竖井掘进机导向装置的制作方法

1.本实用新型涉及掘进机导向技术领域，特别涉及一种竖井掘进机导向装置。


背景技术：

2.近年来，随着一些大煤矿的相继发现和各种隧道的施工建设，竖井作为煤矿、隧道等施工时的通风、物料运载通道，在施工建设中用到越来越广泛。但不同于横向掘进的掘进机，掘进机竖直向下掘进，现场环境和掘进深度都对掘进姿态的测量控制增加了难度，特别是掘进机位置及姿态的自动测定是竖井掘进机的核心问题之一。
3.现有方案中，公开号为cn 203081453 u的中国专利申请虽披露了一种基于图像识别的竖井盾构导向系统的实用新型，包括成像板、ccd 相机、激光源、倾斜仪、计算机 ；所述成像板、ccd 相机和倾斜仪从上至下固定于竖井盾构机上，所述激光器固定于竖井口的安装架上，所述计算机与所述 ccd 相机和倾斜仪连接。系统工作时，利用激光源竖直向下发射激光，使成像板的中心基本与激光器重合，利用 ccd 相机拍摄成像板上所形成的激光图像，以计算机图像识别技术为基本原理，分析图像中的有用信息，通过对图像的提取，获取偏差信息，计算出竖井盾构机盾尾间隙，从而提高竖井盾构施工的精确性，实现竖井盾构的自动化测量。但，其激光器发射器固定在井口上方，随着掘进深度的增加，激光发射器距离成像板越来越远，则激光发射器在成像板上形成的光点强度逐步降低，这就导致对相机采集图像的处理难度增加，而且更加容易受到干扰，处理效果不佳，准确度降低；因此，其只适用于竖井掘进深度浅，地层条件好的项目，一旦遇到深度较深，底层条件差的项目，掘进机掘进过程中会产生很大的灰尘或者水汽，随着掘进深度的增加和时间的推移，成像板上会积累一层灰尘，如果得不到及时清理，直接影响光点强度，甚至于相机无法采集图像处理，缺点明显。


