号来推算掘进机的位置信息，实现导航。公开号为CN105178967A，名为“掘进机自主定位定向系统及方法”的专利申请文件中，通过在巷道内布置4个基站机器人，建立定位基站群，基站机器人可自主移动避障，利用陀螺寻北仪在固定点逐次寻北来定向，无线基站实现对掘进机的定位。公开号为CN108345005A，名为“巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统及导航定位方法”的专利申请文件中，主要通过捷联惯导系统、三维激光扫描雷达和参考标记智能小车实现对掘进机的定位定向。

关于掘进机自动截割的研究，公开号为CN103147756A，名为“一种掘进机记忆截割控制系统及方法”的专利申请文件中，通过布置油缸位移传感器、截割电机电流传感器，首先由人工操作掘进机割一刀，记载计算机系统记录油缸位移传感器和截割电机电流传感器的信息，确定截割头的运动轨迹，自动截割时，截割头按照人工操作的运动轨迹自动运行。公开号为CN102418522A，名为“一种掘进机及应用其的截割标定方法”的专利申请文件中，在截割部安装倾角传感器，回转台安装旋转编码器，机身安装定位装置，由操作人员设定原点，控制截割部割出一个断面，传感器进行数据采集，由该数据进行控制掘进机运行，实现自动截割。

在上述关于掘进机定位定向的专利申请文件中，都需要在巷道中设置固定或者可移动的参考标记或者基站，需要人工固定参考标记或者通过多个无线定位基站机器人、通过点测来参与掘进机导航过程，仍然存在工作效率低、速度慢、维护困难、实时连续测量受限等问题，无法实现掘进机完全的自主连续导航定位定向。

在上述关于掘进机自动截割的专利申请文件中，需要使用油缸位移传感器、倾角传感器和旋转编码器等，实际使用过程中，传感器存在故障率高、可靠性精度低、维护困难等问题，无法稳定的实现掘进机的自动截割功能。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种用于煤矿巷道的掘进装备导航定位系统。

本发明采取以下技术方案：一种用于煤矿巷道的掘进装备导航定位系统，包括掘进机本体、摄像头组件、辅惯性导航组件、铲板角度传感器、压力传感器、测距传感器、防碰撞预警系统、主惯性导航组件、流量传感器、主控器组件、后支撑角度传感器、棱镜组、轨道、自动全站仪组件、上位机系统以及振动传感器。

铲板角度传感器、测距传感器、防碰撞预警系统、主惯性导航组件、主控器组件和后支撑角度传感器安装于所述掘进机本体的机身上。

辅惯性导航组件、振动传感器安装于掘进机本体的截割臂上，同时截割臂上安装摄像头组件。

铲板角度传感器和后支撑角度传感器分别安装在掘进机本体的铲板处和后支撑处。

流量传感器安装在掘进机本体的液压系统中的主泵与主阀之间，压力传感器安装在主阀工作油口和油缸油口之间。

全站仪组件布置在掘进机本体后侧的轨道上，棱镜组安装在掘进机本体机身上；防碰撞预警系统分为发射器和接收器，其中发射器安装在掘进机本体机身上，接收器安装在其他设备上或由工作人员随身佩戴。

主控器组件采集和接收主惯性导航组件、辅惯性导航组件、自动全站仪组件、测距传感器、铲板角度传感器、后支撑角度传感器、防碰撞预警系统、摄像头组件、流量传感器、压力传感器以及振动传感器的数据并传输给上位机系统。

自动全站仪组件上对称安装有卡在轨道两侧的驱动轮，驱动轮由驱动电机驱动，自动全站仪组件与轨道之间设置有支撑轮，自动全站仪组件上安装有无线模块、能源模块、高速相机以及自动全站仪；所述的轨道为工字型，轨道架设在巷道的顶部，轨道的下表面安装位置标识。

高速相机拍摄位置标识并通过无线模块传输给主控器组件，主控器组件计算自动全站仪组件的位置；能源模块为驱动电机、高速相机和无线模块提供工作电源；能源模块将电池信息实时传递给主控器组件，确定自动全站仪组件的剩余行驶里程，进行电池充电管理，并监测电池电量情况，电池电量达到设定的下限值时，主控器组件发出指令，使自动全站仪组件运行回充电站进行充电，自动全站仪组件测量与棱镜组之间的距离，并发给主控器组件，达到设定距离的阈值时，主控器组件发送命令，自动全站仪组件自动前进。

