CN113252063A - 一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法 - Google Patents

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张婷
陈宁
田原
索艳春
董孟阳
李涛
郭皇煌
贾曲
马亚丽
李瑞媛
常映辉
冀鹏飞
吕继双
邢晨
郝明锐
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Abstract

本发明公开了一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法，将惯性导航单元与全站仪相结合，通过惯性导航单元给出装备的前进方向，全站仪单元给出装备的精确定位，两者相互配合实现对采掘装备的巷道进深测量。由于惯性导航单元、全站仪单元对环境的适应性强，且对装备种类没有限制，该方法可用于边帮连续采煤机、掘进机等多种装备，适用广泛。通过实时的进深数据，有利于操作人员远程获取装备在巷道内所处的位置，有利于操作人员对采掘装备的后续动作。

Description

一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法
技术领域
本发明涉及井下掘进技术领域，具体为一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法。
背景技术
采掘装备作为综掘机械化生产过程中的一种重要装备，广泛应用于煤矿巷道开采和公路隧道等工程建设中。我国煤矿采掘工作面危险高、粉尘大，不利于现场工人的生产劳动和安全健康。随着计算机技术、环境感知技术、数据融合技术及智能算法的普及应用，采掘装备的远程控制及工作面无人化成为未来发展的必然要求。
要实现采掘装备的远程控制及工作面无人化，需要准确获取采掘装备在巷道中的实时位置，并能检测出采掘装备在巷道中机身的进深情况，掌握采掘装备在巷道中的行进里程，进而对装备的目标采深、开采路线、开采量进行及时规划。
目前采掘装备的行进里程无法直接且准确测量。现常采用的方式为通过安装在装备行走履带的里程计测量进深，由于履带常发生打滑，履带周围浮煤严重，对进深测量的准确度造成较大影响，使得测得的进深值与真实值相差较大，准确性差，无法掌握采掘装备在巷道内所处的位置。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法，包括：
设置惯性导航单元和全站仪单元；其中，所述惯性导航单元固定设置于所述采掘装备机身；所述全站仪单元包括全站仪和四个棱镜；全站仪设置于巷道内采掘装备行进方向后方，四个棱镜中，三个为用于确定全站仪三维坐标的后方交会棱镜，另一个为用于确定采掘装备三维位置的坐标目标棱镜；
在巷道内选定坐标原点，构建东北天坐标系，将三个后方交会棱镜设置于所述东北天坐标系下三个已知点位置，根据全站仪后方交会原理，确定全站仪位置的三维坐标；
采掘装备运行过程中，通过惯性导航单元实时测得俯仰角和方向角，根据俯仰角和方向角，确定目标棱镜在采掘装备位置变化前后的位置坐标值，进而通过位置改变量计算采掘装备进深。
其中，根据俯仰角和方向角，确定目标棱镜在采掘装备位置变化前后的位置坐标值，进而通过位置改变量计算采掘装备进深的步骤中，包括步骤：
东北天坐标系中，设东方向为X轴，北方向为Y轴，天方向为Z轴，设采掘装备前进方向为D，将前进方向D在东北天坐标系下进行投影，即分别在XOY平面、YOZ平面投影，获得前进方向D的方向向量；
经过前进方向D且平行于Z轴方向，建立平面Q的方程，设目标棱镜位置变化前后的坐标为P1和P2，采掘装备进深为目标棱镜从P1位置在平面Q的投影点A1与P2位置在平面Q的投影点A2之间的距离|A1A2|，此距离以东北天坐标系为基准进行测量和计算，为绝对距离。
其中，后方交会棱镜的设置方式为：安装并固定于全站仪后方的开阔位置，不被遮挡，保证与全站仪通视，放置后方交会棱镜时，将其中两个后方交会棱镜安装沿巷道行进方向的于一侧，另一个后方交会棱镜安装于另一侧。
其中，目标棱镜安装于采掘装备机身后方位置，不被遮挡，保证与全站仪通视。