技术实现要素：

4.为此，本实用新型提供一种竖井掘进机导向装置，利用激光雷达扫描仪和双轴倾角仪实现测角和测距综合功能，将定位辅助件作为控制后视点实现全站仪后方交会，进而定位出掘进机盾尾中心坐标，不受隧道深度影响，可以大大减少工作强度、提高施工效率。
5.按照本实用新型所提供的设计方案， 一种竖井掘进机导向装置，包含：用于定位掘进机中心坐标的角度和距离测量设备，所述角度和距离测量设包含：安装于掘进机盾尾上的激光雷达扫描仪，与激光雷达扫描仪平行安装于掘进机盾体上的双轴倾角仪，用于激光雷达扫描仪和双轴倾角仪控制后视点定位的定位辅助件，及与激光雷达扫描仪和双轴倾角仪连接用于接收并处理导向数据的上位机。
6.作为本实用新型竖井掘进机导向装置，进一步地，所述激光雷达扫描仪固定安装于掘进机尾盾中心，且其安装平面与掘进机轴线垂直。
7.作为本实用新型竖井掘进机导向装置，进一步地，所述定位辅助件包含：悬吊丝，及两根分别通过悬吊丝悬垂至掘进机主机尾部两侧的吊杆；悬吊丝一端固定于井口位置，
另一端与吊杆固定。
8.作为本实用新型竖井掘进机导向装置，进一步地，吊杆下部加装有稳定加强块。
9.作为本实用新型竖井掘进机导向装置，进一步地，所述吊杆采用钢棒；所述稳定加强块为铅锤；所述悬吊丝采用钢丝。
10.作为本实用新型竖井掘进机导向装置，进一步地，井口位置处设置有用于安装悬吊丝的u型钢丝绳滑轮。
11.本实用新型的有益效果：
12.本实用新型结构简单，设计新颖、合理，利用激光雷达和双轴倾角仪实现测角和测距综合功能，结合定位辅助件作为控制后视点实现全站仪后方交会，从而定出掘进机盾尾的中心坐标。并进一步，可接替往下换站悬垂定位辅助件吊杆，不受隧道深度影响；利用高精度远距离2d单线激光雷达扫描帧率高，对现场灰尘较大的抗干扰能力强，并可以大大减少工作强度、提高施工效率，具有较好的应用前景。
13.附图说明：
14.图1为实施例中竖井掘进机导向装置结构示意；
15.图2为实施例中激光雷达扫描仪工作原理示意。
16.图中标号，标号1代表掘进机，标号2代表激光雷达扫描仪，标号3代表双轴倾角仪，标号4代表吊杆，标号5代表悬吊丝。
17.具体实施方式：
18.下面结合附图和技术方案对本实用新型作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本实用新型的实施方式，但本实用新型的实施方式并不限于此。
19.本实用新型实施例，参见图1所示，提供一种竖井掘进机导向装置，包含：用于定位掘进机1中心坐标的角度和距离测量设备，所述角度和距离测量设包含：安装于掘进机1盾尾上的激光雷达扫描仪2，与激光雷达扫描仪2平行安装于掘进机1盾体上的双轴倾角仪3，用于激光雷达扫描仪2和双轴倾角仪3控制后视点定位的定位辅助件，及与激光雷达扫描仪2和双轴倾角仪3连接用于接收并处理导向数据的上位机。利用激光雷达和双轴倾角仪3实现测角和测距综合功能，结合定位辅助件作为控制后视点实现全站仪后方交会，从而定出掘进机1盾尾的中心坐标，激光雷达扫描仪2和双轴倾角仪3可通过网络与上位机进行数据交互，操作简单，便于实现。
20.作为本实用新型实施例中竖井掘进机导向装置，进一步地，所述激光雷达扫描仪2固定安装于掘进机1尾盾中心，且其安装平面与掘进机1轴线垂直，能够保证雷达扫描范围。
21.作为本实用新型实施例中竖井掘进机导向装置，进一步地，所述定位辅助件包含：悬吊丝5，及两根分别通过悬吊丝5悬垂至掘进机1主机尾部两侧的吊杆4；悬吊丝5一端固定于井口位置，另一端与吊杆4固定。根据实际应用需求，可接替往下换站悬垂定位辅助件吊杆4，不受隧道深度影响；利用高精度远距离2d单线激光雷达扫描帧率高，对现场灰尘较大的抗干扰能力强，并可以大大减少工作强度、提高施工效率，具有较好的应用前景。进一步地，吊杆4下部加装有稳定加强块，保证吊杆4竖直度和稳定性，且，可随掘进进度阶梯下移。
22.作为本实用新型竖井掘进机导向装置，进一步地，所述吊杆4采用钢棒；所述稳定加强块为铅锤；所述悬吊丝5采用钢丝。钢丝可采用高强钢丝，钢棒可采用长度为3m的表面光滑钢棒。进一步，通过在钢丝上下分别贴有测量反射片，在井口测量两钢丝的大地平面坐
标以传递到井下作为两个控制点。进一步地，井口位置处设置有用于安装悬吊丝5的u型钢丝绳滑轮，便于吊杆4悬吊高度调整。
23.工作过程可描述如下：首先，人工测量两吊杆4的平面坐标；激光雷达扫描2个吊杆4，以分别取得雷达中心和2个吊杆4之间的斜距。参见图2所示，a-c，b-d为掘进机1撑靴方向；p-q为激光雷达安装后的扫描范围界限；α和β为倾角仪两个方向倾角；m和n为两吊杆4。倾角仪和激光雷达安装固定，α和β分别朝向两个撑靴方向，激光扫描仪和倾角仪安装固定后，∠a和∠b为已知，可实时计算出∠c=∠a-∠b。已知α和β和∠c，可实时计算出o-m相对于水平面的俯仰角θ=αcos∠c βsin∠c；激光雷达可实时测量om和on斜距l1和l2，进而获取om和on的平距n和m。利用激光雷达的扫描范围角度及初始安装角度获取雷达中心和2个吊杆4连线跟倾角仪α或β方向的夹角；结合实时读取的倾角仪α或β角度，可得到雷达中心和2个吊杆4连线的俯仰角，从而得出雷达中心和2个吊杆4的平距；根据2个吊杆4的平面坐标和两个平距可得到雷达中心的坐标；从而获取掘进机1尾盾的姿态，再结合倾角仪两个方向的倾角和盾体的长度，可推算得到刀盘姿态。利用激光雷达扫描仪2获取角度和距离，利用成像模型，激光束在吊杆4处距离突变，从而获取吊杆4上的点云数据，利用激光雷达扫描仪2和双轴倾角仪3能够快速确定掘进机1刀盘和机尾的姿态偏差及趋势，为控制竖井掘进机1的掘进提供控制依据。掘进机1主机换步下移，激光雷达测量范围在吊杆4长度范围内，无需人工调整吊杆4下移。掘进深度较深时，为保证钢丝稳定性，可在井壁设置控制点，钢丝悬吊位置可阶梯下移避免钢丝长度过长影响吊杆4稳定性。激光雷达为高精度远距离2d单线激光雷达，测距精度可达mm级，扫描帧率高，对现场灰尘较大的抗干扰能力强，可以满足现场测量需求。
24.*本文中术语“和/或”表示可以存在三种关系。例如，a和/或b可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
25.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似词语并非现定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
26.上文中参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示
例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。