防碰撞预警系统的发射器发射无线电波，在掘进机本体周围形成环形区域，环形区域分为报警区和停机区，安装有接收器的其他设备或工作人员进入报警区域时，发出报警信号，警告进入危险区域；进入环形区域的停机区域时，掘进机和设备停止工作，防止设备相互碰撞。

主惯性导航组件测量掘进机本体的位姿信息，辅惯性导航组件以掘进机本体为基准，测量掘进机本体截割臂的位姿信息并传递给主控器组件，并结合测距传感器测量的掘进机在巷道中的位置信息，主控器组件解算后得到实际截割头的空间位置，与规划的路径进行对比，如果出现误差，主控器组件发出控制指令，使截割臂不断调整；在自动截割过程中，主控器组件监控截割电机的电流大小，如果电流过大，降低截割头的运动速度，防止电机过载，如果电流小，增大截割头的运动速度，提高截割效率；同时监测掘进机铲板位置，防止在自动截割时，截割臂与铲板发生碰撞。

在上位机系统上将控制命令传输给主控器组件，初始时，主控器组件根据自动全站仪组件的位置信息，对主惯性导航组件和辅惯性导航组件进行标定，标定工作完成后，根据测距传感器测量的掘进机本体距前煤壁和侧帮的距离，主控器组件控制行走阀组动作，给液压马达供油，驱动掘进机本体，调整机身在巷道中的位置；掘进机本体截割头与前煤壁接触到，主控器组件的自动截割程序启动，控制截割头运动到自动截割的起点位置，开始自动截割煤壁；截割完后，开始铺网锚护，并架设轨道，此时掘进装备导航定位系统不工作，主控器组件开始再次对主惯性导航组件和辅惯性导航组件进行标定，待锚护铺轨完成后，进行下一轮了截割前，保证掘进装备导航定位系统航向、姿态的精确。

通过流量传感器和压力传感器检测液压系统各部分的流量和压力信号，通过振动传感器检测传动机构振动加速度信号，流量、压力以及振动加速度信号传递给主控器组件诊断液压系统回路的故障，同时诊断传动机构故障。

与现有技术相比，本发明的煤矿巷道掘进的掘进装备导航定位系统，自动全站仪穿梭在轨道上，也可以固定于其他已知坐标位置，能对掘进机惯性导航组件进行准确标定，与人工及地面移动机器人相比较，轨道上行走的自动全站仪具有快速高效的优点，而且可以有效避免地板破碎及大量浮煤对标定设备的影响。通过在截割臂上布置辅惯性导航组件，可以准确测量截割头的空间位置，为自动截割提供准确的信息，与采用油缸位移传感器、旋转编码器等相比较，辅惯性导航组件可靠性更好，而且方便维护与更换。采用了防碰撞预警系统，有效的保证设备与设备之间的碰撞，防止人员接近正在工作的掘进装备导航定位系统，有效的保证人员的安全。掘进机液压系统采用电液比例控制，结合流量、压力传感器，在主要传动机构上安装振动传感器，对系统进行健康诊断，操作人员只需在远程操控中心控制，无需到现场检测，节省了人工。

附图说明

图1是本发明掘进装备导航定位系统示意图；

图2是本发明掘进装备导航定位系统俯视图；

图3是本发明自动全站仪组件轨道安装示意图；

图4是本发明自动全站仪组件示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此外所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都将属于本发明保护的范围。

图1及图2所示，一种用于煤矿巷道的掘进装备导航定位系统，包括掘进机本体1、摄像头组件2、辅惯性导航组件3、铲板角度传感器4、压力传感器5、测距传感器6、防碰撞预警系统7、主惯性导航组件8、流量传感器9、主控器组件10、后支撑角度传感器11、棱镜组12、轨道13、自动全站仪组件14、上位机系统15、振动传感器16；铲板角度传感器4、压力传感器5、测距传感器6、防碰撞预警系统7、主惯性导航组件8、流量传感器9、主控器组件10、后支撑角度传感器11、棱镜组12安装于所述掘进机本体1的机身上；辅惯性导航组件3、振动传感器16安装于掘进机截割臂上，同时截割臂上安装摄像头组件2；铲板角度传感器4、后支撑角度传感器11分别安装在掘进机本体1的铲板处和后支撑处；流量传感器9、压力传感器5安装在掘进机本体1的液压系统中；自动全站仪组件14和棱镜组12两部分完成自动标定，全站仪组件14布置在掘进机后侧的轨道13上，棱镜组12安装在掘进机本体1机身上；防碰撞预警系统7分为发射器和接收器，其中发射器安装在掘进机本体1机身上，接收器安装在其他设备上或由工作人员随身佩戴。

