具有测距系统的采掘机的制作方法

本公开内容涉及具有测距系统的采掘机。

背景技术：

可能需要采掘机在矿中按需求移动到不同位置。一些采掘机是车辆，该车辆会被导航穿过矿区中的巷道。矿区中的环境会对确定车辆位置的已知方法造成挑战。

矿区会包括满是灰尘的状况，其中用于道路的传统车道标志会由于灰尘和其他碎片变得模糊。进一步的，矿区会在会影响视觉观察的地下或其他低能见度的状况操作。进一步的，由于土壤或信号多路的阻碍，使用基于卫星传输信号(或局域传递信号)的导航会有困难。

可以使用其他导航方法，比如基于加速计和陀螺仪的结果而对位置进行航迹推算。进一步的，还可使用速度计和/或里程计的结果。然而，在破损表面上的车轮打滑会造成误差。航迹推算法中的误差会累积，这进而在该系统中造成长期错误。

距离信息也可以辅助于确定观测者的位置，以及辅助导航。距离信息与其他信息(比如物体相对于观测者的方位)结合可用于构建带有地形信息的地图或表示物体位置的其他形式表示和/或环境中物体的轮廓。距离信息还可以辅助确定观测者的位置以辅助导航。

在已知的形式中，测距装置设置在观测位置，且该装置包括激光发射器以向物体发送激光束。光束从物体反射且光的反射由测距装置的传感器检测。光从激光发射器行进到物体以及从物体到传感器的飞行时间被测量。该飞行时间与光速一起用于确定在观测位置的测距装置和物体之间的距离。

在矿区中的另一个挑战是：矿区会具有危险的材料，比如易燃气体、蒸气、液体、灰尘等。因此，从采掘机中将可能的点火源减少、最小化或排除很重要。

WO2005/003875(SANDVIK TAMROCK OY)公开了一种用于监测矿中采矿车位置的方法和系统。WO2007/009149(COMMONWEALTH SCINTIFIC AND INDUSTRIAL RESEARCH ORGANISATION)公开了一种用于确定采矿操作中结构变化的方法和装置。

在整个说明书中，单词“包括(comprise)”，或变型比如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”应理解为意味着包含所述元件、整数或步骤、或一组元件、一组整数或一组步骤，但是不排除任何其他元件、整数或者步骤、或者其他组元件、其他组整数或者其他组步骤。

被包括在本说明书中的对文献、条例、材料、设备、物品或类似的任何讨论不应视为承认：任何或所有这些材料形成了部分现有技术基础或是关于本申请的技术领域中的公知常识，就像它在本申请的每个权利要求的优先权日之前已经存在。

技术实现要素：

一种采掘机(3)包括：

-测距系统(100)，该测距系统包括：

-电磁输出装置(102)，该电磁输出装置提供沿着第一束路径(106)的电磁辐射的第一束(104)；

-电磁输入装置(108)，该电磁输入装置接收来自物体(7)的所述第一束的反射电磁辐射(110)，以确定所述测距系统与所述物体(7)的距离(114)；以及

-外壳(120)，该外壳包括围绕所述外壳(120)的中央轴线(136)的侧壁(122)，所述侧壁(122)对由所述电磁输出装置(102)提供的所述电磁辐射是透明的，

其中，所述电磁输出装置(102)和所述电磁输入装置(108)设置在所述外壳(120)内，使得所述电磁输入装置(108)位于电磁辐射的第二束(126)的第二束路径(124)外部，所述第二束由所述第一束(104)在所述侧壁(122)上的镜面反射(128)限定，

