一种基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统的制作方法

1.本发明涉及煤矿设备技术领域，尤其涉及一种基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统。


背景技术：

2.随着煤矿自动化技术改革的不断推进，目前已经提出智慧煤矿的概念，掘进机作为井下作业的大型开采机械，实现其自动化作业就成了实现智慧煤矿的一个关键点。
3.煤矿井下环境十分恶劣，巷道内工作环境复杂，目前掘进机井下作业时，主要依靠煤矿工人利用导向激光来完成对其位姿的判断和调整，往往因为工作环境灰尘浓度高以至视线模糊，或是工人经验不足，不能很好的测得掘进机的位姿参数以及进行井下掘进机定位，不能实现掘进机位姿检测和定位的自动化，容易出现超挖或欠挖现象。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统，以解决掘进机井下作业时，不能很好的测得掘进机的位姿参数以及进行井下掘进机定位，不能实现掘进机位姿检测和定位的自动化，容易出现超挖或欠挖的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统，包括捷联式惯性导航、激光发射平台部分、激光指向仪、激光接收装置和截割头位姿检测装置；捷联式惯性导航安装在掘进机机身上表面的中心位置；激光指向仪安装在掘进机后方的巷道顶部中间位置；
6.激光发射平台部分水平安装在掘进机后方的巷道顶部中间位置，激光发射平台部分包括激光安置平台、定位感应孔、第一倾角传感器、第一差分激光器、激光测距仪和第二差分激光器，第一差分激光器、激光测距仪、第二差分激光器间隔安装在激光安置平台的同一平面上，激光测距仪安装在激光安置平台下端面的中央，第一差分激光器和第二差分激光器对称安装在激光测距仪的两侧，激光安置平台的中心位置设置定位感应孔，定位感应孔内置光敏元件，定位感应孔旁安装第一倾角传感器；
7.激光接收装置安装在捷联式惯性导航后方七十公分处，激光接收装置包括第一差分激光接收板、测距激光接收板、第二差分激光接收板，测距激光接收板安装在掘进机中轴线上，第一差分激光接收板和第二差分激光接收板分别安装在测距激光接收板的两侧；
8.截割头位姿检测装置包括分别安装在截割头第一级液压缸、截割头第二级液压缸、截割头第三级液压缸上的磁致伸缩距离传感器以及安装在截割头转轴中心处的角度传感器。
9.在上述的基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统中，可选的是，激光发射平台部分还包括第一旋转机构和第二旋转机构，第一差分激光器和第二差分激光器上均安装第一旋转机构和第二旋转机构，激光测距仪上安装第二旋转机构。
10.在上述的基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统中，可选的是，激光发射平
台部分还包括驱动电机和第二倾角传感器，激光测距仪上安装驱动电机和第二倾角传感器。
11.在上述的基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统中，可选的是，第一差分激光接收板、测距激光接收板和第二差分激光接收板的结构相同。
12.在上述的基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统中，可选的是，第一差分激光接收板包括第一激光接收板方格面和第一激光接收板支撑架，第一激光接收板方格面固定安装在第一激光接收板支撑架上，第一激光接收板支撑架固定在掘进机上，第一激光接收板方格面中的各小方格内均放置光敏元件。
13.在上述的基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统中，可选的是，第一激光接收板支撑架上固定安装第一清洁刷驱动装置，第一清洁刷驱动装置上安装第一激光接收板清洁刷。