测距传感器6在掘进机机身上布置3台，分别测量左右两帮和前帮的距离；棱镜组12在掘进机机身后部对称布置2个；流量传感器9和压力传感器5，分别安装在主泵与主阀之间，主阀工作油口和油缸油口之间，检测液压系统各部分的流量和压力。

主控器组件采集和接收主惯性导航组件、辅惯性导航组件、自动全站仪组件、测距传感器、铲板角度传感器、后支撑角度传感器、人员防碰撞预警系统、摄像头组件、流量传感器、压力传感器、振动传感器的数据，并进行解算，将解算后的数据传递给上位机。主控器上设置自动截割程序，系统健康诊断程序、惯性导航自动标定程序等，控制掘进装备导航定位系统的执行机构进行动作。主控器与上位机系统进行通信，获取主控器解算后的传感器信息，在上位机显示视频、掘进机航向、姿态、故障、报警等信息。并且工作人员通过上位机可以向掘进机远程发送指令，实现对掘进机的远程遥控。

主惯性导航组件用于测量掘进机的航向，掘进机机身的姿态信息。辅惯性导航组件用于测量掘进机截割臂的姿态信息。

自动全站仪组件测量掘进机的绝对位置和姿态。自动全站仪可以在轨道上移动，通过无线通讯模块连接主控器组件，用于与主控器组件进行信息通信，完成全站仪数据和主控器指令的交互。轨道架设在巷道的顶部，进行巷道铺网锚护时同时安装轨道，在轨道上设置用于标记位置的标签，通过识别标签确定自动全站仪在巷道中的位置。全站仪位置确定后，通过安装在掘进机机身上的棱镜组，可以确定掘进机的绝对位置和姿态，并发送给主控器组件，主控器组件利用全站仪测量的掘进机位置和姿态，对主惯性导航组件进行标定，同时辅惯性导航组件根据已确定的主惯性导航组件的位置和姿态信息进行标定，保证主惯性导航组件和辅惯性导航组件的精度，最终保证掘进机运行时的航向和姿态精度。

测距传感器布置三个，分别测量掘进机机身与两个侧帮和前方煤壁的距离。铲板角度传感器、后支撑角度传感器用于测量掘进机铲板和后支撑装置的角度。摄像头组件用于观察掘进机工作时的环境，实现掘进工作面的可视化。

防碰撞预警系统的发射器发射无线电波，在掘进机身周围形成环形区域，环形区域分为报警区和停机区，安装有接收器的其他设备或工作人员进入报警区域时，发出报警信号，警告进入危险区域；进入环形区域的停机区域时，掘进机和设备停止工作，防止设备相互碰撞，并保护工作人员的安全。

掘进机本体液压系统采用电液比例控制系统，通过主控器组件的命令，控制掘进机的截割、行走等动作，实现掘进机的位姿调整。其中使用多个流量传感器和压力传感器，分别安装在主泵与主阀之间，主阀工作油口和油缸油口之间，检测液压系统各部分的流量和压力。

掘进装备导航定位系统的自动截割系统，在主控器组件中规划截割头的路径，截割头的行走路径由主控器组件控制液压系统实现，截割头的位置检测由主惯性导航组件和辅惯性导航组件完成。主惯性导航组件测量掘进机机身的位姿信息，辅惯性导航组件以掘进机机身为基准，测量截割臂的位姿信息并传递给主控器，并结合测距传感器测量的掘进机在巷道中的位置信息，主控器解算后得到实际截割头的空间位置，与规划的路径进行对比，如果出现误差，主控器发出控制指令，使截割臂不断调整。在自动截割过程中，主控器监控截割电机的电流大小，如果电流过大，降低截割头的运动速度，防止电机过载，如果电流小，增大截割头的运动速度，提高截割效率。同时监测掘进机铲板位置，防止在自动截割时，截割臂与铲板发生碰撞。