-数据端口(40)，该数据端口至少基于所确定的距离(114)输出所述采掘机(3)到所述物体的相对位置数据。

所述采掘机(3)可以进一步包括：

-处理设备(9)，该处理设备基于所述相对位置数据和所述物体的物体位置确定所述采掘机(3)的第一位置。

所述采掘机(3)可以进一步包括：

-第一传感器系统(5)，该第一传感器系统基于航迹推算法确定所述采掘机(3)的移动数据；

其中，所述处理设备(9)进一步被设置成：

-基于以下数据确定所述采掘机(3)的第二位置：

-所述第一位置；和

-基于航迹推算法的所述采掘机的所述移动数据。

所述第一位置可以是绝对位置。

所述采掘机(3)可以进一步包括：

-第一传感器系统(5)，该第一传感器系统基于航迹推算法确定所述采掘机(3)的移动数据；

-处理设备(9)，该处理设备基于以下数据确定所述采掘机(3)的第二位置：

-所述相对位置数据；和

-基于航迹推算法的所述采掘机的所述移动数据。

确定所述采掘机的第二位置可进一步基于所述采掘机(3)的起始位置数据。

所述测距系统可以进一步包括：

-数据存储器(11)，其中，与所述物体(7)的所述物体位置关联的物体位置数据存储在所述数据存储器(11)中。

所述采掘机可以为长壁采掘机。

所述采掘机可以为连续采掘机。

所述外壳(120)可进一步包括防止所述外壳的外部的气体被来自所述外壳的内部的点火触发器点燃的一个或更多个特征部。

该一个或更多特征部可包括密封元件(130)，所述密封元件与所述侧壁(122)协同地使所述外壳(120)的内部与所述外壳(120)的外部隔绝，使得一个或更多个所述密封元件(130)防止所述外壳(120)的外部的气体被来自所述外壳(120)的内部的点火触发器点燃。

所述测距系统(100)可以进一步包括能在所述外壳(120)内围绕第一旋转轴线(134)旋转的第一支撑元件(132)，其中，所述电磁输出装置由所述第一支撑元件(132)支撑，使得所述第一支撑元件(132)的旋转使由所述电磁输出装置(102)提供的所述第一束(104)转向。

所述电磁输出装置(102)可以从所述第一旋转轴线(134)偏移，使得从所述电磁输出装置(102)到所述侧壁(122)的所述第一束路径(106)不与所述第一旋转轴线(134)相交。

所述第一旋转轴线(134)可以与所述中央轴线(136)同轴。

所述采掘机(3)可以进一步包括第二支撑元件(140)，该第二支撑元件在所述电磁输出装置(102)和第一支撑元件(132)之间提供支撑，其中，所述第二支撑元件(140)能围绕第二旋转轴线(142)旋转，并且其中，所述第二支撑元件(140)的旋转使由所述电磁输出装置(102)提供的所述第一束(104)转向。

所述第二旋转轴线(142)可以垂直于所述第一旋转轴线(134)。

在所述采掘机中，所述电磁输入装置可以由第一支撑元件支撑，使得第一支撑元所述电磁输入装置转向以接收来自所述物体的所述第一束的所述反射电磁辐射。

所述采掘机(3)可以进一步包括控制模块以使第一束(104)转向到多个取向，从而提供周围环境中的所述物体的多个距离确定。

周围环境中的所述物体的多个距离确定可以被表示为三维点云中的数据。

所述电磁输出装置(102)可以包括激光发射器，该激光发射器以激光的形式提供第一束(104)。所述电磁输入装置(108)可以包括光传感器，该光传感器接收从所述物体(7)反射的激光。

所述电磁输出装置(102)可以提供在紫外线、可见光和/或红外线光谱中的一个或更多中的电磁辐射的所述第一束(104)。

所述侧壁(122)可以为圆柱形侧壁。

所述测距系统可进一步包括处理器，该处理器基于所述多个距离确定生成周围环境的三维图像。

所述测距系统可进一步包括：

-激光发射器，该激光发射器提供激光形式的所述第一束，

其中，所述电磁输出装置包括第一反射器，该第一反射器使所述第一束改向到所属第一束路径上。

所述测距系统可进一步包括：

-光传感器，该光传感器检测从所述物体反射的激光，

其中，所述电磁输入装置包括第二反射器，该第二反射器使反射的激光朝向所述光传感器改向。

所述第一束路径和所述侧壁的表面法线之间的入射角可以大于5度。

所述第一束路径和所述侧壁的表面法线之间的入射角可以小于所述侧壁(122)的临界角。

所述测距系统可以进一步包括：

-第二支撑元件，该第二支撑元件在所述电磁输出装置和所述第一支撑元件之间提供支撑，其中，所述第二支撑元件能围绕第二旋转轴线旋转，其中，所述第二支撑元件的旋转使由所述电磁输出装置提供的所述第一束转向，

其中，所述第二旋转轴线垂直于所述第一旋转轴线。

所述测距系统可符合国际标准IEC 60079-0、IEC 60079-1，美国标准ANSI/UL1203：2006，英国标准BS EN 60079-1：2007以及澳大利亚标准AS60079.1：2007中的一个或更多。

