一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种煤矿井下采掘设备位置与姿态及其特殊部位的位姿检测的技术 领域，特别是涉及一种悬臂式掘进机的位姿及其截割部位的位姿测量方法。
【背景技术】：
[0002] 悬臂式掘进机是井下采掘装备中十分重要的一种，是我国煤巷综掘机械化生产中 应用最为广泛的巷道掘进设备，其主要用于部分断面的截割，其突出的结构特点是在其回 转台上安装有可伸缩摆动的悬臂，在悬臂的前端装有截割头，通过悬臂的摆动以及截割头 的旋转，可以实现煤岩的脱落，掘进机操作台可以对截割头的运行轨迹进行控制，可以截割 出各种形状的，例如矩形、拱形等断面的巷道，掘进机同时拥有行走及装载功能。
[0003] 巷道掘进过程中，悬臂式掘进机的一般工艺流程为：掘进机行走到制定位置（准 备环节）一截割一锚杆支护一永久支护（铺锚网）一循环。目前悬臂式掘进机在作业时的 指向及定位主要通过巷道后方的激光指向仪在巷道断面上形成的光斑作为掘进机司机的 主要参考，通过掘进机司机的手动操作以及过往经验控制掘进机截割头的运行轨迹，从而 完成巷道断面的截割。煤矿综掘工作面的工作环境十分恶劣，噪音较大且粉尘严重，对于工 作人员的健康以及工作效率有较大的影响，虽然激光指向仪的指向精度较高，但是在具体 的操作环境下，由于综掘工作面粉尘严重，可见度较低，很大程度上要依赖掘进机司机的经 验进行控制，因此在这种情况下巷道的超挖欠挖现象十分严重，在真实的生产环境下一般 会有工作人员在巷道掘进面附近对于巷道的成型截割情况进行检查与反馈，在一定程度上 控制了巷道的超挖与欠挖，但是增加了工作的人员数量，进一步增大了危险性，因此在进行 巷道断面截割时，掘进机的远程控制以及自主巡航是未来的发展方向。
[0004] 悬臂式掘进机的远程控制及自主巡航需要及时检测出掘进机的位姿信息以及截 割部的位置，确定机身与截割头的运动轨迹，从而推断出巷道断面的成形状况，结合煤矿综 掘面的巷道质量验收标准，确定是否符合设计要求，首先要确定的就是掘进机的方向角，即 掘进机机身中线与巷道设计中线之间的角度。
[0005] 现有的测量悬臂式掘进机位姿的方法有：通过全站仪（防爆型）等类似设备和通 过相关设备从地上转移到井下的空间位置参考点测量出掘进工作进行前掘进机所处的精 确空间位置，比较其与巷道设计中线的差值，测得掘进机相对水平面的姿态参数，与设计中 经过该点的轴线方向比较，求得两者间的关系。现在未有广泛使用的截割头位置测量方法， 大部分情况下凭借激光指向仪以及掘进机司机的经验进行控制。
[0006] 中国专利文献公告号为CN201013380Y公开的全自动掘进机，其通过航天技术中 的导航定位仪，实时监测掘进机在惯性空间的绝对位置坐标，对掘进机和截割头进行控制， 以此实现全自动掘进。该方案的关键是要测量出掘进机的精确位置，而煤矿井下恶劣的环 境以及掘进机自身的震动已远超出了精密的航天仪器的正常工作条件，而且航天仪器一般 实时性较强，掘进机运动缓慢且掘进工作周期较长，故无法得到所需的精确结果，由于井下 存在大量粉尘及掘进过程中的较大振动，使其可靠性较低，另外，精密航天仪器的造价较 高，考虑到单个悬臂式掘进机的制造成本，推广较为困难。
[0007] 中国专利文献公告号为CN101629807A，公开了一种掘进机机身位姿参数测量系统 及方法，该方案选择采用线状激光器发射扇形激光光束，线激光发射器由激光指向仪和线 激光器机架定位，发出扇形激光束，在掘进机机身上形成线形光斑，通过检测光斑位置，结 合已知的光敏元件与掘进机机身位置关系计算得到掘进机的位姿参数。该方法的问题在于 不能得到掘进机的方向角即无法得到掘进机机身中线与巷道轴线之间的位置关系，而若获 得所需的关系参数必先获得掘进机的精确空间位置，而该方案中却没有进行相应的测量。 另由于该方案采样基准为扇形激光光束，扇形激光光束限制了其工作距离，在掘进机不断 掘进及移动的过程中，需要不断的向前进行移站，施工工作量增大，工作难度较高，同时在 此专利中没有对掘进机截割头的位置进行检测，无法得到完整的悬臂式掘进机位姿信息。
[0008] 通过上述描述，准确方便测量悬臂式掘进机包括其截割头的所有位姿信息，提出 一种简单且经济使用的检测方法是在本技术领域中亟待解决的问题。
【发明内容】
[0009] 本发明要解决的技术问题在于提供一种经济实用、使用方便且能完全体现悬臂式 掘进机所有位姿参数的检测方法，以此来实现井下掘进机自主巡航与截割的关键问题。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明的悬臂式掘进机机身与截割头的位姿检测方法中所 需的设备包括：发射扇面激光与选通光的红外激光发射器1、设置于掘进机机身后部与中 线平行的可接收扇面激光信号并且能进行坐标解算的平面球形接收器2、设置机身电控箱 盖板上的两轴倾角传感器4与安装与掘进机升降和回转液压缸内的矿用油缸位移传感器 5〇
