电模块30 :橡胶保护盔
[0068] 31 :掘进机电控箱
【具体实施方式】
[0069] 为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效， 以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的掘进机自主定位定向系统及其方法 的【具体实施方式】、结构、特征及其功效，详细说明如后。
[0070] 有关本实用新型的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较 佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过【具体实施方式】的说明，当可对本实用新型为达 成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供 参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。
[0071] 本实用新型较佳实施例的掘进机自主定位定向系统及其方法，如图1所示，由自 主行走式定位基站群2、掘进机机身定位匣（7、8、9)、可编程计算机控制器10、陀螺寻北仪 11、倾角传感器12、倾角传感器13组成。掘进机机身定位匣（7、8、9)安装在掘进机机身，可 编程计算机控制器10、陀螺寻北仪11、倾角传感器12、倾角传感器13安装在掘进机机身电 控箱中。其中，自主行走式定位基站群2及掘进机机身定位匣（7、8、9)可进行双线无线通 信及测距，掘进机机身定位匣（7、8、9)、陀螺寻北仪11、倾角传感器12、倾角传感器13可通 过通信线缆与可编程计算机控制器10连接并双向通信。
[0072] 如图2所示，所述的自主行走式基站群2由自行走式定位基站3、4、5、6组成，基站 3、4、5、6之间可以进行双向通信及双向测距。基站6放置在起始坐标巷道底板处，通过基站 之间的双向测距进行定位，从而建立基准坐标系。当掘进机向前掘进时，通过基站与掘进机 定位匣中的超宽带无线电模块进行无线电测距，根据定位算法，从而确定掘进机相对于基 准坐标系的坐标。并且根据3个掘进机机身定位匣的坐标解算出掘进机位姿参数。
[0073] 如图3所示，每个基站由轮式行走装置14、5个红外测距仪15、步进电机16、单片 机17、本安电池18、基站超宽带无线电模块19组成，其中基站超宽带无线电模块19由微处 理器20、铷原子钟21、通信电路22、脉冲电路23、天线24组成。其中，轮式行走装置14由4 个小型减震轮胎组成，其中2个与2个步进电机16相连接，其余2个为从动轮。步进电机 16与单片机17相连接，并且接收单片机17发出的步进信号。5个红外测距仪15与单片机 17相连接并可以将测得的不同方向的距离信息传输给单片机17。超宽带无线电模块19与 单片机17相连接并可进行双向通信。单片机17、步进电机16、与超宽带无线电模块19的 电力支持由本安电池18提供。
[0074] 在超宽带无线电模块中19中，铷原子钟21、通信电路22、脉冲电路23分别与微处 理器20连接并可进行双向通信。通信电路22、脉冲电路23分别与天线24进行连接并可进 行双向通信。其中，通信电路22可实现无线电模块之间的无线通信，脉冲电路23可发射并 接收频率在3. 4-10. 6Ghz量级的超宽带无线电信号。
[0075] 如图4、5所示，掘进机机身超宽带无线电模块29安装在掘进机1机身上，周围分 布安装3个液压减震油缸28,橡胶保护盔安装在液压减震油缸上部。此机构可有效保护机 身超宽带无线电模块免受来自巷道上方的垮落煤岩。
[0076] 如图6 (a)所示，设巷道基准坐标系为0ΧΥΖ，系统运行时，启动三个定位基站对掘 进机机身三个定位匣进行依次测距。利用无线电波测量得到的距离用R表示，航向角用α 表示，横滚角用β表示，俯仰角用Θ表示。
[0077] 如图6 (b)所示，图中为定位系统几何模型的俯视图Χ0Υ，基站4 (X4、Y4、Z4)、5 (Χ5、 Y5、Z5)、6 (X6、Y6、Z6)到7 (X7、Y7、Z7)点的距离分表表示为R47、R 57、R67.同理各定位基站到9 点（X9、Y9、Z 9)的距离分表表示为R49、R59、R69。根据计算可得出待求参数航向角α与原始 距离参数的关系为
[0078]
[0079] 当α值为正时，掘进机偏向方向向左。
[0080] 当α值为负时，掘进机偏向方向向右。
[0081] 由于机身定位匣在掘进机上位置已知且与掘进机刚性连接，所以定位匣的坐标即 为掘进机坐标，以定位匣7为例：
[0082]
[0083] 如图6(c)所示，图中为定位系统几何模型的正视图Χ0Ζ，基站4(X4、Y 4、Z4)、5(Χ5、 Υ5、Ζ5)、6(Χ6、Υ6、Ζ6)到 7(Χ7、Υ7、Ζ7)点的距离分表表示为R47、R 57、R67?同理各基站到8点（Xs、 YS、ZS)的距离分表表示为R4S、R5S、R 6S。根据计算可得出待求参数横滚角β与原始参数的关 系为
[0084]
[0085] 当β值为正时，滚向向左。
[0086] 当β值为负时，滚向向右。
[0087] 如图6⑷所示，图中为定位系统几何模型的侧视图Υ0Ζ，基站4 (X4、Y4、Z4)、5 (Χ5、 Υ5、Ζ5)、6(Χ6、Υ6、Ζ6)到 7(Χ7、Υ7、Ζ7)点的距离分表表示为R47、R 57、R67?同理各基站到9点（Χ9、
[0088] Y9、Z9)的距离分表表示为R49、R59、R 69。根据计算可得出待求参数俯仰角Θ与原始参数的关 系为
[0089] 当Θ值为正时，俯向向前。
[0090] 当Θ值为负时，俯向向后。
[0091] 掘进机自主定位定向系统及方法的实施步骤为：
[0092] (1)将自主行走式定位基站群2放置在巷道起始坐标处，巷道起始坐标及巷道掘 进路线由地测人员给出，并输入至掘进机电控箱31中的可编程计算机控制器10中，启动掘 进机自主定位定向程序。
[0093] (2)可编程计算机控制器10通过掘进机机身定位匣7中的超宽带无线电模块向自 主行走式定位基站群2发送激活指令使得基站群启动。
[0094] (3)为了避免各模块之间的信号冲突，单次测距步骤内，只有两个超宽带无线电模 块处于工作状态，其余模块处于休眠状态。
[0095] (4)首先激活自主行走式定位基站3及机身超宽带定位匣7。由基站3的单片机 17(3)向基站超宽带无线电模块19 (3)发送脉冲测距指令，经过微处理器20 (3)处理，向脉 冲电路23(3)发送发射指令，与此同时，向铷原子钟21 (3)发射计时指令。脉冲电路通过天 线24(3)向周围空间发送无差别超宽带无线电波。
[0096] (5)当定位匣7中的机身超宽带无线电模块29(7)中的天线24(7)接收到来