所述测距系统可包括：

-激光发射器，该激光发射器沿着第一束路径提供激光的第一束；

-光传感器，该光传感器接收来自物体的所述第一束的反射激光，以确定所述测距系统与所述物体的距离；

-外壳，该外壳包括圆柱形侧壁，该侧壁对由所述激光发射器提供的光是透明的，其中，所述外壳包括防止所述外壳外部的气体被所述外壳内部的点火触发器点燃的一个或更多特征；以及

-能在所述外壳内旋转的第一支撑元件，其中，所述激光发射器和所述光传感器由所述第一支撑元件支撑，使得所述第一支撑元件的旋转使由所述激光发射器提供的所述第一束转向；并且

其中，所述激光发射器和所述光传感器设置在所述外壳内，使得所述光传感器位于电磁辐射的第二束的第二束路径外部，所述第二束由所述第一束在所述圆柱形侧壁上的镜面反射限定。

所述测距系统可进一步包括控制器以：

使所述第一束朝向反射器转向；

确定表示从所述反射器反射出的和由所述光传感器接收到的光的强度的强度值；以及

基于所述强度值确定由煤尘颗粒污染的水平。

一种监测采掘机的位置的方法包括：

-从以上采掘机(3)中的数据接口(40)接收所述采掘机(3)到物体(7)的相对位置数据，该物体具有物体位置；

-接收第一传感器系统(5)的输出，该输出表示基于航迹推算法的所述采掘机(3)的移动数据；

-基于以下数据确定所述采掘机(3)的第二位置：

-所述采掘机(3)的所述相对位置数据；和

-基于航迹推算法的所述采掘机(3)的所述移动数据。

该方法可进一步包括如下步骤；

-基于所述采掘机到所述物体(7)的所述相对位置和所述物体位置确定所述采掘机(3)的第一位置。

确定所述采掘机(3)的第二位置的步骤可以进一步基于所述采掘机的所述第一位置。

该方法可以进一步包括：

-从数据存储器接收所述数据存储器中的与所述物体(7)关联的物体位置数据；

-其中，确定所述第一位置的步骤进一步基于接收到的与所述物体(7)关联的物体位置数据。

确定所述采掘机(3)的第二位置的步骤可以进一步基于所述采掘机(3)的起始位置数据。

一种确定在采煤操作中的隧道的结构变化的方法包括：

-接收所述隧道的第一轮廓扫描，其中，所述第一轮廓扫描基于从以上采掘机(3)中的数据端口(40)接收多个相对位置数据；

-将所述第一轮廓扫描存储在数据存储器中；

-随后接收所述隧道的第二轮廓扫描，其中，所述第二轮廓扫描基于从同一采掘机(3)或不同的传感器系统接收多个相对位置数据；

处理所述第一轮廓扫描和所述第二轮廓扫描以确定所述隧道的表面的对应于所述隧道的轮廓变形的任意结构变化。

所述隧道可以位于煤矿内。

该方法可包括执行到煤炭面上的多个点的多个距离确定。

在适当的情况下，针对机器或方法或系统的任一方面描述的可选特征类似地应用于这里也描述的其他方面。

附图说明

本公开内容的实施例将参照以下进行描述：

图1是在矿中行进的采掘机的俯视图；

图2是测距系统的立体图，该测距系统提供到物体的电磁辐射的第一束以确定到所述物体的距离；

图3是监测采掘机的位置的方法的流程图；

图4是确定隧道的结构变化的方法的流程图；

图5a是穿过隧道的竖直剖面图，示出了隧道壁和/或顶的轮廓的随着时间的结构变化；

图5b是隧道的竖直剖面图，示出了采掘机；

图6是示意图，示出了长壁地下采煤操作的3D断面图；

图7是连续采掘机的侧视图；

图8a是采掘机中连接的系统的示意图；

图8b示出了与通信网络和其他网络元件通信的采掘机；

图9示出了被定位成测量周围环境中的物体的距离的测距系统的简化图；

图10是测距系统的电磁输出装置、电磁输入装置以及第一与第二支撑元件的立体图；

图11是图2的测距系统的侧视图，示出了由电磁输出装置提供的第一束和由电磁输入装置接收的第一束的反射电磁辐射；

图12是图11的测距系统的俯视图；

图13是图11的测距系统的简化俯视图，示出了围绕第一旋转轴线的三个不同方位取向处电磁输出装置并示出了第一束的折射的实施例；