14.本发明提供的基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统，通过激光测距仪发出的激光射在测距激光接收板上，第一差分激光器和第二差分激光器发出的激光分别射在第一差分激光接收板和第二差分激光接收板上，根据激光落点位置的变化对掘进机的位姿进行初步解算，联合捷联式惯性导航所得数据，实现掘进机机体位姿的精确检测；通过截割头第一级液压缸、截割头第二级液压缸、截割头第三级液压缸内的磁致伸缩距离传感器以及安装在截割头后方的角度传感器一起对截割头的位置进行检测，能够很好的测得掘进机的位姿参数以及进行井下掘进机定位，实现掘进机位姿检测和定位的自动化，有效避免出现超挖或欠挖。
15.本发明的构造以及它的其他发明目的及有益效果将会通过结合附图而对优选实施例的描述而更加明显易懂。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例提供的基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统的整体结构示意图；
18.图2为本发明实施例提供的基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统的激光发射平台部分的结构示意图；
19.图3为本发明实施例提供的基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统的激光接收装置的结构示意图；
20.图4为本发明实施例提供的基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统的第一差分激光接收板的结构示意图；
21.图5为本发明实施例提供的基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统的截割头三级液压缸处的结构示意图；
22.图6为本发明实施例提供的基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统的第三工作状态示意图；
23.图7为本发明实施例提供的基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统的第五工作状态示意图。
24.附图标记说明：
25.1-待掘进区；
26.2-巷道；
27.3-捷联式惯性导航；
28.4-掘进机；
29.5-激光发射平台部分；
30.501-激光安置平台；502-定位感应孔；503-第一倾角传感器；504-第一差分激光器；505-驱动电机；506-激光测距仪；507-第二倾角传感器；508-第二差分激光器；509-第一旋转机构；510-第二旋转机构；
31.6-激光指向仪；
32.7-第一差分激光接收板；
33.701-激光接收板方格面；702-激光接收板清洁刷；703-清洁刷驱动装置；704-激光接收板支撑；
34.8-测距激光接收板；
35.9-第二差分激光接收板；
36.10-截割头第一级液压缸；
37.11-截割头第二级液压缸；
38.12-角度传感器；
39.13-截割头第三级液压缸。
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
41.如图1-图3、图5-图7所示，本发明提供一种基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统，包括捷联式惯性导航3、激光发射平台部分5、激光指向仪6、激光接收装置和截割头位姿检测装置；捷联式惯性导航3安装在掘进机4机身上表面的中心位置；激光指向仪6安装在掘进机4后方的巷道2顶部中间位置；
42.激光发射平台部分5水平安装在掘进机4后方的巷道2顶部中间位置，激光发射平台部分5包括激光安置平台501、定位感应孔502、第一倾角传感器503、第一差分激光器504、激光测距仪506和第二差分激光器508，第一差分激光器504、激光测距仪506、第二差分激光器508间隔安装在激光安置平台501的同一平面上，激光测距仪506安装在激光安置平台501下端面的中央，第一差分激光器504和第二差分激光器508对称安装在激光测距仪506的两
侧，激光安置平台501的中心位置设置定位感应孔502，定位感应孔502内置光敏元件，定位感应孔502旁安装第一倾角传感器503；
