一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统的制作方法
一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统的制作方法
【技术领域】：
[0001] 本实用新型设及一种煤矿井下采掘设备位置与姿态及其特殊部位的位姿检测的
技术领域，特别是设及一种悬臂式掘进机的位姿及其截割部位的位姿测量方法。
【背景技术】：
[0002] 悬臂式掘进机是井下采掘装备中十分重要的一种，是我国煤巷综掘机械化生产中 应用最为广泛的巷道掘进设备，其主要用于部分断面的截割，其突出的结构特点是在其回 转台上安装有可伸缩摆动的悬臂，在悬臂的前端装有截割头，通过悬臂的摆动W及截割头 的旋转，可W实现煤岩的脱落，掘进机操作台可W对截割头的运行轨迹进行控制，可W截割 出各种形状的，例如矩形、拱形等断面的巷道，掘进机同时拥有行走及装载功能。
[0003] 巷道掘进过程中，悬臂式掘进机的一般工艺流程为：掘进机行走到制定位置（准 备环节）一截割一错杆支护一永久支护（铺错网）一循环。目前悬臂式掘进机在作业时的 指向及定位主要通过巷道后方的激光指向仪在巷道断面上形成的光斑作为掘进机司机的 主要参考，通过掘进机司机的手动操作W及过往经验控制掘进机截割头的运行轨迹，从而 完成巷道断面的截割。煤矿综掘工作面的工作环境十分恶劣，噪音较大且粉尘严重，对于工 作人员的健康W及工作效率有较大的影响，虽然激光指向仪的指向精度较高，但是在具体 的操作环境下，由于综掘工作面粉尘严重，可见度较低，很大程度上要依赖掘进机司机的经 验进行控制，因此在该种情况下巷道的超挖欠挖现象十分严重，在真实的生产环境下一般 会有工作人员在巷道掘进面附近对于巷道的成型截割情况进行检查与反馈，在一定程度上 控制了巷道的超挖与欠挖，但是增加了工作的人员数量，进一步增大了危险性，因此在进行 巷道断面截割时，掘进机的远程控制W及自主巡航是未来的发展方向。
[0004] 悬臂式掘进机的远程控制及自主巡航需要及时检测出掘进机的位姿信息W及截 割部的位置，确定机身与截割头的运动轨迹，从而推断出巷道断面的成形状况，结合煤矿综 掘面的巷道质量验收标准，确定是否符合设计要求，首先要确定的就是掘进机的方向角，即 掘进机机身中线与巷道设计中线之间的角度。
[0005] 现有的测量悬臂式掘进机位姿的方法有；通过全站仪（防爆型）等类似设备和通 过相关设备从地上转移到井下的空间位置参考点测量出掘进工作进行前掘进机所处的精 确空间位置，比较其与巷道设计中线的差值，测得掘进机相对水平面的姿态参数，与设计中 经过该点的轴线方向比较，求得两者间的关系。现在未有广泛使用的截割头位置测量方法， 大部分情况下凭借激光指向仪W及掘进机司机的经验进行控制。
[0006] 中国专利文献公告号为CN201013380Y公开的全自动掘进机，其通过航天技术中 的导航定位仪，实时监测掘进机在惯性空间的绝对位置坐标，对掘进机和截割头进行控制， W此实现全自动掘进。该方案的关键是要测量出掘进机的精确位置，而煤矿井下恶劣的环 境W及掘进机自身的震动已远超出了精密的航天仪器的正常工作条件，而且航天仪器一般 实时性较强，掘进机运动缓慢且掘进工作周期较长，故无法得到所需的精确结果，由于井下 存在大量粉尘及掘进过程中的较大振动，使其可靠性较低，另外，精密航天仪器的造价较 高，考虑到单个悬臂式掘进机的制造成本，推广较为困难。
[0007] 中国专利文献公告号为CN101629807A，公开了一种掘进机机身位姿参数测量系统 及方法，该方案选择采用线状激光器发射扇形激光光束，线激光发射器由激光指向仪和线 激光器机架定位，发出扇形激光束，在掘进机机身上形成线形光斑，通过检测光斑位置，结 合已知的光敏元件与掘进机机身位置关系计算得到掘进机的位姿参数。该方法的问题在于 不能得到掘进机的方向角即无法得到掘进机机身中线与巷道轴线之间的位置关系，而若获 得所需的关系参数必先获得掘进机的精确空间位置，而该方案中却没有进行相应的测量。 另由于该方案采样基准为扇形激光光束，扇形激光光束限制了其工作距离，在掘进机不断 掘进及移动的过程中，需要不断的向前进行移站，施工工作量增大，工作难度较高，同时在 此专利中没有对掘进机截割头的位置进行检测，无法得到完整的悬臂式掘进机位姿信息。
[0008] 通过上述描述，准确方便测量悬臂式掘进机包括其截割头的所有位姿信息，提出 一种简单且经济使用的检测方法是在本技术领域中亟待解决的问题。 【实用新型内容】
[0009] 一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，其特征包括：设置于巷道后方的 两个红外激光发射器（1)、安装在悬臂式掘进机机身上的两个球形接收器（2)、安装于掘进 机机身上的两个两轴倾角传感器（4)，W及安装于悬臂式掘进机升降和回转液压缸内的矿 用位移传感器巧）。
[0010] 根据权利要求1所述的悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，其特征在于： 所述的两个红外激光发射器（1)需安置于巷道两帮距离掘进机一定距离的位置，两个红外 激光发射器（1)含有相同的结构，主要包括；电子罗盘电路、电源电路、键盘输入设备、基 座、控制器、通讯电路、激光发射调制电路、旋转平台驱动电路；两个球形接收器（2)需安装 在掘进机机身后部，两个球形接收器（2)的安装位置需与掘进机机身中线重合，两个接收 器（2)含有相同的结构，主要包括；激光接收电路、通讯电路、坐标解算器。
[0011] 根据权利要求2所述的悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，其特征在于悬 臂式掘进机机身上的两轴倾角传感器（4)需安装在机身电控箱盖板上，分别用于检测机身 中线平行方向与机身中线垂直方向的相关参数，即悬臂式掘进机的滚动角与俯仰角；矿用 位移传感器巧）需安装在掘进机悬臂式掘进机升降和回转的液压缸内。