区别于现有技术，本发明提供的一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法，将惯性导航单元与全站仪相结合，通过惯性导航单元给出装备的前进方向，全站仪单元给出装备的精确定位，两者相互配合实现对采掘装备的巷道进深测量。由于惯性导航单元、全站仪单元对环境的适应性强，且对装备种类没有限制，该方法可用于边帮连续采煤机、掘进机等多种装备，适用广泛。通过实时的进深数据，有利于操作人员远程获取装备在巷道内所处的位置，有利于操作人员对采掘装备的后续动作。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明提供的一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法的流程示意图。
图2为本发明提供的一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法的采掘装备进深测量方法过程。
图3为本发明提供的一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法的前进方向在XOY平面、YOZ平面的投影示意图。
图4为本发明提供的一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法的前进方向在YOZ平面的投影示意图。
图1中：1为掘进装备，1(1)为装备机身在初始时刻的位置，1(2)为机身在前进方向上行走下一时刻的位置，2为棱镜，2(1)为棱镜安装在机身右侧时在初始时刻的位置，2(2)为棱镜安装在机身右侧时在前进方向上行走下一时刻的位置，3为全站仪。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参阅图1，本发明提供了一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法，包括：
设置惯性导航单元和全站仪单元；其中，所述惯性导航单元固定设置于所述采掘装备机身；所述全站仪单元包括全站仪和四个棱镜；全站仪设置于巷道内采掘装备行进方向后方，四个棱镜中，三个为用于确定全站仪三维坐标的后方交会棱镜，另一个为用于确定采掘装备三维位置的坐标目标棱镜；
在巷道内选定坐标原点，构建东北天坐标系，将三个后方交会棱镜设置于所述东北天坐标系下三个已知点位置，根据全站仪后方交会原理，确定全站仪位置的三维坐标；
采掘装备运行过程中，通过惯性导航单元实时测得俯仰角和方向角，根据俯仰角和方向角，确定目标棱镜在采掘装备位置变化前后的位置坐标值，进而通过位置该变量计算采掘装备进深。
全站仪安装在巷道内且固定在巷道煤壁较为开阔的位置，与棱镜组合使用时视线不被遮挡。后方交会棱镜的设置方式为：安装并固定于全站仪后方的开阔位置，不被遮挡，保证与全站仪通视，放置后方交会棱镜时，将其中两个后方交会棱镜安装沿巷道行进方向的于一侧，另一个后方交会棱镜安装于另一侧。目标棱镜安装于采掘装备机身后方位置，不被遮挡，保证与全站仪通视。
其中，根据俯仰角和方向角，确定目标棱镜在采掘装备位置变化前后的位置坐标值，进而通过位置该变量计算采掘装备进深的步骤中，包括步骤：
东北天坐标系中，设东方向为X轴，北方向为Y轴，天方向为Z轴，设采掘装备前进方向为D，将前进方向D在东北天坐标系下进行投影，即分别在XOY平面、YOZ平面投影，获得前进方向D的方向向量；
经过前进方向D且平行于Z轴方向，建立平面Q的方程，设目标棱镜位置变化前后的坐标为P1和P2，采掘装备进深为目标棱镜从P1位置在平面Q的投影点A1与P2位置在平面Q的投影点A2之间的距离|A1A2|，此距离以东北天坐标系为基准进行测量和计算，为绝对距离。
采掘装备在运行过程中，由于受煤层分布的影响，会产生上坡、下坡、左偏、右偏及倾斜等姿态的变化，装备相对XOY平面的偏差角度为俯仰角，相对YOZ平面的偏差角度为方向角，相对XOZ平面的偏角为横滚角。一般情况下，横滚角较小，故只考虑俯仰角和方向角，横滚角忽略不计。装备运行过程中，惯性导航单元可实时测得俯仰角和方向角，为已知量。全站仪单元通过测量装备目标棱镜的位置坐标，随着开采过程装备的位置不断变化，目标棱镜的位置也不断改变，通过测量两个目标棱镜的位置改变量来计算装备进深。
