一种采煤机绝对位姿检测方法与流程

本发明涉及一种采煤机位姿检测方法，尤其涉及一种回采工作面滚筒式采煤机绝对位姿检测方法，属于自动化开采装备技术领域。

背景技术：

我国是煤矿的开采与消费大国，采煤机是煤矿开采的主要装备。传统的回采工作面主要是以人工操作，不仅劳动强度大、效率低，而且工作环境极差、危险程度极高，故发展自动化、智能化的开采装备是大势所趋。对于自动化的回采工作面开采装备，首先要解决的问题是开采装备的定位定姿问题，然而，由于矿井下的特殊条件，其环境复杂性使得很多通常采用的定位手段在矿井下达不到定位精度的要求，甚至无法在井下实现定位。目前采煤机定位方法主要有齿轮计数法、红外对射法、惯性导航等，但是很多定位方法只能实现相对定位，无法实现矿山坐标系中采煤机绝对位姿检测，或者能够实现采煤机绝对位姿检测，但是精度较低，总体不能为无人化的回采工作面建设提供足够的条件。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采煤机绝对位姿检测方法，能够精确检测采煤机在矿山绝对坐标系中的六自由度位姿参数，该方法实时性好、可靠性高，能够为无人化的回采工作面建设提供条件。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种采煤机绝对位姿检测方法，在回采工作面时，对主要由采煤机、刮板机和液压支架构成的三机配套开采装备中的采煤机的绝对位姿进行检测；该方法通过捷联惯导模块进行航位推算位姿检测，通过激光发射装置、激光接收装置和智能全站仪进行激光位姿检测，然后通过卡尔曼滤波等最优估计算法对两种位姿检测结果进行异步融合，得到精确的采煤机的绝对位姿。

具体的，所述激光发射装置包括车体、步进电机、行走机构、曲柄摇杆机构、舵机、激光发射器和嵌入式控制器ⅰ，步进电机为隔爆型步进电机，激光发射器为本安隔爆型扇面激光发射器；步进电机、行走机构和曲柄摇杆机构安装在车体上，通过步进电机驱动曲柄摇杆机构动作，舵机与激光发射器安装在摇杆的顶端，由舵机带动激光发射器在±45°范围内回转扫描；嵌入式控制器ⅰ经隔爆处理后固定在车体上，嵌入式控制器ⅰ向步进电机和舵机提供控制指令，并解算激光发射器在激光发射装置坐标系中的三维坐标及其所发射的扇面激光的法向量。

具体的，所述激光接收装置包括三个激光接收器和嵌入式控制器ⅱ，三个激光接收器不共线地固定在采煤机上，且三个激光接收器均能够接收到激光发射器所发射的扇面激光，嵌入式控制器ⅱ经隔爆处理后固定在采煤机上，嵌入式控制器ⅱ同时与激光接收器和嵌入式控制器ⅰ通信连接，结合每个激光接收器的接收信号、激光发射器在激光发射装置坐标系中的三维坐标及其所发射的扇面激光的法向量，解算出每个激光接收器在激光发射装置坐标系中的坐标，进而解算出采煤机在激光发射装置坐标系中的六自由度位姿参数。

具体的，所述智能全站仪与激光发射装置设置在同一巷道中，嵌入式控制器ⅲ经隔爆处理后固定在智能全站仪上，嵌入式控制器ⅲ同时与智能全站仪和嵌入式控制器ⅰ通信连接，在激光发射装置(4)上合理位置设置定位棱镜，通过智能全站仪检测激光发射装置在矿山绝对坐标系中的位姿参数，结合采煤机在激光发射装置坐标系中的位姿参数和激光发射装置在矿山绝对坐标系中的位姿参数，得到采煤机在矿山绝对坐标系中的位姿参数，将该结果作为激光位姿检测结果。

具体的，所述捷联惯导模块经隔爆处理后固定在采煤机上，嵌入式控制器ⅱ同时与捷联惯导模块通信连接，通过嵌入式控制器ⅱ对捷联惯导模块的导航信息进行解算，获得采煤机在矿山绝对坐标系中的六自由度位姿参数，将该结果作为捷联惯导位姿检测结果。