[0012] 本实用新型要解决的技术问题在于提供一种经济实用、使用方便且能完全体现悬 臂式掘进机所有位姿参数的检测方法，W此来实现井下掘进机自主巡航与截割的关键问 题。
[0013] 为解决上述技术问题，本实用新型的悬臂式掘进机机身与截割头的位姿检测方法 中所需的设备包括；发射扇面激光与选通光的红外激光发射器1、设置于掘进机机身后部 与中线平行的可接收扇面激光信号并且能进行坐标解算的球形接收器2、设置机身电控箱 盖板上的两轴倾角传感器4与安装与掘进机升降和回转液压缸内的矿用油缸位移传感器 5。
[0014]机身俯仰角0、滚动角丫依靠机身上安装的两个倾角传感器进行测量。如权利要 求书中权利3所述。具体过程为：第一步，将两台倾角传感器安装在机身合适位置上。第 一台传感器的角度检测方向，应设定为与机身中线平行的方向：该传感器的输出信号，应 反映机身平面与水平面在机身纵方向上的绝对夹角。第二台传感器的角度检测方向，应设 定为与机身中线垂直的方向；该传感器的输出信号，应反映机身平面与水平面在机身横向 上的绝对夹角。第二步，设法获知当前巷道底板的纵向水平倾角值、横向水平倾角值。此项 数据可由煤矿地测部口设法负责提供。第=步，将第一台倾角传感器的角度读数，与当前巷 道底板的纵向倾角相减，即可获得机身平面与当前巷道底板平而纵向之间的夹角值。此数 值即是机身俯仰角0。将第二台倾角传感器的角度读数，与当前巷道底板的横向倾角相减， 即可获得机身平面与当前巷道底板平面横向之间的夹角值。此数值即是机身滚动角丫。
[0015] 工作时，机身俯仰角0主要依靠两轴倾角传感器4(用于监测机身中线平行方法 的上的两轴倾角传感器A)获取。具体过程为；第一步，将倾角传感器A安装在机身电控箱 盖板上。A传感器的角度检测方向，应设定为与机身中线平行的方向。该传感器的输出信 号，应反映机身平面与水平面在机身纵方向上的绝对夹角。第二步，设法获知当前巷道底 板的纵向水平倾角值。此项数据可由煤矿地测部口设法负责提供。第=步，将倾角传感器 A的角度读数，与当前巷道底板的纵向倾角相减，即可获得机身平面与当前巷道底板平面纵 向之间的夹角值。 此数值即是机身俯仰角0。
[0016] 此外，机身滚动角丫主要依靠机身倾角传感器3 (用于监测机身中线平行方法的 上的两轴倾角传感器B)获取。具体过程为：第一步，将倾角传感器B安装机身电控箱盖板 上。B传感器的角度检测方向，应设定为与机身中线垂直的方向。该传感器的输出信号，应 反映机身平面与水平面在机身横向上的绝对夹角。第二步，设法获知当前巷道底板的横向 水平倾角值。此项数据可由煤矿地测部口设法负责提供。
[0017] 该些测得的数据经过A/D转换模块传入可编程计算机控制器，得到悬臂式掘进机 的俯仰角和滚动角。机身俯仰角与滚动角的分辨误差小于0. 1度。
[001引在掘进机的升降和回转液压缸内分别安装GUC1000型矿用位移传感器，测出升降 液压缸伸缩量为li、回转右侧液压缸伸缩量为12,得到截割头空间位置坐标公式为：
[0019]
[0020] Z一一截割头在巷道中的纵坐标；
[0021] L-截割臂的长度；
[00过 A1 --截割头伸缩油缸伸长量；
[0023] Li-一截割臂垂直摆动中屯、（〇2)与升降油缸、机架的较接（A)点之间的距离；
[0024] L,一一截割臂垂直摆动中屯、（〇2)与升降油缸、截割臂的较接点做之间的距离；
[0025] L。一一截割臂处于水平位置时A点与B点之间的距离；
[0026] %-一截割臂处于水平位置时的角；
[0027]0。一一截割臂与化B之间的夹角；
[0028] 在上述公式中，只有li为变量，此变量可W通过安装在升降油缸上的GUC1000型 矿用位移传感器测得，通过检测得到的li即可确定截割头在巷道坐标系中的垂直坐标Z。
[0029] 通过一定的数学关系可W推算出截割头在巷道坐标系中的横坐标。
[0030]
[0031]y一一截割头在巷道中的横坐标；
[003引e--01点与02(水平回转工作台中屯、）之间的距离；
[0033] n一一〇4点或者〇e(两水平回转油缸与掘进机机身的较接点）与〇1点之间的距离；
[0034]r--回转台的半径；
[00巧]L。一一截割头位于水平中间位置时〇4点与0e点（水平回转油缸与水平回转工作 台的较接点）之间的距离；
[0036] 0一一截割头位于水平中间位置时的Z〇4〇i〇e;
[0037]在上述公式中只有I2为变量，根据油缸位移传感器检测到12,即可确定截割头在 巷道坐标系中的水平坐标y。
[0038]在检测出垂直升降油缸伸缩量I1和水平油缸伸缩量12,根据上述数学表达式的计 算，通过该些测得的数据经过A/D转换模块传入可编程计算机控制器，得到悬臂式掘进机 截割头在巷道坐标系中的位置。通过传感器的规格，精度可W达到毫米级。
[0039]如权利要求书中权利2所述，检测悬臂式掘进机偏距与方向角的装置为安装在掘 进机后部平台上的两个球形接收器，通过配合安置在掘进机后方一定距离的两个红外激光 发射器进行的。红外激光发射器可W发射出=束带有发射站旋转角速度和位置特征信息的 激光，包括两束扇形激光和一束选通光。当接收器接收到光束后，可W通过=道光束之间存 在的几何关系、发射站的坐标位置、接收时间差W及发射站的旋转速度来计算出相关参数， 按照测量原理，两个发射基站所在水平面的水平角和俯仰角可W被计算出来，通过交会原 理可W得到接收器所在位置的=维坐标。
[0040]本检测系统可W在一个工作周期内对悬臂式掘进机机身上安装接收器的位置的 空间坐标进行检测，通过球形接收器的安装位置（与掘进机机身中线重合）可W通过该两 点的位置对掘进机的方向角与偏距进行转换，从而得到悬臂式掘进机的相关位姿信息。