掘进装备导航定位系统的健康诊断系统，利用流量传感器、压力传感器检测液压系统各部分的流量和压力信号，利用振动传感器检测传动机构振动加速度信号，并传递给主控器，综合掘进机截割臂的动作、行走等动作，诊断液压系统回路的故障，例如漏油、元件故障等，同时诊断传动机构故障，故障信息可在上位机上进行显示。

图3和图4所示，自动全站仪组件14主要包括，两个驱动轮14-1、四个支撑轮14-2、驱动电机14-3、无线模块14-4、能源模块14-5，高速相机14-6，自动全站仪14-7。行走轨道13为工字型，四个支撑轮14-2将自动全站仪组件挂在轨道上，并且可以沿着轨道13滚动。对称分布的两个驱动轮14-1与轨道13紧密的贴合，依靠两者的摩擦力，两个驱动轮14-1通过驱动电机14-3带动自动全站仪组件14在轨道13上行走。

轨道13的下表面安装位置标识，高速相机14-6拍摄位置标识并通过无线模块14-4传输给主控器组件10，主控器计算自动全站仪组件的位置。能源模块14-5为驱动电机14-3、高速相机14-6、无线模块14-4提供工作电源；能源模块14-5包括可充电电池及电池管理系统，将电池信息实时传递给主控器组件10，确定自动全站仪组件14的剩余行驶里程，进行电池充电管理，并监测电池电量情况。电池电量达到设定的下限值时，主控器组件10发出指令，使自动全站仪组件14运行回充电站进行充电。

掘进装备导航定位系统工作时，由操作人员在上位机上设置航向、截割模式等信息，并将控制命令传输给主控器组件。初始时，主控器组件根据自动全站仪组件的位置信息，对主惯性导航组件和辅惯性导航组件进行标定。标定工作完成后，根据测距传感器测量的掘进机机身据前煤壁和侧帮的距离，主控制器控制行走阀组动作，给液压马达供油，驱动掘进机，调整机身在巷道中的位置。截割头与前煤壁接触到，主控器的自动截割程序启动，液压系统控制截割头运动到自动截割的起点位置，开始自动截割煤壁。截割完后，开始铺网锚护，并架设轨道，此时掘进装备导航定位系统不工作，主控器组件开始再次对主惯性导航组件和辅惯性导航组件进行标定，待锚护铺轨完成后，进行下一轮了截割前，保证掘进装备导航定位系统航向、姿态的精确。

自动全站仪组件测量与掘进装备导航定位系统之间的距离，并发给主控器组件，达到设定距离的阈值时，主控器发送命令，自动全站仪组件自动前进。在掘进装备导航定位系统工作过程中，检测液压系统各部分的压力、流量传感器信息，和主要传动部件的加速度信息，诊断液压系统回路和传动机构的故障，例如漏油、元件故障等。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种用于煤矿巷道的掘进装备导航定位系统，其特征在于：包括掘进机本体（1）、摄像头组件（2）、辅惯性导航组件（3）、铲板角度传感器（4）、压力传感器（5）、测距传感器（6）、防碰撞预警系统（7）、主惯性导航组件（8）、流量传感器（9）、主控器组件（10）、后支撑角度传感器（11）、棱镜组（12）、轨道（13）、自动全站仪组件（14）、上位机系统（15）以及振动传感器（16）；

铲板角度传感器（4）、测距传感器（6）、防碰撞预警系统（7）、主惯性导航组件（8）、主控器组件（10）和后支撑角度传感器（11）安装于所述掘进机本体（1）的机身上；

辅惯性导航组件（3）、振动传感器（16）安装于掘进机本体（1）的截割臂上，同时截割臂上安装摄像头组件（2）；

铲板角度传感器（4）和后支撑角度传感器（11）分别安装在掘进机本体（1）的铲板处和后支撑处；

流量传感器（9）安装在掘进机本体（1）的液压系统中的主泵与主阀之间，压力传感器（5）安装在主阀工作油口和油缸油口之间；

全站仪组件（14）布置在掘进机本体（1）后侧的轨道（13）上，棱镜组（12）安装在掘进机本体（1）机身上；防碰撞预警系统（7）分为发射器和接收器，其中发射器安装在掘进机本体（1）机身上，接收器安装在其他设备上或由工作人员随身佩戴；

主控器组件（10）采集和接收主惯性导航组件（8）、辅惯性导航组件（3）、自动全站仪组件（14）、测距传感器（6）、铲板角度传感器（4）、后支撑角度传感器（11）、防碰撞预警系统（7）、摄像头组件（2）、流量传感器（9）、压力传感器（5）以及振动传感器（16）的数据并传输给上位机系统（15）。