图14(a)至图14(c)是图11的简化侧视图，示出了围绕第二旋转轴线的三个不同倾斜角取向处的电磁输入装置并示出了第一束的折射效果的实施例；

图15是具有控制器模块、计算机系统和显示器的测距系统的示意图；

图16(a)至图16(c)示出了在一种形式的测距系统中的第一束的可能倾斜角的范围；

图17(a)至图17(d)示出了测距系统的外壳的替代形式的立体图；

图18(a)至图18(b)是电磁输入装置的立体图，该电磁输入装置具有罩以保护电磁输入装置远离有害的磁辐射；

图19(a)至图19(b)是测距系统的立体图，该测距系统包括反射体以测试测距系统的运行；

图20是测距装置的俯视图，示出了两种结构的电磁输出装置和电磁输入装置以确定与物体上的相同位置的距离；

图21(a)至图21(b)是测距装置的替代形式的俯视图；以及

图22(a)至图22(c)是测距系统的外壳的替代形式的俯视图。

具体实施方式

概述

现在参照图1和图2描述采掘机3的概述。采掘机3包括测距系统100以确定采掘机3到具有物体位置的物体7的相对位置数据。物体7可以为任何物体，比如可通过测距系统100检测的矿的壁12。

现在参照图2简要描述采掘机3的测距系统100。测距系统100包括电磁输出装置102以向物体7提供沿着第一束路径106的电磁辐射的第一束104。第一束104被从物体7反射以提供反射电磁辐射110。测距系统100还包括电磁输入装置108以接收来自物体7的第一束的反射电磁辐射110，以确定测距系统100到物体7的距离114。测距系统100到物体7的距离114可随后用于确定采掘机3和物体7之间的距离，该距离可用于确定采掘机3到物体7的相对位置数据中的至少一部分。该系统100还包括外壳120，该外壳具有围绕中央轴线136的侧壁122，该外壳对于由电磁输出装置102提供的电磁辐射是透明的。电磁输出装置102和电磁输入装置108设置在外壳120内，使得电磁输入108位于电磁辐射的第二束126的第二束路径124外部，第二束126由第一束104在侧壁122上的镜面反射128限定。采掘机3还可以包括数据端口40以至少基于所确定的距离输出采掘机3到物体7的相对位置数据。数据端口40可提供到采掘机3的部件或采掘机3的外部的部件的输出。

采掘机3——具有测距系统100——有利地消除或减小第一束104的镜面反射128的消极影响，该镜面反射会使电磁输入装置108炫目，提供错误的读数，减小电磁输入装置108的效力或寿命，和/或以其他方式影响测距系统100的距离确定。

在一个实施例中，物体7可以是矿区的壁12的岩石面的特征。在另一个实施例中，物体7可以是作为标记提供的反射体。测距系统100可以也允许确定采掘机3和物体位置之间的方向(即，相对方位)。因此，在一个实施例中，相对位置数据可包括采掘机3和物体7的物体位置之间的距离和相对方向(例如，用极坐标系统限定)。应理解，相对位置数据可以以其他方式表达，比如在笛卡尔系统中。

采掘机3可以用处理设备9基于采掘机3到物体7的已确定的相对位置数据以及物体7的物体位置确定采掘机3的第一位置。在一个实施例中，物体7的物体位置是已知的，且该已知位置可从数据存储器213中找回。

采掘机3可以还包括第一传感器系统5以基于航迹推算法确定采掘机3的移动数据。在一些实施例中，第一传感器系统5可包括加速计和陀螺仪以提供线和角加速度(或可选择地，位移)数据以允许基于航迹推算法来确定移动数据。这可以包括惯性导航系统。第一传感器系统5可包括用于确定已行进的距离的里程表以及用于确定采掘机3的方向的指南针(比如基于磁力计输出的数字指南针)。

参照图1，采掘机3可以首先用测距系统100确定第一位置30。采掘机3可以随后沿着路径10行进。第一传感器系统5可基于车辆从第一位置30沿着路径10的相对位移的航迹推算确定采掘车3的移动数据。处理设备9可随后基于第一位置30和基于航迹推算的采掘机3的移动数据来确定采掘机3的第二位置。