[0041]本测量的优点在于提出了一种可W在同一时刻完成对机身多目标点测量的方法， 可W得到悬臂式掘进机机身的方向角等位姿信息，通过与上文中提到的俯仰角、滚动角W 及截割头位置信息结合，得到完整的悬臂式掘进机机身与截割头位姿信息。
[0042]本检测部分特征在于；通过两组红外激光发射器与两组球形接收器组成。两组激 光发射装置的组成完全相同，含有电子罗盘电路、电源电路、键盘输入设备、整平基座、控制 器、无线通讯电路、激光发射调制电路、平台旋转驱动电路。球形接收器的组成电路也完全 相同，含有激光接收电路、无线通讯电路、坐标解算器。
[0043]相关接口连接方式如下；发射装置的控制器的相应端口应分别与电子罗盘电路、 电源电路、键盘输入设备、整平基座、无线通讯电路、调制电路、平台旋转驱动电路相互连 接。球形接收器中的坐标解算器相应端口分别与激光接收电路、无线通讯电路相互连接。
[0044]悬臂式掘进机偏角与偏距的检测方法，其特征在于：基于前方交会原理，利用光束 之间的几何关系、发射器的旋转速度，位置信息和光束被接收的时间差来计算接收器即目 标点所处的空间坐标，主要包括W下步骤：
[0045] 步骤1;首先需在控制器中设定旋转平台的旋转速度《，W及其在巷道固定坐标 系中的坐标（X，y，z)，通过控制器使得红外激光发射器发射带有各自特征的激光信号。
[0046] 步骤2;接收器先后接收到两组红外激光发射器所发射的选通光信号，坐标解算 器解调，由于不同发射器具有不同的角速度，通过此特征判断各自选通光被接收的时刻，并 将时刻和相应的角速度信息发送。
[0047] 步骤3;所述两组控制器根据步骤2所得信息，首先控制器需要对比收集到的角速 度与数据库中记录的既定角速度是否相符，相符则接收，不相符则忽略；然后根据该时刻信 息读取对应时刻的罗盘角度信息；得到水平偏移角aA，a,;且能计算接收器相对于发射器 所在平面的俯仰角0A，0B。
[0048] 通过上述功能，根据步骤3中测到的水平偏移角aA，ae，与接收器相对于发射器 所在平面的俯仰角0A，0e。可W得到位于悬臂式掘进机机身中线上的两个球形接收器的 空间坐标；
[0049] 坐标解算器W接收器接收到选通光的时刻为计时零点，设定两个计时零点A。、B。， 四束扇形光先后到达接收器，根据扇形激光所载的角速度的信息特征判断该时刻W哪个计 时零点计时。得到四组时刻其中为A发射器的两束扇形激光被接收时刻，得到为B发射器 的两束扇形激光被接收时刻，得到根据扇形光束之间的几何关系进一步计算接收器相对于 发射器所在平面的俯仰角0A，0e。
[0050]
[0051]其中0是两束扇形光水平面上的夹角为90°，是两束扇形光与垂直面的夹角为 30°。是A发射器的旋转角速度。《e是B发射器的旋转角速度。且《A声《e。为A发 射器中的两束扇形光被接收器接收时刻的时间差。为B发射器中的两束扇形光被接收器接 收时刻的时间差。
[0052]
[0053]aA，a,分别为A，B发射器所测得的接收器相对于发射器水平偏移角，；0为上文 中测得的俯仰角。
[0054] 所述多个坐标解算器通过各自端口互连的无线通讯模块将各自接收器的空间坐 标发送给上位机，上位机汇总进行悬臂式掘进机偏角与偏距的计算。
[0055] 此测量系统的测量范围较大，当需要进行移站时，需将设置在巷道两帮的激光发 射器W之前所在的位置为基准进行移站，移站后续重新进行标定与校准。
[0056] 通过完整的【实用新型内容】的叙述得到完整的悬臂式掘进机截割头空间位置、俯仰 角、滚动角W及偏角与偏距的测量数据。
【附图说明】
[0057] 图1是悬臂式掘进机位姿检测系统的示意图
[0058] 图2a是悬臂式掘进机偏向角示意图
[0059] 图化是悬臂式掘进机偏距示意图
[0060] 图2c是悬臂式掘进机俯仰角示意图
[0061] 图2 d是悬臂式掘进机滚动角示意图
[0062]图3是悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统结构组成示意图
[0063] 图4是矿用位移传感器具体安装位置示意图
[0064] 图5a是巷道内截割头水平面内截割投影示意图
[0065] 图化是巷道内截割头垂直平面内沿悬臂轴向截割状态示意图
[0066] 图6是偏角与偏距测量方案装置布置简图
[0067] 图7是发射器各激光束之间几何关系描述图
[0068] 图8是水平偏角计算原理图
[0069] 图9是前方交会原理图
[0070] 图中的附图标记：
[0071] 1:激光发射器；2 ;激光接收器；3 ;悬臂式掘进机；4 ;双轴倾角传感器；5 ;矿用位 移传感器；6、7 ;A/D转换器；8;可编程控制器；9;电控箱；10;掘进机后机架。
【具体实施方式】：
[0072]W下结合附图，通过测量方法的【具体实施方式】，对测量原理进行更细致的说明，更 深入的介绍本实用新型的技术手段及功能。本文后的附图及实施方式仅提供参考与说明。
[0073] 图1为本实用新型的系统框图，描述了悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统 设及的各个部件之间的组成关系与内在联系。
[0074] 图2各图所示为本实用新型所测得的悬臂式掘进机的机身位姿参数示意图，系统 只要测得此4个参数，就可W得到悬臂式掘进机机身的所有位姿信息，依次为偏角、偏距、 俯仰角和滚动角。
[0075] 图3所示为悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，标注了悬臂式掘进机在工 作时各个关键部位W及各检测装置的安装位置。
[0076] 通过煤矿地测部口所提供的当前巷道底板的纵向水平倾角值与横向水平倾角值， 将双轴倾角传感器的角度读数减去当前巷道底板的纵向倾角，得到的结果即为机身平面与 当前巷道底板平面纵向之间的夹角，即为悬臂式掘进机机身的俯仰角。将双轴倾角传感器 的角度读数减去当前巷道底板的横向倾角，得到悬臂式掘进机机身的滚动角。将两个倾角 传感器中测量得到的数据通过A/D转换模块传入可编程控制器中，就可W完成悬臂式掘进 机机身的俯仰角与滚动角的测量。