43.需要说明的是，激光安置平台501水平安装在掘进机4后方的巷道2顶部中间位置，第一倾角传感器503安装在激光安置平台501上，激光发射平台部分5位于激光指向仪6的前方，激光指向仪6处于系统的最后端，用以给定基准方向，激光指向仪6射出的激光穿过定位感应孔502，联合第一倾角传感器503，确保激光安置平台501能水平安装在巷道2顶部中间位置。
44.激光接收装置安装在捷联式惯性导航3后方七十公分处，激光接收装置包括第一差分激光接收板7、测距激光接收板8、第二差分激光接收板9，测距激光接收板8安装在掘进机4中轴线上，第一差分激光接收板7和第二差分激光接收板9分别安装在测距激光接收板8的两侧；
45.在工作过程中，激光测距仪506发出的激光射在测距激光接收板8上，第一差分激光器504和第二差分激光器508发出的激光分别射在第一差分激光接收板7和第二差分激光接收板9上，根据激光测距仪506测得的距离参数，联合第二倾角传感器507利用三角函数解算掘进机4机身到激光测距仪506的垂直距离；依靠激光落点位置的变化对掘进机的位姿进行初步解算，再联合捷联式惯性导航3所得数据，实现掘进机4机体位姿的精确检测。
46.需要说明的是，捷联式惯性导航系统是由平台式惯导系统发展来的一种无框架系统，省略了复杂的物理实体平台，结构简单，体积小，重量轻，成本低，维护简便，可靠性高；不依赖于任何外部信息，不向外部辐射能量，但能完成位姿的全方位检测，适用于复杂环境。但是因为计算原理，捷联式惯性导航系统的检测结果中存在积累误差，因此考虑与差分激光测得的位姿数据相互融合，进一步提高检测精度。
47.捷联式惯性导航3可以实现全位姿检测，在不同的工作状态下会将掘进机的俯仰角、翻滚角、航向角全部检测出来，再与差分激光检测到的俯仰角、翻滚角和航向角进行融合，从而实时的得到掘进机的全部位姿参数；无论掘进机处于哪种工作状态，都要对位姿参数进行全面检测。
48.截割头位姿检测装置包括分别安装在截割头第一级液压缸10、截割头第二级液压缸11、截割头第三级液压缸13上的磁致伸缩距离传感器以及安装在截割头转轴中心处的角度传感器12。
49.需要说明的是，截割头是掘进机4上直接切割岩石的旋转部件，截割头的前方是待掘进区1，截割头的第一级液压缸10、截割头第二级液压缸11、截割头第三级液压缸13均设置两个，磁致伸缩距离传感器共设置六个，六个磁致伸缩距离传感器用来测量截割头部分的液压缸驱动的液压杆的位移，配合安装在截割头后方的角度传感器12一起对截割头的位姿进行检测。
50.系统中的捷联式惯性导航3、第一倾角传感器503、第一差分激光器504、驱动电机505、激光测距仪506、第二倾角传感器507、第二差分激光器508、第一旋转机构509的内置电机、第二旋转机构510的内置电机、激光指向仪6、第一差分激光接收板7、测距激光接收板8、第二差分激光接收板9、磁致伸缩距离传感器、角度传感器12均与控制系统连接。
51.如图2所示，激光发射平台部分5还包括第一旋转机构509和第二旋转机构510，第一差分激光器504和第二差分激光器508上均安装第一旋转机构509和第二旋转机构510，激
光测距仪506上安装第二旋转机构510。
52.需要说明的是，第一差分激光器504和第二差分激光器508均能在第一旋转机构509和第二旋转机构510的作用下自由转动，调节第一差分激光器504和第二差分激光器508的激光射出角度以适应不同的工况，第一旋转机构509和第二旋转机构510的结构不做具体限制，只要能够实现旋转功能即可。
53.如图2所示，激光发射平台部分5还包括驱动电机505和第二倾角传感器507，激光测距仪506上安装驱动电机505和第二倾角传感器507。
54.需要说明的是，通过驱动电机505驱动激光测距仪506改变俯仰角，根据激光测距仪506发出的测距激光在测距激光接收板8上落点位置的变化趋势和当时测得的距离参数，通过驱动电机505、第二倾角传感器507和激光测距仪506上安装的第二旋转机构510相互配合，确保测距激光能一直打在测距激光接收板8上。
55.如图3-图4所示，第一差分激光接收板7、测距激光接收板8和第二差分激光接收板9的结构相同。
56.需要说明的是，测距激光接收板8用于接收激光测距仪506发出的激光；第一差分激光接收板7用于接收第一差分激光器504发出的激光；第二差分激光接收板9用于接收第二差分激光器508发出的激光。