这允许采掘机3在确定第一位置(该第一位置是基于测距系统100确定的)之后确定车辆3的第二位置32。它还允许采掘机基于相对位置数据的随后输出确定随后的位置确定之间的位置(例如在到测距系统100的距离确定之间)。

采掘机3——基于相对位置数据确定位置——可以比具有仅依赖于航迹推算法的系统更精确地确定位置。采掘机3的构造可比其他系统更有优势，因为测距系统100可允许在不需要将昂贵的标识符定位在参考位置的情况下确定相对位置数据。例如，已知的系统可包括使用射频识别技术(已知为RFID)，射频识别技术需要将RFID标签预定位在已知位置。为了给车辆提供位置数据，车辆可装备有读取器，使得当车辆更紧密接近时，读取器可能够阅读与已知的位置相关的RFID标签。这样已知的技术可导致成本，比如预定位RFID标签的劳动以及设备本身的成本。此外，一些RFID标签是被动的应答器，所述应答器需要相应的读取器位于一定的操作距离内。其他系统可基于光读取器，比如具有预定位条形码的系统，由此条形码扫描器用于确定靠近车辆的特定的条形码。然而，灰尘和其他干扰物会降低此类系统的效力。已知的系统和方法包括国际公开WO2005/003875(SANDVIK TAMROCK OY)的主题。

包括测距系统100的采掘机3的构造可包括一个或更多密封元件130，密封元件130与侧壁122一起将外壳120的内侧从外壳120的外侧密封。此构造可有利地阻止外壳120外侧的气体由点火触发器进行的点燃影响外壳的内侧。

采掘机3可以为连续采掘机或长壁采掘机。

监测采掘机的位置的方法

现在将参照图3描述监测采掘机3的位置的方法9100。

该方法包括从采掘机3中的数据端口40接收采掘机到物体7的相对位置数据的接收步骤9110。

该方法还可以包括基于接收到的采掘机3到物体7的相对位置数据和物体位置而确定采掘机3的第一位置30的确定步骤9112。这可在图1中示出为采掘机3在第一位置30。该方法9100还可以包括从数据存储器213中接收在数据存储器中的与物体7相关的物体位置数据的接收步骤9114，其中确定第一位置的确定步骤9112还基于接收到的与物体7相关的物体位置数据。在一个实施例中，物体位置数据可表示为物体7的绝对位置。

该方法还包括接收9120第一传感器系统5的输出，该输出表示基于航迹推算法的采掘机的移动数据。这可以随着采掘机3沿着路径10行进(如图1所示)而发生。

该方法还包括基于采掘机3的相对位置数据和基于航迹推算法的采掘机的移动数据确定9130采掘机3的第二位置32。采掘机的第二位置32在图1中示出。

确定9130第二位置的步骤还可以基于采掘机3的第一位置30。例如，第二位置可通过首先确定第一位置30并且基于沿着从第一位置30到第二位置32的路径10的移动数据确定第二位置32来确定。

确定采掘机3的第二位置32的步骤9130还可以基于采掘机3的起始位置数据。起始位置数据可以为用于采掘机3的已知起始位置，比如矿中的预测量位置。

用于确定隧道中的结构变化的方法

现在参照图4、图5a和图5b描述确定隧道9251中的结构变化的方法9200。

图5a示出了隧道9251的竖直剖面图。如实线所示那样，隧道9251包括顶9253、侧壁9255，9257和地面9259。图5a还示出了具有夸大的收敛行为的隧道9251，该收敛行为表示由虚线9265表示的结构变化。虚线9265示出了侧壁9255，9257的变型和顶9253的形状的大致变化。地面9259也可以变化。可以看到最高角落9261通常由周围地层支撑。另一方面，侧角落9263变型。由于从相邻直立壁9257移除材料，该结构变化会产生。因此可以看见隧道9251的轮廓已变化，这可能表示对人员和采煤装备有危险。图5a示出的收敛可以表示矿煤(或其他材料)中的地层塌陷。该收敛是隧道9251的表面的结构变化。图5b示出了采掘机3，该采掘机具有穿过隧道9251行进的测距系统100。

