基于无线传感的掘进机姿态检测系统的制作方法

本实用新型属于掘进机姿态检测技术领域。

背景技术：

掘进机是主要的隧道和矿井地下掘进机械，在我国用于煤矿巷道的掘进施工。随着高产高效的煤矿施工技术的推进，也要求井下综掘设备不断改进提高，将自动化、信息化和无人化逐渐应用于综掘设备，实现高效、安全巷道。此外，随着城市空间的利用和地下交通的发展，掘进机得到越来越广泛的作用。掘进机在行进过程中，需要确定掘进机的空间位置和掘进机机体的实时姿态，在截割过程中，由于受到截割阻力，机体会发生移位和扭转，为了控制截割断面成形质量，需要实时定位掘进机机体位置和姿态。

在隧道矿井等复杂环境下，无法接收到有效的GPS信号。无法适应目前的掘进机机体定位需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了适应目前隧道矿井等复杂环境下，掘进机机体位置和姿态的定位，现提供基于无线传感的掘进机姿态检测系统。

基于无线传感的掘进机姿态检测系统，包括：多个传感器节点1、多个路由节点电路2和协调器3；传感器节点1包括：加速度计1-1、陀螺仪1-2和无线收发电路1-3；

传感器节点1用于实时采集掘进机在每个坐标轴下的比力和角速度，

多个传感器节点1和多个路由节点电路2之间通过天线实现无线数据传输，

多个路由节点电路2和协调器3之间通过天线实现无线数据传输，

加速度计1-1的信号输出端和陀螺仪1-2的信号输出端同时连接无线收发电路1-3的信号输入端。

由于惯性传感器具有自主性、隐蔽性等特点，不向外辐射能量，也不需要接收外部信息，适用于井下掘进过程导航。本实用新型通过惯性敏感元件获得掘进机的姿态和位置信息，通过无线传感技术送入控制中心主站，进行监测和反馈，有利于控制掘进机巷道断面截割的成形质量，也是掘进机无人化发展的一个基础。

在应用时，在巷道掘进监测体系中，无线传感网络由终点节点、路由节点和协调器节点组成。传感器节点用来进行数据参量采集，采用加速度传感器、陀螺仪传感器，分别测量载体的角运动和线运动信息，通过无线收发模块上传。路由节点电路用于拓展网络结构，增加终点节点数码，搜索可用的网络，并转发接收到的数据；协调器用来创建无线zigbee网络，查找和加入网络节点，并与上位机通信。本实用新型适用于煤矿巷道的掘进施工。

附图说明

图1为基于无线传感的掘进机姿态检测系统的结构框图；

图2为传感器节点的电路图；

图3为路由节点电路图；

图4为协调器电路图；

图5为RS232串口通信电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于无线传感的掘进机姿态检测系统，包括：多个传感器节点1、多个路由节点电路2和协调器3；传感器节点1包括：加速度计1-1、陀螺仪1-2和无线收发电路1-3；

传感器节点1用于实时采集掘进机在每个坐标轴下的比力和角速度，

多个传感器节点1和多个路由节点电路2之间通过天线实现无线数据传输，

多个路由节点电路2和协调器3之间通过天线实现无线数据传输，

加速度计1-1的信号输出端和陀螺仪1-2的信号输出端同时连接无线收发电路1-3的信号输入端，

加速度计1-1为ADXL345加速度计，陀螺仪1-2为L3G462A陀螺仪。

终端传感器节点用来采集掘进机的实时运动信息，由加速度计传感器、陀螺仪传感器和无线收发电路构成。

加速度计1-1用于检测载体的比力，陀螺仪1-2用于采集载体的角速度。

ADXL345是美国模拟器件公司推出的加速度计，采用多晶硅表面微机械处理技术，能够敏感三轴方向运动比力，再通过A/D转换成数字信号，经过滤波和控制逻辑后，通过SPI和I2C数字输出。最大量程范围可达±16g，其高分辨率为3.9mg/LSB，可测量0.25°的倾角变化。角速度测量采用意法半导体公司的L3G462A陀螺仪。L3G462A是低功耗三轴角速率传感器，采用MEMS技术，由一个敏感元件和IC集成电路接口组成，通过三个模拟输出端口能够提供测量角速率。