[0077] 图4所示为GUC1000矿用位移传感器安装的具体位置，GUC1000矿用位移传感器 是采用磁脉冲原理的高精度绝对行程的位置测量传感器，可精确测量悬臂式掘进机上液压 油缸的位移。
[0078] 图5所示为在巷道中悬臂式掘进机截割头水平面内截割投影示意图，与垂直平面 内沿悬臂轴向截割状态示意图。通过数学分析可W得到，只要通过GUC1000 矿用位移传感 器测量得到升降液压缸的伸缩量与回转右侧液压缸的伸缩量即可计算得到截割头在巷道 中的空间位置，将传感器测的信号通过A/D转换传入可编程控制器中，可得到截割头在巷 道中的实时位置。
[0079] 图6所示为基于iGI^S原理的接收装置与发射装置布置简图。如图所示，在掘进机 的后方，巷道两帮放置两台红外激光发射器，接收器固定在悬臂式掘进机后部与机身中线 重合的位置。
[0080] 在开始测量前，需先对发射装置进行整平、初始化，通过发射装置上的整平基座实 现发射器的中屯、轴线垂直于水平面。然后建立测量坐标系的Z轴。通过煤矿地测部口的相 关测量工具进行初始坐标系的标定，W巷道为固定坐标系得到原始的发射器位置信息，并 完成整平操作。通过控制发射器的旋转角速度，使发射器上的旋转平台W设定好的角速度 旋转，同时控制发射器发射出带有发射器位置信息与角速度大小的光信号。信号接收器可 W对激光信号进行解调，传感器在接收激光信号后，根据激光的强弱可W产生模拟信号，经 过A/D转换得到由坐标解算器提取计算出的发射器坐标信息与角速度信息。
[0081] 坐标解算器可W记录两组发射器选通光到达接收器的时刻，根据不同发射器的不 同的旋转角速度判断出红外激光发射器选通光被接收的时刻。根据不同发射器的不同的旋 转角速度判断出红外激光发射器选通光被接收的时刻，将时刻与角速度信息通过接收装置 内的通讯模块发送至两组发射器，控制器可W得到信息，并且进行比较。再由时刻信息从发 射装置中的电子罗盘电路中读取水平偏角a,，分别为A和B中读取到的偏角。
[0082] 通过通讯电路将水平偏角信息传递到坐标解算器中，坐标解算器根据所获得的角 度信息与发射器位置信息，利用图9所示的前方交会原理计算出接收器的空间坐标，从而 得到偏角与偏距。
[0083]A=Xa_Xb
[0084]
[0085] 测量系统的运行过程：
[0086] 1.双轴倾角传感器测量机身俯仰角0与滚动角丫。
[0087] 2.矿用位移传感器测量升降液压缸与回转右侧液压缸的伸缩量，得到截割头空间 位置。
[0088] 3.偏角偏距测量系统发射装置整平、系统初始化。
[0089] 4.A、B发射器旋转发射光信号，包括一个选通光与两个红外激光。
[0090] 5.接收器接收选通光得到水平偏移角，接收扇形激光得到俯仰角。
[0091] 6.坐标解算器收集信息，计算结果，得到接收器空间坐标。
[0092] 7.测量软件得到各个信息，得到悬臂式掘进机机身即截割头完整位姿信息。
【主权项】
1. 一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，其特征包括：设置于巷道后方的两 个红外激光发射器（1)、安装在悬臂式掘进机机身上的两个球形接收器（2)、安装于掘进机 机身上的两个两轴倾角传感器（4)，以及安装于悬臂式掘进机升降和回转液压缸内的矿用 位移传感器（5)。2. 根据权利要求1所述的悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，其特征在于：所 述的两个红外激光发射器（1)需安置于巷道两帮上，其应距离掘进机一定距离的位置，两 个红外激光发射器（1)含有相同的结构，主要包括：电子罗盘电路、电源电路、键盘输入设 备、基座、控制器、通讯电路、激光发射调制电路、旋转平台驱动电路；两个球形接收器⑵ 需安装在掘进机机身后部，两个球形接收器（2)的安装位置需与掘进机机身中线重合，两 个接收器（2)含有相同的结构，主要包括：激光接收电路、通讯电路、坐标解算器。3. 根据权利要求2所述的悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，其特征在于悬臂 式掘进机机身上的两轴倾角传感器（4)需安装在机身电控箱盖板上，分别用于检测机身中 线平行方向与机身中线垂直方向的相关参数，即悬臂式掘进机的滚动角与俯仰角；矿用位 移传感器（5)需安装在掘进机悬臂式掘进机升降和回转的液压缸内。
【专利摘要】本实用新型设计一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，由两个双轴倾角传感器，两个位移传感器，两个红外激光发射器，两个球形激光接收器及A/D转换模块组成。两个双轴倾角传感器测量悬臂式掘进机的俯仰角和滚动角；两个位移传感器通过测量油缸的位移再通过相关数学关系计算得到悬臂式掘进机悬臂上的截割头的空间位置。两个红外激光发射器与球形激光接收器可建立巷道固定坐标系，发射器发射出三束激光，接收器在接收到光束后，利用光束之间的几何关系与发射器的旋转角速度等来计算出接收器相对于两发射器的相关参数，通过前方交会原理确定接收器的空间坐标。通过此得到悬臂式掘进机的偏角和偏距，从而完成悬臂式掘进机机身位姿参数测量。可对用于煤巷掘进的悬臂式掘进机的机身及截割头的位姿进行测量。
【IPC分类】G01C21/00
【公开号】CN204705359
【申请号】CN201520169847
【发明人】吴淼, 张敏骏, 贾文浩, 陶云飞, 符世琛, 宗凯, 王苏彧, 杨健健, 薛光辉, 田劼
【申请人】中国矿业大学(北京)