[0011] 机身俯仰角β、滚动角γ依靠机身上安装的两个倾角传感器进行测量。具体过程 为：第一步，将两台倾角传感器安装在机身合适位置上。第一台传感器的角度检测方向，应 设定为与机身中线平行的方向：该传感器的输出信号，应反映机身平面与水平面在机身纵 方向上的绝对夹角。第二台传感器的角度检测方向，应设定为与机身中线垂直的方向；该传 感器的输出信号，应反映机身平面与水平面在机身横向上的绝对夹角。第二步，设法获知 当前巷道底板的纵向水平倾角值、横向水平倾角值。此项数据可由煤矿地测部门设法负责 提供。第三步，将第一台倾角传感器的角度读数，与当前巷道底板的纵向倾角相减，即可获 得机身平面与当前巷道底板平而纵向之间的夹角值。此数值即是机身俯仰角β。将第二台 倾角传感器的角度读数，与当前巷道底板的横向倾角相减，即可获得机身平面与当前巷道 底板平面横向之间的夹角值。此数值即是机身滚动角γ。
[0012] 工作时，机身俯仰角β主要依靠两轴倾角传感器4(用于监测机身中线平行方法 的上的两轴倾角传感器Α)获取。具体过程为：第一步，将倾角传感器A安装在机身电控箱 盖板上。A传感器的角度检测方向，应设定为与机身中线平行的方向。该传感器的输出信 号，应反映机身平面与水平面在机身纵方向上的绝对夹角。第二步，设法获知当前巷道底 板的纵向水平倾角值。此项数据可由煤矿地测部门设法负责提供。第三步，将倾角传感器 A的角度读数，与当前巷道底板的纵向倾角相减，即可获得机身平面与当前巷道底板平面纵 向之间的夹角值。此数值即是机身俯仰角β。
[0013] 此外，机身滚动角γ主要依靠机身倾角传感器3 (用于监测机身中线平行方法的 上的两轴倾角传感器B)获取。具体过程为：第一步，将倾角传感器B安装机身电控箱盖板 上。B传感器的角度检测方向，应设定为与机身中线垂直的方向。该传感器的输出信号，应 反映机身平面与水平面在机身横向上的绝对夹角。第二步，设法获知当前巷道底板的横向 水平倾角值。此项数据可由煤矿地测部门设法负责提供。
[0014] 这些测得的数据经过A/D转换模块传入可编程计算机控制器，得到悬臂式掘进机 的俯仰角和滚动角。机身俯仰角与滚动角的分辨误差小于〇. 1度。
[0015] 在掘进机的升降和回转液压缸内分别安装GUC1000型矿用位移传感器，测出升降 液压缸伸缩量为I 1、回转右侧液压缸伸缩量为19,得到截割头空间位置坐标公式为：
[0016]
【主权项】
1. 一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测方法，其特征包括：设置于巷道后方的两 个红外激光发射站（1)、安装在悬臂式掘进机机身上的两个球形平面接收器（2)、安装于掘 进机机身上的两个两轴倾角传感器（3)，以及安装于悬臂式掘进机升降和回转液压缸内的 矿用位移传感器（4)。
2. 根据权利要求1所述悬臂式掘进机机身与截割头位姿测量方法，其特征在于：所述 的两个红外激光发射站（1)需安置于巷道两帮距离掘进机一定距离的位置，两个发射基站 (1)含有相同的结构，主要包括：电子罗盘电路、电源电路、键盘输入设备、基座、控制器、通 讯电路、激光发射调制电路、旋转平台驱动电路；两个球形平面接收器（2)需安装在掘进机 机身后部，两个球形平面接收器（2)的安装位置需与掘进机机身中线重合，两个接收器（2) 含有相同的结构，主要包括：激光接收电路、通讯电路、坐标解算器。
3. 悬臂式掘进机机身上的两轴倾角传感器（3)需安装在机身电控箱盖板上，分别用于 检测机身中线平行方向与机身中线垂直方向的相关参数；矿用位移传感器（4)需安装在掘 进机悬臂式掘进机升降和回转的液压缸内。
【专利摘要】本发明设计一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿参数的测量方法，由两个双轴倾角传感器，两个位移传感器，两个红外激光发射器，两个球形激光接收器及A/D转换模块组成。双轴倾角传感器测量掘进机的俯仰角和滚动角；位移传感器通过测量油缸的位移可得到掘进机截割头的空间位置。红外激光发射器与球形激光接收器在巷道固定坐标系中组成测量系统，发射器发射出三束激光，接收器在接收到光束后，利用光束之间的几何关系与发射器的旋转角速度通过前方交会原理确定接收器的空间坐标。得到悬臂式掘进机的偏角和偏距，完成掘进机机身位姿参数测量。本发明具有成本低、精度高、操作简单等优点，可对悬臂式掘进机的机身及截割头的位姿进行测量。
【IPC分类】G01C21-00
【公开号】CN104776843
【申请号】CN201510130579
【发明人】吴淼, 张敏骏, 贾文浩, 陶云飞, 符世琛, 宗凯, 王苏彧, 杨健健, 薛光辉, 田劼
【申请人】中国矿业大学(北京)
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年3月24日