2.根据权利要求1所述的用于煤矿巷道的掘进装备导航定位系统，其特征在于：所述的自动全站仪组件（14）上对称安装有卡在轨道（13）两侧的驱动轮（14-1），驱动轮（14-1）由驱动电机（14-3）驱动，自动全站仪组件（14）与轨道（13）之间设置有支撑轮（14-2），自动全站仪组件（14）上安装有无线模块（14-4）、能源模块（14-5）、高速相机（14-6）以及自动全站仪（14-7）；所述的轨道（13）为工字型，轨道（13）架设在巷道的顶部，轨道（13）的下表面安装位置标识。

3.根据权利要求2所述的用于煤矿巷道的掘进装备导航定位系统，其特征在于：高速相机（14-6）拍摄位置标识并通过无线模块（14-4）传输给主控器组件（10），主控器组件（10）计算自动全站仪组件的位置；能源模块（14-5）为驱动电机（14-3）、高速相机（14-6）和无线模块（14-4）提供工作电源；能源模块（14-5）将电池信息实时传递给主控器组件（10），确定自动全站仪组件（14）的剩余行驶里程，进行电池充电管理，并监测电池电量情况，电池电量达到设定的下限值时，主控器组件（10）发出指令，使自动全站仪组件（14）运行回充电站进行充电，自动全站仪组件（14）测量与棱镜组（12）之间的距离，并发给主控器组件（10），达到设定距离的阈值时，主控器组件（10）发送命令，自动全站仪组件自动前进。

4.根据权利要求1所述的用于煤矿巷道的掘进装备导航定位系统，其特征在于：所述的防碰撞预警系统（7）的发射器发射无线电波，在掘进机本体（1）周围形成环形区域，环形区域分为报警区和停机区，安装有接收器的其他设备或工作人员进入报警区域时，发出报警信号，警告进入危险区域；进入环形区域的停机区域时，掘进机和设备停止工作，防止设备相互碰撞。

5.根据权利要求1所述的用于煤矿巷道的掘进装备导航定位系统，其特征在于：主惯性导航组件（8）测量掘进机本体（1）的位姿信息，辅惯性导航组件（3）以掘进机本体（1）为基准，测量掘进机本体（1）截割臂的位姿信息并传递给主控器组件（10），并结合测距传感器测量的掘进机在巷道中的位置信息，主控器组件（10）解算后得到实际截割头的空间位置，与规划的路径进行对比，如果出现误差，主控器组件（10）发出控制指令，使截割臂不断调整；在自动截割过程中，主控器组件（10）监控截割电机的电流大小，如果电流过大，降低截割头的运动速度，防止电机过载，如果电流小，增大截割头的运动速度，提高截割效率；同时监测掘进机铲板位置，防止在自动截割时，截割臂与铲板发生碰撞。

6.根据权利要求1所述的用于煤矿巷道的掘进装备导航定位系统，其特征在于：在上位机系统（15）上将控制命令传输给主控器组件，初始时，主控器组件（10）根据自动全站仪组件的位置信息，对主惯性导航组件（8）和辅惯性导航组件（3）进行标定，标定工作完成后，根据测距传感器（6）测量的掘进机本体（1）距前煤壁和侧帮的距离，主控器组件（10）控制行走阀组动作，给液压马达供油，驱动掘进机本体（1），调整机身在巷道中的位置；掘进机本体（1）截割头与前煤壁接触到，主控器组件（10）的自动截割程序启动，控制截割头运动到自动截割的起点位置，开始自动截割煤壁；截割完后，开始铺网锚护，并架设轨道，此时掘进装备导航定位系统不工作，主控器组件（10）开始再次对主惯性导航组件（8）和辅惯性导航组件（3）进行标定，待锚护铺轨完成后，进行下一轮了截割前，保证掘进装备导航定位系统航向、姿态的精确。

7.根据权利要求1所述的用于煤矿巷道的掘进装备导航定位系统，其特征在于：通过流量传感器（9）和压力传感器（5）检测液压系统各部分的流量和压力信号，通过振动传感器（16）检测传动机构振动加速度信号，流量、压力以及振动加速度信号传递给主控器组件（10）诊断液压系统回路的故障，同时诊断传动机构故障。

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