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年3月24日
【技术领域】：
[0001] 本实用新型设及一种煤矿井下采掘设备位置与姿态及其特殊部位的位姿检测的
技术领域，特别是设及一种悬臂式掘进机的位姿及其截割部位的位姿测量方法。
【背景技术】：
[0002] 悬臂式掘进机是井下采掘装备中十分重要的一种，是我国煤巷综掘机械化生产中 应用最为广泛的巷道掘进设备，其主要用于部分断面的截割，其突出的结构特点是在其回 转台上安装有可伸缩摆动的悬臂，在悬臂的前端装有截割头，通过悬臂的摆动W及截割头 的旋转，可W实现煤岩的脱落，掘进机操作台可W对截割头的运行轨迹进行控制，可W截割 出各种形状的，例如矩形、拱形等断面的巷道，掘进机同时拥有行走及装载功能。
[0003] 巷道掘进过程中，悬臂式掘进机的一般工艺流程为：掘进机行走到制定位置（准 备环节）一截割一错杆支护一永久支护（铺错网）一循环。目前悬臂式掘进机在作业时的 指向及定位主要通过巷道后方的激光指向仪在巷道断面上形成的光斑作为掘进机司机的 主要参考，通过掘进机司机的手动操作W及过往经验控制掘进机截割头的运行轨迹，从而 完成巷道断面的截割。煤矿综掘工作面的工作环境十分恶劣，噪音较大且粉尘严重，对于工 作人员的健康W及工作效率有较大的影响，虽然激光指向仪的指向精度较高，但是在具体 的操作环境下，由于综掘工作面粉尘严重，可见度较低，很大程度上要依赖掘进机司机的经 验进行控制，因此在该种情况下巷道的超挖欠挖现象十分严重，在真实的生产环境下一般 会有工作人员在巷道掘进面附近对于巷道的成型截割情况进行检查与反馈，在一定程度上 控制了巷道的超挖与欠挖，但是增加了工作的人员数量，进一步增大了危险性，因此在进行 巷道断面截割时，掘进机的远程控制W及自主巡航是未来的发展方向。
[0004] 悬臂式掘进机的远程控制及自主巡航需要及时检测出掘进机的位姿信息W及截 割部的位置，确定机身与截割头的运动轨迹，从而推断出巷道断面的成形状况，结合煤矿综 掘面的巷道质量验收标准，确定是否符合设计要求，首先要确定的就是掘进机的方向角，即 掘进机机身中线与巷道设计中线之间的角度。
[0005] 现有的测量悬臂式掘进机位姿的方法有；通过全站仪（防爆型）等类似设备和通 过相关设备从地上转移到井下的空间位置参考点测量出掘进工作进行前掘进机所处的精 确空间位置，比较其与巷道设计中线的差值，测得掘进机相对水平面的姿态参数，与设计中 经过该点的轴线方向比较，求得两者间的关系。现在未有广泛使用的截割头位置测量方法， 大部分情况下凭借激光指向仪W及掘进机司机的经验进行控制。
[0006] 中国专利文献公告号为CN201013380Y公开的全自动掘进机，其通过航天技术中 的导航定位仪，实时监测掘进机在惯性空间的绝对位置坐标，对掘进机和截割头进行控制， W此实现全自动掘进。该方案的关键是要测量出掘进机的精确位置，而煤矿井下恶劣的环 境W及掘进机自身的震动已远超出了精密的航天仪器的正常工作条件，而且航天仪器一般 实时性较强，掘进机运动缓慢且掘进工作周期较长，故无法得到所需的精确结果，由于井下 存在大量粉尘及掘进过程中的较大振动，使其可靠性较低，另外，精密航天仪器的造价较 高，考虑到单个悬臂式掘进机的制造成本，推广较为困难。
[0007] 中国专利文献公告号为CN101629807A，公开了一种掘进机机身位姿参数测量系统 及方法，该方案选择采用线状激光器发射扇形激光光束，线激光发射器由激光指向仪和线 激光器机架定位，发出扇形激光束，在掘进机机身上形成线形光斑，通过检测光斑位置，结 合已知的光敏元件与掘进机机身位置关系计算得到掘进机的位姿参数。该方法的问题在于 不能得到掘进机的方向角即无法得到掘进机机身中线与巷道轴线之间的位置关系，而若获 得所需的关系参数必先获得掘进机的精确空间位置，而该方案中却没有进行相应的测量。 另由于该方案采样基准为扇形激光光束，扇形激光光束限制了其工作距离，在掘进机不断 掘进及移动的过程中，需要不断的向前进行移站，施工工作量增大，工作难度较高，同时在 此专利中没有对掘进机截割头的位置进行检测，无法得到完整的悬臂式掘进机位姿信息。
[0008] 通过上述描述，准确方便测量悬臂式掘进机包括其截割头的所有位姿信息，提出 一种简单且经济使用的检测方法是在本技术领域中亟待解决的问题。 【实用新型内容】
[0009] 一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，其特征包括：设置于巷道后方的 两个红外激光发射器（1)、安装在悬臂式掘进机机身上的两个球形接收器（2)、安装于掘进 机机身上的两个两轴倾角传感器（4)，W及安装于悬臂式掘进机升降和回转液压缸内的矿 用位移传感器巧）。
[0010] 根据权利要求1所述的悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，其特征在于： 所述的两个红外激光发射器（1)需安置于巷道两帮距离掘进机一定距离的位置，两个红外 激光发射器（1)含有相同的结构，主要包括；电子罗盘电路、电源电路、键盘输入设备、基 座、控制器、通讯电路、激光发射调制电路、旋转平台驱动电路；两个球形接收器（2)需安装 在掘进机机身后部，两个球形接收器（2)的安装位置需与掘进机机身中线重合，两个接收 器（2)含有相同的结构，主要包括；激光接收电路、通讯电路、坐标解算器。
[0011] 根据权利要求2所述的悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，其特征在于悬 臂式掘进机机身上的两轴倾角传感器（4)需安装在机身电控箱盖板上，分别用于检测机身 中线平行方向与机身中线垂直方向的相关参数，即悬臂式掘进机的滚动角与俯仰角；矿用 位移传感器巧）需安装在掘进机悬臂式掘进机升降和回转的液压缸内。