具体的，所述嵌入式控制器ⅰ、嵌入式控制器ⅱ和嵌入式控制器ⅲ之间的通信方式为超宽带无线通信，嵌入式控制器ⅰ和嵌入式控制器ⅱ时钟同步。

具体的，以采煤机在刮板机上的运动方向为轴向，液压支架的推溜方向为径向，该方法具体包括如下步骤：

(a)系统开机初始化后，移动激光发射装置，使其对准采区，并固定，保证激光发射器所发射的扇面激光能够扫描到采煤机，同时采煤机上的捷联惯导模块实时工作，由嵌入式控制器ⅱ解算采煤机在矿山绝对坐标系中的位姿参数；

(b)激光发射装置停止运动后，由嵌入式控制器ⅰ向嵌入式控制器ⅲ发送信号，然后嵌入式控制器ⅲ控制智能全站仪工作，并将智能全站仪获取到的激光发射装置在矿山绝对坐标系中的位姿参数发送给嵌入式控制器ⅰ；

(c)嵌入式控制器ⅰ控制步进电机和舵机工作，使得激光发射器至少在三个不同位置发射出不同角度的回转扇面激光，并且扇面激光在激光发射装置坐标系中的法向量实时可解、激光发射器在激光发射装置坐标系中的坐标实时可解；三个激光接收器每次接收到的激光信号，均由嵌入式控制器ⅱ将对应的激光接收器id号以及接收时间发送给嵌入式控制器ⅰ，嵌入式控制器ⅰ结合每个激光接收器的接收信号、激光发射器在激光发射装置坐标系中的三维坐标及其所发射的扇面激光的法向量、激光发射装置在矿山绝对坐标系中的位姿参数，解算出采煤机在矿山绝对坐标系中的位姿参数，作为激光位姿检测结果；

(d)嵌入式控制器ⅱ根据捷联惯导位姿检测结果与激光位姿检测结果，进行数据处理和异步融合，得到精确的采煤机的绝对位姿，将该绝对位姿发送到人机界面进行远程监控，发送到开采装备控制器对采煤机进行自动控制；

(e)循环步骤(c)～(d)，直到采煤机完成一次轴向截割；

(f)采煤机在刮板机上径向进给，由嵌入式控制器ⅱ向嵌入式控制器ⅰ发送信号，控制激光发射装置向前移动平均推溜距离，并固定；

(g)循环步骤(b)～(f)，即可实现采煤机连续开采过程中的实时位姿检测。

有益效果：本发明提供的采煤机绝对位姿检测方法，与现有技术相比，利用基于捷联惯导与激光扫描定位的组合导航方法对采煤机六自由度的绝对位姿参数进行检测，捷联惯导具有求解简单、实时性好、不需要外部参考的优势，但是由于其解算方法决定了捷联惯导位姿检测存在累计误差；激光扫描定位方法需要外部参考、实时性不好，但其精度高、不存在累计误差，将内部定位方式与外部定位方式进行融合，发挥了两种定位方式的优势，适用于回采工作面的恶劣环境，系统的各个模块使用超宽带无线通信，可靠性较高。总体上本发明具有检测精度高、实时性好、可靠性高、成本较低等优势。

附图说明

图1为本发明采煤机绝对位姿检测方法工作面示意图；

图2为本发明的激光发射装置示意图；

图3为本发明的系统框图；

图中：1、采煤机，2、刮板机，3、液压支架，4、激光发射装置，4-1、行走机构，4-2、曲柄摇杆机构，4-3、舵机，4-4、激光发射器，4-5、步进电机，5、智能全站仪，6、煤矿。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示为一种采煤机绝对位姿检测方法，在回采工作面时，对主要由采煤机1、刮板机2和液压支架3构成的三机配套开采装备中的采煤机1的绝对位姿进行检测；该方法通过捷联惯导模块进行航位推算位姿检测，通过激光发射装置4、激光接收装置和智能全站仪5进行激光位姿检测，然后通过最优估计算法对两种位姿检测结果进行异步融合，得到精确的采煤机1的绝对位姿。

所述激光发射装置4包括车体、步进电机4-5、行走机构4-1、曲柄摇杆机构4-2、舵机4-3、激光发射器4-4和嵌入式控制器ⅰ，步进电机为隔爆型步进电机，激光发射器4-4为本安隔爆型扇面激光发射器；步进电机4-5、行走机构4-1和曲柄摇杆机构4-2安装在车体上，通过步进电机4-5驱动曲柄摇杆机构4-2动作，舵机4-3与激光发射器4-4安装在摇杆的顶端，由舵机4-3带动激光发射器4-4在±45°范围内回转扫描；嵌入式控制器ⅰ经隔爆处理后固定在车体上，嵌入式控制器ⅰ向步进电机4-5和舵机4-3提供控制指令，并解算激光发射器4-4在激光发射装置坐标系中的三维坐标及其所发射的扇面激光的法向量。