本实用新型的发明点在于电路的结构，不涉及实用新型保护课题问题。

具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于无线传感的掘进机姿态检测系统作进一步说明，本实施方式中，无线收发电路1-3包括：CC2530芯片、电容C11、电容C12、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电感L11、电感L12、放大器AD1、放大器AD12、放大器AD13、晶振Y1和晶振Y2；

ADXL345加速度计的4号引脚、5号引脚和电容C11的一端同时连接电源地，

ADXL345加速度计的6号引脚和电容C11的另一端同时连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端接+3.3V电源，

ADXL345加速度计的7号引脚连接CC2530芯片的P1_3引脚，ADXL345加速度计的8号引脚连接CC2530芯片的P1_4引脚，ADXL345加速度计的9号引脚连接CC2530芯片的P1_6引脚，ADXL345加速度计的12号引脚连接CC2530芯片的P1_7引脚，ADXL345加速度计的13号引脚连接CC2530芯片的P2_0引脚，ADXL345加速度计的14号引脚连接CC2530芯片的P2_1引脚，

CC2530芯片的DCOUPL引脚连接电容C12的一端，电容C12的另一端接电源地，

CC2530芯片的P2_3引脚和P2_4引脚分别连接晶振Y1的两端，

CC2530芯片的RBISA引脚连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端接电源地，

CC2530芯片的XOSC_Q0引脚和XOSC_Q1引脚分别连接晶振Y2的两端，

CC2530芯片的RF_N引脚连接电容C14的一端，CC2530芯片的RF_P引脚连接电容C13的一端，

电容C14的另一端同时连接电容C16的一端和电感L12的一端，电容C13的另一端同时连接电容C15的一端和电感L11的一端，电感L11的另一端和电容C16的另一端同时连接电容C17的一端，电容C17的另一端接天线，电容C15的另一端和电感L12的另一端同时接地，

L3G462A陀螺仪的4号引脚连接放大器AD12的正向输入端，L3G462A陀螺仪的7号引脚、放大器AD12的正极和电容C19的一端同时连接+3.3V电源，电容C19的另一端接电源地，

放大器AD12的反向输入端同时连接放大器AD12的输出端和电阻R14的一端，

CC2530芯片的P0_2引脚连接电阻R14的另一端，CC2530芯片的P0_1引脚连接电阻R13的一端，CC2530芯片的P0_0引脚连接电阻R15的一端，

放大器AD13的反向输入端和放大器AD13的输出端同时连接电阻R15的另一端，

放大器AD11的反向输入端和放大器AD11的输出端同时连接电阻R13的另一端，

L3G462A陀螺仪的5号引脚连接放大器AD13的正向输入端，L3G462A陀螺仪的6号引脚连接放大器AD11的正向输入端，

放大器AD11的正极和电容C18的一端同时连接+3.3V电源，放大器AD13的正极和电容C10的一端同时连接+3.3V电源，

电容C18的另一端和电容C10的另一端均接电源地。

每个轴均配备独立输出，集成低和高通滤波器，可提供精确的角速度,并实现Embedded自检。模拟接口的反应速度非常快，其稳定性为±0.04dps/℃，灵敏度达到±0.017％/℃，具有低噪声0.017dps/Hz，供电电压范围宽，电压范围为2.4至3.6V，能工作在省电和睡眠模式，具有高抗冲击能力。

具体实施方式三：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于无线传感的掘进机姿态检测系统作进一步说明，本实施方式中，路由节点电路2包括：CC2530芯片、CC2591芯片、电容C21、电容C22、电容C23、电阻R21、电阻R22、电感L21、晶振Y21和晶振Y22；