现在将描述该方法9200的步骤。

该方法9200包括接收隧道9251的第一轮廓扫描的接收步骤9210，其中，所述第一轮廓扫描是基于已接收的多个相对位置数据。第一轮廓扫描可表示在环境的三维点云中。替代地，该轮廓扫描可由多个剖面图表示，比如图5a中的竖直剖面图。在一个实施例中，隧道9251的第一轮廓扫描可提供隧道的轮廓，该轮廓以顶9253、侧壁9255，9257和地面9259的实线示出(即，隧道9251没有收敛行为)。

该方法9200还包括将第一轮廓扫描存储在数据存储器213中的存储步骤9200(如下论述)。

方法9200包括随后接收9230隧道9251的第二轮廓扫描，其中，第二轮廓扫描是基于从同样的采掘机3或不同的传感器系统接收多个相对位置数据。作为实施例，隧道9251的第二轮廓扫描出现在隧道的收敛行为之后。因此，第二轮廓扫描可提供虚线9265所示的轮廓。

方法9200还包括处理第一轮廓扫描和第二轮廓扫描以确定与隧道轮廓中的变型相对应的隧道表面上的任意结构变化的处理步骤9240。参照图5a，显然第一轮廓和第二轮廓中存在区别(这可以是顶9253、侧壁9255，9257和地面9259的实线相比于虚线9265之间的区别。)。

有利地，方法9200可允许确定结构变化，比如生存，这可以是维护或安全问题。应理解，第二轮廓扫描(或一个或更多个随后的轮廓扫描)可以被存储在数字存储器213中，使得可在更晚的时间执行处理步骤9240。

在一些实施例中，轮廓扫描可以被存储以随着时间的过去确定结构变化。源自轮廓扫描的信息可用于给隧道分配资源，比如维护资源。它还可以用作安全系统的一部分以确定不安全情形或潜在的不安全情形。

在一些实施例中，该方法可由分布式网络元件执行。例如，第一采掘机3可穿过隧道9251，由此第一采掘机将第一轮廓扫描(或多个相对位置数据)发送到数据存储器。第二采掘机可以在随后的时间穿过隧道9251，由此第二采掘机将第二轮廓扫描(或多个相对位置数据)发送到该数据存储器或另一个数据存储器。处理设备可随后从该数据存储器或另一个数据存储器接收第一和第二轮廓扫描并确定任何结构变化。

应理解，该方法可被改进。可用于本实用新型的采掘机3的监测和确定结构变化的方法的一个实施例在PCT/AU2005/001039(COMMONWEALTH SCIENTIFIC AND INDUSTRIAL RESEARCH ORGANISATION)中公开((公开号为WO2007/009149)，该文献通过引用纳入本文。

采掘机3的部件的详细描述

现在将描述采掘机3的细节。

采掘机3的类型

有广泛种类的采掘机3，种类依赖于矿的类型、材料、采掘机3在矿中的功能以及其他。采掘机类型包括长壁采掘机、连续采掘机。其他采掘机包括车辆，比如卡车、铰接式自卸车、装载机、推土机等。

长壁采掘机

长壁开采典型的用于开采煤。长壁开采可利用一个或更多采掘机3，比如如下讨论的采区顺槽穿越结构6309或截煤机6301。

图6是示意图，示出了长壁地下煤开采操作的3D断面图(不成比例)。这里，提供有长壁截煤机6301，该长壁截煤机从一侧到另一侧在煤层6305中穿过煤炭板6303。在煤层6305的每一侧上提供有已知为采区顺槽6307的矩形巷道。采区顺槽6307切入岩层和/或煤层6305，使得采区顺槽6307的方向和尺寸与精确的参数(比如尺寸和3D定位和方向)保持一致。典型地，采区顺槽6307彼此平行延伸。采区顺槽穿越结构109被提供在一个或两个采区顺槽6307中。机械联接机构6311连接采区顺槽穿越结构6309和截煤机6301。典型地，机械联接机构6311是轨道装置，截煤机6301能够在该轨道装置上行进。

采区顺槽穿越结构6309形成与采矿关联的采掘机设施的一部分，且采区顺槽穿越结构6309在采区顺槽6307中采用特定的后退位置。截煤机6301沿着形成机械联接机构6311的轨道装置向后和向前行进。随着截煤机6301移动，煤从煤炭板6303移除。在截煤机6301从煤炭板6303的一侧行进到另一侧后，使采区顺槽穿越结构6309在箭头6313的方向后退，从而将截煤机6301带到位置以从煤炭板6303的新鲜面进一步采煤。重复以上过程，推进面，直到煤层6305被移除。