57.如图3-图4所示，第一差分激光接收板7包括第一激光接收板方格面701和第一激光接收板支撑架704，第一激光接收板方格面701固定安装在第一激光接收板支撑架704上，第一激光接收板支撑架704固定在掘进机4上，第一激光接收板方格面701中的各小方格内均放置光敏元件。
58.需要说明的是，第一激光接收板支撑架704用于支撑加固第一激光接收板方格面701，第一激光接收板方格面701内的光敏元件用于捕捉激光落点位置。
59.如图3-图4所示，第一激光接收板支撑架704上固定安装第一清洁刷驱动装置703，第一清洁刷驱动装置703上安装第一激光接收板清洁刷702。
60.需要说明的是，第一激光接收板清洁刷702在第一清洁刷驱动装置703的带动下进行摆动，以完成第一激光接收板方格面701的清洁工作。
61.在掘进机4进行掘进工作之前，先使激光指向仪6发出的激光穿过定位感应孔502，确保激光安置平台501安置在巷道2顶板的中轴线上，再利用第一倾角传感器503，确保激光安置平台501水平固定在巷道顶端；利用第一旋转机构509、第二旋转机构510和驱动电机505调整第一差分激光器504、激光测距仪506和第二差分激光器508的激光出射角度，使第一差分激光器504、激光测距仪506和第二差分激光器508发出的激光分别射在第一差分激光接收板7、测距激光接收板8和第二差分激光接收板9的中央位置。
62.第一工作状态：仅掘进机4的俯仰角发生变化。
63.当掘进机4开始工作，根据激光测距仪506发出的测距激光在测距激光接收板8上的落点的偏移调整激光测距仪506的俯仰角，根据激光测距仪506测得的距离参数不断调整第一差分激光器504和第二差分激光器508的俯仰角，使得第一差分激光器504和第二差分激光器508的差分激光落点一直分别保持在第一差分激光接收板7和第二差分激光接收板9的中心位置；在第二旋转机构510、第二倾角传感器507和驱动电机505的作用下，使激光测距仪506的激光落点一直落在测距激光接收板8上。
64.掘进机4工作过程中，当俯仰角发生变化时，此时的距离参数未变，此时第一差分激光器504和第二差分激光器508的俯仰角不变，而第一差分激光器504和第二差分激光器508射出的差分激光的落点分别会沿第一差分激光接收板7和第二差分激光接收板9中轴线上下移动，照射在激光接收板方格面的不同方格里，通过激光照射的方格，就得到激光落点的位移，进而初步计算出掘进机4的俯仰角信息，再结合安装在掘进机4机身上的捷联式惯性导航3的数据，便实现掘进机4机身的位姿的准确测量；根据得到的掘进机4机身的位姿参数再联合安装在截割头第一级液压缸10、截割头第二级液压缸11和截割头第三级液压缸13中的六个磁致伸缩传感器和角度传感器12所得的数据，便实现截割头的位姿检测；根据得到的掘进机4机体的位姿参数，联合激光测距仪506得到的距离参数，便完成对掘进机4的定位工作。
65.第二工作状态：仅掘进机4的翻滚角发生变化。
66.掘进机4工作过程中，当翻滚角发生变化时，第一差分激光器504和第二差分激光器508在第一差分激光接收板7和第二差分激光接收板9的激光接收板方格面中的激光落点会按圆形轨迹移动，但由于掘进机4翻滚时的支撑点不同，两个圆形轨迹的半径不同，因此两个激光落点移动的位移不同(例如，若掘进机4向左翻滚，则激光落点在左侧激光接收板上移动的位移就远小于在右侧激光接收板上的位移)，根据第一差分激光接收板7和第二差分激光接收板9上激光的落点位置确定掘进机4的翻滚方向，并跟据其中一个接收板上的移动距离，解算出翻滚角度，然后联合捷联式惯性导航3得到的数据，完成掘进机4机身的位姿检测；根据得到的掘进机4机身的位姿参数再联合安装在截割头第一级液压缸10、截割头第二级液压缸11和截割头第三级液压缸13中的六个磁致伸缩传感器和角度传感器12所得的数据，便实现截割头的位姿检测；根据得到的掘进机4机体的位姿参数，联合激光测距仪506得到的距离参数，便完成对掘进机4的定位工作。
67.第三工作状态：掘进机的俯仰角与翻滚角同时发生变化。