采掘装备进深的计算过程如图2所示。设前进方向为D，并假设棱镜安装于机身中线右侧。在三维空间中，如图3和图4，将前进方向D分别在XOY平面、YOZ平面投影，且前进方向D与XOY平面的夹角为俯仰角α，与YOZ平面的夹角为方向角β，获得前进方向D的方向向量
Figure BDA0003083429520000051
经过前进方向D和其上的一个已知点B(X0，Y0，Z0)，且平行于Z轴方向，建立平面Q的方程，即X-tanβ·Y-X0+tanβ·Y0＝0。当机身的目标棱镜从P1位置移动至P2位置时，设P1位置在平面Q的投影点A1(XA1，YA1，ZA1)，P2位置在平面Q的投影点A2(XA2，YA2，ZA2)，则装备进深为投影点A1与A2之间的距离|A1A2|。对于A1、A2两个投影点，通过其与平面Q的位置关系及A1P1与平面Q法向量的关系，可满足方程：
Figure BDA0003083429520000052
当忽略横滚角时，可近似认为ZA1≈ZA2，则有A1坐标
Figure BDA0003083429520000053
A2坐标
Figure BDA0003083429520000061
则进深
Figure BDA0003083429520000062
区别于现有技术，本发明提供的一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法，将惯性导航单元与全站仪相结合，通过惯性导航单元给出装备的前进方向，全站仪单元给出装备的精确定位，两者相互配合实现对采掘装备的巷道进深测量。由于惯性导航单元、全站仪单元对环境的适应性强，且对装备种类没有限制，该方法可用于边帮连续采煤机、掘进机等多种装备，适用广泛。通过实时的进深数据，有利于操作人员远程获取装备在巷道内所处的位置，有利于操作人员对采掘装备的后续动作。
以上仅为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所做的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法，其特征在于，包括：
设置惯性导航单元和全站仪单元；其中，所述惯性导航单元固定设置于所述采掘装备机身；所述全站仪单元包括全站仪和四个棱镜；全站仪设置于巷道内采掘装备行进方向后方，四个棱镜中，三个为用于确定全站仪三维坐标的后方交会棱镜，另一个为用于确定采掘装备三维位置的坐标目标棱镜；
在巷道内选定坐标原点，构建东北天坐标系，将三个后方交会棱镜设置于所述东北天坐标系下三个已知点位置，根据全站仪后方交会原理，确定全站仪位置的三维坐标；
采掘装备运行过程中，通过惯性导航单元实时测得俯仰角和方向角，根据俯仰角和方向角，确定目标棱镜在采掘装备位置变化前后的位置坐标值，进而通过位置改变量计算采掘装备进深。
2.根据权利要求1所述的基于全站仪的采掘装备进深测量方法，其特征在于，根据俯仰角和方向角，确定目标棱镜在采掘装备位置变化前后的位置坐标值，进而通过位置改变量计算采掘装备进深的步骤中，包括步骤：
东北天坐标系中，设为东方向X轴，北方向为Y轴，天方向为Z轴，设采掘装备前进方向为D，将前进方向D在东北天坐标系下进行投影，即分别在XOY平面、YOZ平面投影，获得前进方向D的方向向量；
经过前进方向D且平行于Z轴方向，建立平面Q的方程，设目标棱镜位置变化前后的坐标为P1和P2，采掘装备进深为目标棱镜从P1位置在平面Q的投影点A1与P2位置在平面Q的投影点A2之间的距离|A1A2|，此距离以东北天坐标系为基准进行测量和计算，为绝对距离。
3.根据权利要求1所述的基于全站仪的采掘装备进深测量方法，其特征在于，后方交会棱镜的设置方式为：安装并固定于全站仪后方的开阔位置，不被遮挡，保证与全站仪通视，放置后方交会棱镜时，将其中两个后方交会棱镜安装沿巷道行进方向的于一侧，另一个后方交会棱镜安装于另一侧。
4.根据权利要求1所述的基于全站仪的采掘装备进深测量方法，其特征在于，目标棱镜安装于采掘装备机身后方位置，不被遮挡，保证与全站仪通视。
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