采区顺槽6307可以至少最初以隧道的形式。如在此所述，位于地下的隧道9251可以易遭受收敛行为。因此，在一个实施例中，采区顺槽穿越结构6309——作为采掘机3——可包括如这里所述的测距系统100。有利地，这可以允许在方法9100中监测穿越结构6309的位置，和/或促进在采煤操作中确定隧道9251中的结构变化的方法9200。

连续采掘机

“房柱法”系统是另一个用于采矿的技术，该技术可用于煤矿开采。这可以包括从煤层移除煤炭(其变成“房”)，同时在原位留下煤层的多个部分(“柱”)以支撑覆盖顶材料。

用于房柱系统的典型的机器为连接采掘机，如图7所示。连续采掘机7301包括具有多个切割齿7305的旋转鼓7303。切割齿7305与煤层的壁接合以从煤层的煤炭面将煤刮掉。在连接采掘机7301的前部7309处的碎煤随后由传送机7307向连续采掘机7301的后部7311传送。连续采掘机7301还可以包括为了机动性的连续履带7313。因此，连续采掘机7301可以刮煤、运煤(通过传送机)以及使自身移动。

连续采掘机7301可移动穿过易遭受收敛行为的房(所述房被认为是隧道)。因此，在一个实施例中，连续采掘机7301可装备有如此所述的激光测距系统100。有利地，这允许在方法9100中监测连续采掘机7301的位置和/或促进在采矿操作中确定房(比如隧道9251)中的结构变化的方法9200。

第一传感器系统5

第一传感器系统5可包括传感器以确定采掘机3的移动数据。第一传感器系统5可包括传感器以确定移动数据，这可包括确定比如线加速度和角加速度、速度(和/或速率)、位移和取向的参数。这些参数可转而用于基于航迹推算法确定移动数据，比如采掘机的位移(从前一个位置)。应理解，时钟和时间信息也可以用于确定移动数据。

传感器可包括加速计、陀螺仪、磁力计、速度计、里程计等。应理解，来自采掘机3的其他部件的输出也可以帮助第一传感器系统5基于航迹推算法确定移动数据。例如，采掘机可提供表示车轮的转向角的输出，该转向角可用于确定移动方向。

在一个实施例中，第一传感器系统5包括惯性测量单元以提供关于在一个或多个轴线上的线加速度和角速率的输出。惯性测量单元还可以包括传感器以输出取向信息，比如来自磁力计。一个惯性测量单元的实施例由LORD MicroStrain以商标3DM-GX4-25提供，这包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计。来自惯性测量单元的输出可与时间信息结合以确定移动数据。

第一传感器系统5的另一个实施例可包括传感器以提供方向信息(比如磁力计，或从陀螺仪获取)。该传感器系统还可以包括里程计。因此，移动数据可通过将方向信息和里程计输出结合而确定。

处理设备、计算机系统和网络

图8a示出了在采掘机3中的连接系统的示意图。采掘机3包括处理设备9，在一个实施例中，该处理设备是计算机系统205(下面详细描述)。测距系统100可通过数据端口40输出相对位置数据到计算机系统205。计算机系统205还可以也与第一传感器系统5通信以接收采掘机3的移动数据。采掘机3的致动器8201，比如推进(例如动力系)和转向系统，也可以与计算机系统205通信。网络接口8203，比如无线通信网络接口，被提供为促进采掘机3和网络8205之间的通信。

计算机系统205的一个实施例(在图15中所示)包括处理器209，处理器209连接到程序存储器211、数据存储器213和通信端口207。程序存储器211是非暂时性计算机可读介质，比如硬盘、固态硬盘或CD-ROM。

存储在程序存储器211上的软件(其是可执行程序)使处理器209执行任务，比如基于相对位置数据、移动数据或物体位置确定采掘机3的第一和第二位置。

处理器209可以将相对位置数据(包括确定的距离114)、移动数据、轮廓扫描数据、环境条件、时间和日期、物体位置(比如物体的绝对位置)、与物体相关的其他信息(例如物体的表面轮廓)等存储在数据存储器213中。可找回在数据存储器213中的信息以用于之后的分析。