所述激光接收装置包括三个激光接收器和嵌入式控制器ⅱ，三个激光接收器不共线地固定在采煤机1上，且三个激光接收器均能够接收到激光发射器4-4所发射的扇面激光，嵌入式控制器ⅱ经隔爆处理后固定在采煤机1上，嵌入式控制器ⅱ同时与激光接收器和嵌入式控制器ⅰ通信连接，结合每个激光接收器的接收信号、激光发射器4-4在激光发射装置坐标系中的三维坐标及其所发射的扇面激光的法向量，解算出每个激光接收器在激光发射装置坐标系中的坐标，进而解算出采煤机1在激光发射装置坐标系中的六自由度位姿参数。

所述智能全站仪5与激光发射装置4设置在同一巷道中，嵌入式控制器ⅲ经隔爆处理后固定在智能全站仪5上，嵌入式控制器ⅲ同时与智能全站仪5和嵌入式控制器ⅰ通信连接，在激光发射装置4上合理位置设置定位棱镜，通过智能全站仪5检测激光发射装置4在矿山绝对坐标系中的位姿参数，结合采煤机1在激光发射装置坐标系中的位姿参数和激光发射装置4在矿山绝对坐标系中的位姿参数，得到采煤机1在矿山绝对坐标系中的位姿参数，将该结果作为激光位姿检测结果。

所述捷联惯导模块经隔爆处理后固定在采煤机1上，嵌入式控制器ⅱ同时与捷联惯导模块通信连接，通过嵌入式控制器ⅱ对捷联惯导模块的导航信息进行解算，获得采煤机1在矿山绝对坐标系中的六自由度位姿参数，将该结果作为捷联惯导位姿检测结果。

所述嵌入式控制器ⅰ、嵌入式控制器ⅱ和嵌入式控制器ⅲ之间的通信方式为超宽带无线通信，嵌入式控制器ⅰ和嵌入式控制器ⅱ时钟同步。

以采煤机1在刮板机2上的运动方向为轴向，液压支架3的推溜方向为径向，该方法具体包括如下步骤：

(a)系统开机初始化后，移动激光发射装置4，使其对准采区，并固定，保证激光发射器4-4所发射的扇面激光能够扫描到采煤机1，同时采煤机1上的捷联惯导模块实时工作，由嵌入式控制器ⅱ解算采煤机1在矿山绝对坐标系中的位姿参数；

(b)激光发射装置4停止运动后，由嵌入式控制器ⅰ向嵌入式控制器ⅲ发送信号，然后嵌入式控制器ⅲ控制智能全站仪5工作，并将智能全站仪5获取到的激光发射装置4在矿山绝对坐标系中的位姿参数发送给嵌入式控制器ⅰ；

(c)嵌入式控制器ⅰ控制步进电机4-5和舵机4-3工作，使得激光发射器4-4至少在三个不同位置发射出不同角度的回转扇面激光，并且扇面激光在激光发射装置坐标系中的法向量实时可解、激光发射器4-4在激光发射装置坐标系中的坐标实时可解；三个激光接收器每次的接收到的激光信号，均由嵌入式控制器ⅱ将对应的激光接收器id号以及接收时间发送给嵌入式控制器ⅰ，嵌入式控制器ⅰ结合每个激光接收器的接收信号、激光发射器4-4在激光发射装置坐标系中的三维坐标及其所发射的扇面激光的法向量、激光发射装置4在矿山绝对坐标系中的位姿参数，解算出采煤机1在矿山绝对坐标系中的位姿参数，作为激光位姿检测结果；

(d)嵌入式控制器ⅱ根据捷联惯导位姿检测结果激光位姿检测结果，进行数据处理和异步融合，得到精确的采煤机1的绝对位姿，将该绝对位姿发送到人机界面进行远程监控，发送到开采装备控制器对采煤机1进行自动控制；

(e)循环步骤(c)～(d)，直到采煤机1完成一次轴向截割；

(f)采煤机1在刮板机2上径向进给，由嵌入式控制器ⅱ向嵌入式控制器ⅰ发送信号，控制激光发射装置4向前移动平均推溜距离，并固定；

(g)循环步骤(b)～(f)，即可实现采煤机1连续开采过程中的实时位姿检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。