[0012] 本实用新型要解决的技术问题在于提供一种经济实用、使用方便且能完全体现悬 臂式掘进机所有位姿参数的检测方法，W此来实现井下掘进机自主巡航与截割的关键问 题。
[0013] 为解决上述技术问题，本实用新型的悬臂式掘进机机身与截割头的位姿检测方法 中所需的设备包括；发射扇面激光与选通光的红外激光发射器1、设置于掘进机机身后部 与中线平行的可接收扇面激光信号并且能进行坐标解算的球形接收器2、设置机身电控箱 盖板上的两轴倾角传感器4与安装与掘进机升降和回转液压缸内的矿用油缸位移传感器 5。
[0014]机身俯仰角0、滚动角丫依靠机身上安装的两个倾角传感器进行测量。如权利要 求书中权利3所述。具体过程为：第一步，将两台倾角传感器安装在机身合适位置上。第 一台传感器的角度检测方向，应设定为与机身中线平行的方向：该传感器的输出信号，应 反映机身平面与水平面在机身纵方向上的绝对夹角。第二台传感器的角度检测方向，应设 定为与机身中线垂直的方向；该传感器的输出信号，应反映机身平面与水平面在机身横向 上的绝对夹角。第二步，设法获知当前巷道底板的纵向水平倾角值、横向水平倾角值。此项 数据可由煤矿地测部口设法负责提供。第=步，将第一台倾角传感器的角度读数，与当前巷 道底板的纵向倾角相减，即可获得机身平面与当前巷道底板平而纵向之间的夹角值。此数 值即是机身俯仰角0。将第二台倾角传感器的角度读数，与当前巷道底板的横向倾角相减， 即可获得机身平面与当前巷道底板平面横向之间的夹角值。此数值即是机身滚动角丫。
[0015] 工作时，机身俯仰角0主要依靠两轴倾角传感器4(用于监测机身中线平行方法 的上的两轴倾角传感器A)获取。具体过程为；第一步，将倾角传感器A安装在机身电控箱 盖板上。A传感器的角度检测方向，应设定为与机身中线平行的方向。该传感器的输出信 号，应反映机身平面与水平面在机身纵方向上的绝对夹角。第二步，设法获知当前巷道底 板的纵向水平倾角值。此项数据可由煤矿地测部口设法负责提供。第=步，将倾角传感器 A的角度读数，与当前巷道底板的纵向倾角相减，即可获得机身平面与当前巷道底板平面纵 向之间的夹角值。 此数值即是机身俯仰角0。
[0016] 此外，机身滚动角丫主要依靠机身倾角传感器3 (用于监测机身中线平行方法的 上的两轴倾角传感器B)获取。具体过程为：第一步，将倾角传感器B安装机身电控箱盖板 上。B传感器的角度检测方向，应设定为与机身中线垂直的方向。该传感器的输出信号，应 反映机身平面与水平面在机身横向上的绝对夹角。第二步，设法获知当前巷道底板的横向 水平倾角值。此项数据可由煤矿地测部口设法负责提供。
[0017] 该些测得的数据经过A/D转换模块传入可编程计算机控制器，得到悬臂式掘进机 的俯仰角和滚动角。机身俯仰角与滚动角的分辨误差小于0. 1度。
[001引在掘进机的升降和回转液压缸内分别安装GUC1000型矿用位移传感器，测出升降 液压缸伸缩量为li、回转右侧液压缸伸缩量为12,得到截割头空间位置坐标公式为：
[0019]
[0020] Z一一截割头在巷道中的纵坐标；
[0021] L-截割臂的长度；
[00过 A1 --截割头伸缩油缸伸长量；
[0023] Li-一截割臂垂直摆动中屯、（〇2)与升降油缸、机架的较接（A)点之间的距离；
[0024] L,一一截割臂垂直摆动中屯、（〇2)与升降油缸、截割臂的较接点做之间的距离；
[0025] L。一一截割臂处于水平位置时A点与B点之间的距离；
[0026] %-一截割臂处于水平位置时的角；
[0027]0。一一截割臂与化B之间的夹角；
[0028] 在上述公式中，只有li为变量，此变量可W通过安装在升降油缸上的GUC1000型 矿用位移传感器测得，通过检测得到的li即可确定截割头在巷道坐标系中的垂直坐标Z。
[0029] 通过一定的数学关系可W推算出截割头在巷道坐标系中的横坐标。
[0030]
[0031]y一一截割头在巷道中的横坐标；
[003引e--01点与02(水平回转工作台中屯、）之间的距离；
[0033] n一一〇4点或者〇e(两水平回转油缸与掘进机机身的较接点）与〇1点之间的距离；
[0034]r--回转台的半径；
[00巧]L。一一截割头位于水平中间位置时〇4点与0e点（水平回转油缸与水平回转工作 台的较接点）之间的距离；
[0036] 0一一截割头位于水平中间位置时的Z〇4〇i〇e;
[0037]在上述公式中只有I2为变量，根据油缸位移传感器检测到12,即可确定截割头在 巷道坐标系中的水平坐标y。
[0038]在检测出垂直升降油缸伸缩量I1和水平油缸伸缩量12,根据上述数学表达式的计 算，通过该些测得的数据经过A/D转换模块传入可编程计算机控制器，得到悬臂式掘进机 截割头在巷道坐标系中的位置。通过传感器的规格，精度可W达到毫米级。
[0039]如权利要求书中权利2所述，检测悬臂式掘进机偏距与方向角的装置为安装在掘 进机后部平台上的两个球形接收器，通过配合安置在掘进机后方一定距离的两个红外激光 发射器进行的。红外激光发射器可W发射出=束带有发射站旋转角速度和位置特征信息的 激光，包括两束扇形激光和一束选通光。当接收器接收到光束后，可W通过=道光束之间存 在的几何关系、发射站的坐标位置、接收时间差W及发射站的旋转速度来计算出相关参数， 按照测量原理，两个发射基站所在水平面的水平角和俯仰角可W被计算出来，通过交会原 理可W得到接收器所在位置的=维坐标。
[0040]本检测系统可W在一个工作周期内对悬臂式掘进机机身上安装接收器的位置的 空间坐标进行检测，通过球形接收器的安装位置（与掘进机机身中线重合）可W通过该两 点的位置对掘进机的方向角与偏距进行转换，从而得到悬臂式掘进机的相关位姿信息。
[0041]本测量的优点在于提出了一种可W在同一时刻完成对机身多目标点测量的方法， 可W得到悬臂式掘进机机身的方向角等位姿信息，通过与上文中提到的俯仰角、滚动角W 及截割头位置信息结合，得到完整的悬臂式掘进机机身与截割头位姿信息。