68.掘进机4工作过程中，当俯仰角和翻滚角同时发生变化时，如图6所示，第一差分激光器504和第二差分激光器508在第一差分激光接收板7和第二差分激光接收板9的激光接收板方格面中的激光落点会分别出现上下偏移，但由于掘进机4翻滚角发生了变化，落点上下偏移的幅度不同；根据第一差分激光器504和第二差分激光器508射出的差分激光在第一差分激光接收板7和第二差分激光接收板9上偏移幅度的不同，确定掘进机4的翻滚角方向；根据偏移的总位移，分解出分别由于掘进机4的翻滚角变化和俯仰角变化带来的位移，进而计算掘进机4的翻滚角和俯仰角，再联合捷联式惯性导航3得到的数据，完成掘进机4机身的位姿检测；根据得到的掘进机4机身的位姿参数再联合安装在截割头第一级液压缸10、截割头第二级液压缸11和截割头第三级液压缸13中的六个磁致伸缩传感器和角度传感器12所得的数据，便实现截割头的位姿检测；根据得到的掘进机4机体的位姿参数，联合激光测距仪506得到的距离参数，便完成对掘进机4的定位工作。
69.第四工作状态：仅掘进机4的航向角发生变化。
70.掘进机4工作过程中，当航向角发生变化时，第一差分激光器504和第二差分激光器508在第一差分激光接收板7和第二差分激光接收板9的激光接收板方格面中的激光落点会同时向左或右移动，以区分出掘进机4航向角的变化方向；根据激光落点在某一激光接收板上的位移，便计算出航向角的值；再联合捷联式惯性导航3得到的数据，完成掘进机4机身
的位姿检测。根据得到的掘进机4机身的位姿参数再联合安装在截割头第一级液压缸10、截割头第二级液压缸11和截割头第三级液压缸13中的六个磁致伸缩传感器和角度传感器12所得的数据，便实现截割头的位姿检测；根据得到的掘进机4机体的位姿参数，联合激光测距仪506得到的距离参数，便完成对掘进机4的定位工作。
71.第五工作状态：航向角、俯仰角、翻滚角同时变化。
72.掘进机4工作过程中，航向角、俯仰角、翻滚角同时变化时，如图7所示，第一差分激光器504和第二差分激光器508在第一差分激光接收板7和第二差分激光接收板9的激光接收板方格面中的激光落点的位移会比较复杂。
73.在这种情况下，先根据激光落点在第一差分激光接收板7和第二差分激光接收板9上的水平位移判断掘进机4的航向角方向，根据竖直方向的位移判断掘进机4的俯仰角方向，将激光落点在激光接收板上的位移进行分解，分别找出因为掘进机4航向角变化带来的位移、俯仰角变化带来的位移和翻滚角变化带来的位移，根据解算出来的位移，初步计算出掘进机4的航向角、俯仰角和翻滚角，再联合捷联式惯性导航3得到的数据，完成掘进机4机身的位姿检测；根据得到的掘进机4机身的位姿参数再联合安装在截割头第一级液压缸10、截割头第二级液压缸11和截割头第三级液压缸13中的六个磁致伸缩传感器和角度传感器12所得的数据，便实现截割头的位姿检测；根据得到的掘进机4机体的位姿参数，联合激光测距仪506得到的距离参数，便完成对掘进机4的定位工作。
74.本发明提供的基于差分激光的掘进机位姿检测及定位系统，通过激光测距仪506发出的激光射在测距激光接收板8上，第一差分激光器504和第二差分激光器508发出的激光分别射在第一差分激光接收板7和第二差分激光接收板9上，根据激光落点位置的变化对掘进机的位姿进行初步解算，联合捷联式惯性导航3所得数据，实现掘进机4机体位姿的精确检测；通过截割头第一级液压缸10、截割头第二级液压缸11、截割头第三级液压缸13内的磁致伸缩距离传感器以及安装在截割头后方的角度传感器12一起对截割头的位置进行检测，能够很好的测得掘进机的位姿参数以及进行井下掘进机定位，实现掘进机位姿检测和定位的自动化，有效避免出现超挖或欠挖。
75.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，使固定连接，也是通过中间媒介间接相连，是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。
76.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下互换，以便这里描述的本技术的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过
程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
77.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。