CC2530芯片的DCOUPL引脚连接电容C21的一端，电容C21的另一端接电源地，

CC2530芯片的P2_3引脚和CC2530芯片的P2_4引脚分别连接晶振Y21的两端，CC2530芯片的XOSC_Q0引脚和CC2530芯片的XOSC_Q1引脚分别连接晶振Y22的两端，

CC2530芯片的P1_4引脚连接CC2591芯片的HGM引脚，CC2530芯片的P1_2引脚连接CC2591芯片的EN引脚，CC2530芯片的P0_7引脚连接CC2591芯片的PAEN引脚，

CC2530芯片的RBIAS引脚连接电阻R21的一端，电阻R21的另一端接电源地，

CC2530芯片的RF_N引脚连接CC2591芯片的RF_N引脚，CC2530芯片的RF_P引脚连接CC2591芯片的RF_P引脚，

CC2591芯片的BIAS引脚连接电阻R22的一端，电阻R22的另一端接电源地，

CC2591芯片的ANT引脚连接电感L21的一端，电感L21的另一端同时连接电容C22的一端和电容C23的一端，电容C22的另一端接天线，电容C23的另一端接电源地。

路由节点仍然采用CC2530，用CC2530芯片外加低功耗射频前端CC2591，用来放大输出功率，其他部分外围电路同传感器节点相同。

具体实施方式四：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于无线传感的掘进机姿态检测系统作进一步说明，本实施方式中，协调器3包括：CC2530芯片、CC2591芯片、电容C31、电容C32、电容C33、电阻R31、电阻R32、电感L31、晶振Y31、晶振Y32和RS232串口通信电路；

CC2530芯片的DCOUPL引脚连接电容C31的一端，电容C31的另一端接电源地，

CC2530芯片的P2_3引脚和CC2530芯片的P2_4引脚分别连接晶振Y31的两端，CC2530芯片的XOSC_Q0引脚和CC2530芯片的XOSC_Q1引脚分别连接晶振Y32的两端，

CC2530芯片的P1_4引脚连接CC2591芯片的HGM引脚，CC2530芯片的P1_2引脚连接CC2591芯片的EN引脚，CC2530芯片的P0_7引脚连接CC2591芯片的PAEN引脚，

CC2530芯片的RBIAS引脚连接电阻R31的一端，电阻R31的另一端接电源地，

CC2530芯片的RF_N引脚连接CC2591芯片的RF_N引脚，CC2530芯片的RF_P引脚连接CC2591芯片的RF_P引脚，

CC2591芯片的BIAS引脚连接电阻R32的一端，电阻R32的另一端接电源地，

CC2591芯片的ANT引脚连接电感L31的一端，电感L31的另一端同时连接电容C32的一端和电容C33的一端，电容C32的另一端接天线，电容C33的另一端接电源地。

CC2530芯片的0_3引脚和CC2530芯片的0_4引脚均与RS232串口通信电路相连。

协调器同样采用CC2530控制器，与路由节点基本相同，增加了串口通信电路。协调器节点电路图如图4所示。通讯接口采用标准的RS232，将各节点采集的数据通过串口上传到计算机。

具体实施方式五：参照图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的基于无线传感的掘进机姿态检测系统作进一步说明，本实施方式中，RS232串口通信电路包括：MAX232芯片、电容C41、电容C42、电容C43、电容C44和电容C45；

MAX232芯片的R1IN引脚连接协调器3中CC2591芯片的0_4引脚，MAX232芯片的T1OUT引脚连接协调器3中CC2591芯片的0_3引脚，

电容C41的两端分别连接MAX232芯片的1号引脚和3号引脚，电容C42的两端分别连接MAX232芯片的4号引脚和5号引脚，

电容C43的一端、电容C44的一端和电容C45的一端同时接电源地，

电容C43的另一端和MAX232芯片的16号引脚同时接+5V电源，

电容C44的另一端与MAX232芯片的2号引脚相连，

电容C45的另一端与MAX232芯片的6号引脚相连。