[0042]本检测部分特征在于；通过两组红外激光发射器与两组球形接收器组成。两组激 光发射装置的组成完全相同，含有电子罗盘电路、电源电路、键盘输入设备、整平基座、控制 器、无线通讯电路、激光发射调制电路、平台旋转驱动电路。球形接收器的组成电路也完全 相同，含有激光接收电路、无线通讯电路、坐标解算器。
[0043]相关接口连接方式如下；发射装置的控制器的相应端口应分别与电子罗盘电路、 电源电路、键盘输入设备、整平基座、无线通讯电路、调制电路、平台旋转驱动电路相互连 接。球形接收器中的坐标解算器相应端口分别与激光接收电路、无线通讯电路相互连接。
[0044]悬臂式掘进机偏角与偏距的检测方法，其特征在于：基于前方交会原理，利用光束 之间的几何关系、发射器的旋转速度，位置信息和光束被接收的时间差来计算接收器即目 标点所处的空间坐标，主要包括W下步骤：
[0045] 步骤1;首先需在控制器中设定旋转平台的旋转速度《，W及其在巷道固定坐标 系中的坐标（X，y，z)，通过控制器使得红外激光发射器发射带有各自特征的激光信号。
[0046] 步骤2;接收器先后接收到两组红外激光发射器所发射的选通光信号，坐标解算 器解调，由于不同发射器具有不同的角速度，通过此特征判断各自选通光被接收的时刻，并 将时刻和相应的角速度信息发送。
[0047] 步骤3;所述两组控制器根据步骤2所得信息，首先控制器需要对比收集到的角速 度与数据库中记录的既定角速度是否相符，相符则接收，不相符则忽略；然后根据该时刻信 息读取对应时刻的罗盘角度信息；得到水平偏移角aA，a,;且能计算接收器相对于发射器 所在平面的俯仰角0A，0B。
[0048] 通过上述功能，根据步骤3中测到的水平偏移角aA，ae，与接收器相对于发射器 所在平面的俯仰角0A，0e。可W得到位于悬臂式掘进机机身中线上的两个球形接收器的 空间坐标；
[0049] 坐标解算器W接收器接收到选通光的时刻为计时零点，设定两个计时零点A。、B。， 四束扇形光先后到达接收器，根据扇形激光所载的角速度的信息特征判断该时刻W哪个计 时零点计时。得到四组时刻其中为A发射器的两束扇形激光被接收时刻，得到为B发射器 的两束扇形激光被接收时刻，得到根据扇形光束之间的几何关系进一步计算接收器相对于 发射器所在平面的俯仰角0A，0e。
[0050]
[0051]其中0是两束扇形光水平面上的夹角为90°，是两束扇形光与垂直面的夹角为 30°。是A发射器的旋转角速度。《e是B发射器的旋转角速度。且《A声《e。为A发 射器中的两束扇形光被接收器接收时刻的时间差。为B发射器中的两束扇形光被接收器接 收时刻的时间差。
[0052]
[0053]aA，a,分别为A，B发射器所测得的接收器相对于发射器水平偏移角，；0为上文 中测得的俯仰角。
[0054] 所述多个坐标解算器通过各自端口互连的无线通讯模块将各自接收器的空间坐 标发送给上位机，上位机汇总进行悬臂式掘进机偏角与偏距的计算。
[0055] 此测量系统的测量范围较大，当需要进行移站时，需将设置在巷道两帮的激光发 射器W之前所在的位置为基准进行移站，移站后续重新进行标定与校准。
[0056] 通过完整的【实用新型内容】的叙述得到完整的悬臂式掘进机截割头空间位置、俯仰 角、滚动角W及偏角与偏距的测量数据。
【附图说明】
[0057] 图1是悬臂式掘进机位姿检测系统的示意图
[0058] 图2a是悬臂式掘进机偏向角示意图
[0059] 图化是悬臂式掘进机偏距示意图
[0060] 图2c是悬臂式掘进机俯仰角示意图
[0061] 图2 d是悬臂式掘进机滚动角示意图
[0062]图3是悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统结构组成示意图
[0063] 图4是矿用位移传感器具体安装位置示意图
[0064] 图5a是巷道内截割头水平面内截割投影示意图
[0065] 图化是巷道内截割头垂直平面内沿悬臂轴向截割状态示意图
[0066] 图6是偏角与偏距测量方案装置布置简图
[0067] 图7是发射器各激光束之间几何关系描述图
[0068] 图8是水平偏角计算原理图
[0069] 图9是前方交会原理图
[0070] 图中的附图标记：
[0071] 1:激光发射器；2 ;激光接收器；3 ;悬臂式掘进机；4 ;双轴倾角传感器；5 ;矿用位 移传感器；6、7 ;A/D转换器；8;可编程控制器；9;电控箱；10;掘进机后机架。
【具体实施方式】：
[0072]W下结合附图，通过测量方法的【具体实施方式】，对测量原理进行更细致的说明，更 深入的介绍本实用新型的技术手段及功能。本文后的附图及实施方式仅提供参考与说明。
[0073] 图1为本实用新型的系统框图，描述了悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统 设及的各个部件之间的组成关系与内在联系。
[0074] 图2各图所示为本实用新型所测得的悬臂式掘进机的机身位姿参数示意图，系统 只要测得此4个参数，就可W得到悬臂式掘进机机身的所有位姿信息，依次为偏角、偏距、 俯仰角和滚动角。
[0075] 图3所示为悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，标注了悬臂式掘进机在工 作时各个关键部位W及各检测装置的安装位置。
[0076] 通过煤矿地测部口所提供的当前巷道底板的纵向水平倾角值与横向水平倾角值， 将双轴倾角传感器的角度读数减去当前巷道底板的纵向倾角，得到的结果即为机身平面与 当前巷道底板平面纵向之间的夹角，即为悬臂式掘进机机身的俯仰角。将双轴倾角传感器 的角度读数减去当前巷道底板的横向倾角，得到悬臂式掘进机机身的滚动角。将两个倾角 传感器中测量得到的数据通过A/D转换模块传入可编程控制器中，就可W完成悬臂式掘进 机机身的俯仰角与滚动角的测量。
[0077] 图4所示为GUC1000矿用位移传感器安装的具体位置，GUC1000矿用位移传感器 是采用磁脉冲原理的高精度绝对行程的位置测量传感器，可精确测量悬臂式掘进机上液压 油缸的位移。
[0078] 图5所示为在巷道中悬臂式掘进机截割头水平面内截割投影示意图，与垂直平面 内沿悬臂轴向截割状态示意图。通过数学分析可W得到，只要通过GUC1000 矿用位移传感 器测量得到升降液压缸的伸缩量与回转右侧液压缸的伸缩量即可计算得到截割头在巷道 中的空间位置，将传感器测的信号通过A/D转换传入可编程控制器中，可得到截割头在巷 道中的实时位置。
[0079] 图6所示为基于iGI^S原理的接收装置与发射装置布置简图。如图所示，在掘进机 的后方，巷道两帮放置两台红外激光发射器，接收器固定在悬臂式掘进机后部与机身中线 重合的位置。
[0080] 在开始测量前，需先对发射装置进行整平、初始化，通过发射装置上的整平基座实 现发射器的中屯、轴线垂直于水平面。然后建立测量坐标系的Z轴。通过煤矿地测部口的相 关测量工具进行初始坐标系的标定，W巷道为固定坐标系得到原始的发射器位置信息，并 完成整平操作。通过控制发射器的旋转角速度，使发射器上的旋转平台W设定好的角速度 旋转，同时控制发射器发射出带有发射器位置信息与角速度大小的光信号。信号接收器可 W对激光信号进行解调，传感器在接收激光信号后，根据激光的强弱可W产生模拟信号，经 过A/D转换得到由坐标解算器提取计算出的发射器坐标信息与角速度信息。
[0081] 坐标解算器可W记录两组发射器选通光到达接收器的时刻，根据不同发射器的不 同的旋转角速度判断出红外激光发射器选通光被接收的时刻。根据不同发射器的不同的旋 转角速度判断出红外激光发射器选通光被接收的时刻，将时刻与角速度信息通过接收装置 内的通讯模块发送至两组发射器，控制器可W得到信息，并且进行比较。再由时刻信息从发 射装置中的电子罗盘电路中读取水平偏角a,，分别为A和B中读取到的偏角。
[0082] 通过通讯电路将水平偏角信息传递到坐标解算器中，坐标解算器根据所获得的角 度信息与发射器位置信息，利用图9所示的前方交会原理计算出接收器的空间坐标，从而 得到偏角与偏距。
[0083]A=Xa_Xb
[0084]
[0085] 测量系统的运行过程：
[0086] 1.双轴倾角传感器测量机身俯仰角0与滚动角丫。
[0087] 2.矿用位移传感器测量升降液压缸与回转右侧液压缸的伸缩量，得到截割头空间 位置。
[0088] 3.偏角偏距测量系统发射装置整平、系统初始化。
[0089] 4.A、B发射器旋转发射光信号，包括一个选通光与两个红外激光。
[0090] 5.接收器接收选通光得到水平偏移角，接收扇形激光得到俯仰角。
[0091] 6.坐标解算器收集信息，计算结果，得到接收器空间坐标。
[0092] 7.测量软件得到各个信息，得到悬臂式掘进机机身即截割头完整位姿信息。
【主权项】
1. 一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，其特征包括：设置于巷道后方的两 个红外激光发射器（1)、安装在悬臂式掘进机机身上的两个球形接收器（2)、安装于掘进机 机身上的两个两轴倾角传感器（4)，以及安装于悬臂式掘进机升降和回转液压缸内的矿用 位移传感器（5)。2. 根据权利要求1所述的悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，其特征在于：所 述的两个红外激光发射器（1)需安置于巷道两帮上，其应距离掘进机一定距离的位置，两 个红外激光发射器（1)含有相同的结构，主要包括：电子罗盘电路、电源电路、键盘输入设 备、基座、控制器、通讯电路、激光发射调制电路、旋转平台驱动电路；两个球形接收器⑵ 需安装在掘进机机身后部，两个球形接收器（2)的安装位置需与掘进机机身中线重合，两 个接收器（2)含有相同的结构，主要包括：激光接收电路、通讯电路、坐标解算器。3. 根据权利要求2所述的悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，其特征在于悬臂 式掘进机机身上的两轴倾角传感器（4)需安装在机身电控箱盖板上，分别用于检测机身中 线平行方向与机身中线垂直方向的相关参数，即悬臂式掘进机的滚动角与俯仰角；矿用位 移传感器（5)需安装在掘进机悬臂式掘进机升降和回转的液压缸内。
【专利摘要】本实用新型设计一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测系统，由两个双轴倾角传感器，两个位移传感器，两个红外激光发射器，两个球形激光接收器及A/D转换模块组成。两个双轴倾角传感器测量悬臂式掘进机的俯仰角和滚动角；两个位移传感器通过测量油缸的位移再通过相关数学关系计算得到悬臂式掘进机悬臂上的截割头的空间位置。两个红外激光发射器与球形激光接收器可建立巷道固定坐标系，发射器发射出三束激光，接收器在接收到光束后，利用光束之间的几何关系与发射器的旋转角速度等来计算出接收器相对于两发射器的相关参数，通过前方交会原理确定接收器的空间坐标。通过此得到悬臂式掘进机的偏角和偏距，从而完成悬臂式掘进机机身位姿参数测量。可对用于煤巷掘进的悬臂式掘进机的机身及截割头的位姿进行测量。
【IPC分类】G01C21/00
【公开号】CN204705359
【申请号】CN201520169847
【发明人】吴淼, 张敏骏, 贾文浩, 陶云飞, 符世琛, 宗凯, 王苏彧, 杨健健, 薛光辉, 田劼
【申请人】中国矿业大学(北京)
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年3月24日
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