参照图8b，采掘机3可与通信网络8205通信。其他网络元件可包括与采掘机3通过网络8205通信的监测设备8207和网络数据存储器8209。应理解，图8b仅是个示例性实施例且也可以使用其他的网络元件构造。进一步的，采掘车3可具有不止一个计算机系统205和/或其部件。

采掘机3可通过通信网络8205发送得自测距系统100、第一传感器系统5的数据和/或来自计算机系统205的其他信息。采掘机3也可以通过通信网络8205接收来自监测设备8207和/或网络数据存储器8209的数据。有利地，通信网络8205可允许分享来自网络元件中的一个元件的数据。举例来说，确定结构变化的方法9200可由监测设备8207基于来自一个或更多的采掘机的第一和第二轮廓扫描来执行。如果例如，路线被大量的采掘机频繁的使用而每个采掘机会不频繁地使用同一路线，这可以提高结构变化的检测。

测距系统100

测距系统100可基于确定的到物体7的距离提供相对位置数据。测距系统100还可以提供到物体7的方向信息。到物体7的距离和方向可随后用于获取采掘机3和物体7之间的相对位置数据。如上所述，测距系统100可用于检测物体7，比如矿的壁12。促进对采掘机(3)的导航和避免与壁12和/或其他采掘装置的疏忽碰撞在采掘机(3)在矿中运行期间是重要的。

在一个实施例中，在采掘机3中的测距系统100可执行周围环境的即时定位与地图构建(SLAM)。这可以允许采掘机3以为未知的周围环境“创建地图”。

测距系统100还可以用于检测在周围的其他物体7，这包括其他采掘机3或甚至采掘机本身的部件。例如，在长壁采煤中，机械联接机构6311，比如轨道，需要随着采区顺槽穿越结构6309被驱使后退而移动。轨道需要被定位在特定的位置以确保采煤的最佳效率。因此，在一个实施例中，激光测距系统100可用于确定机械联接机构6311的至少一部分的位置。这可以是机械联接机构6311的相对和/或绝对位置。所确定的位置可随后用于确定机构联接机构6311是否需要向特定的位置移动。

现在将参照图2和图9大致描述测距系统100的实施方式。

图9是提供在采掘机3上以确定相对于环境1的距离信息的测距系统100的简化图。环境1包括在测距系统100的视线内的物体7’，7”，7”’。测距系统100可转向到方向A以确定采掘机3和第一物体7’之间的第一距离15，由此第一物体7’在相对于采掘机3的第一方向A上。类似地，测距系统100可转向以以确定到第二物体7”的方向B上得第二距离17。在一个物体上也可以做多次距离确定，如在第三物体7”’上的方向C和D上的第三和第四距离18和19所示。可以在多个方向上做多次距离确定，且距离信息结合起来以提供环境的轮廓信息，比如在三维点云中。在一个实施例应用中，物体7”’是在地下煤矿中的煤炭面。提供轮廓信息(即使用这里公开的测距器为煤炭面的表面构建地图)具有如下优势：更少的人员进入矿的未支撑部分且可更有效地控制机械。

参照图2，测距系统100还包括第一支撑元件132，第一支撑元件132能在外壳120中围绕第一旋转轴线134旋转。电磁输出装置102由第一支撑元件132支撑，使得第一支撑元件132的旋转使由电磁输出装置102提供的第一束104转向。这允许测距系统100使第一束104转向以在多个方向上确定距离。第二支撑元件140设置在电磁输出装置102和第一支撑元件132之间，且第二支撑元件140能围绕第二旋转轴线142旋转以提供更多的自由度以使第一束104转向。在示出的实施方式中，该构造避免了第一束的镜面反射128在第一支撑元件132围绕第一旋转轴线134旋转的全部360度内使电磁输入装置108炫目。

现在将详细地论述测距系统100的部件。

第一和第二支撑元件

现在将参照图10至图12描述第一支撑元件132和第二支撑元件140。第一支撑元件132可旋转地支撑第二支撑元件140。第二支撑元件140转而可旋转地支撑电磁输出装置102和电磁输入装置108。

第一支撑元件132能围绕第一旋转轴线134旋转，以提供方位方向φ以使电磁输出装置102和电磁输入装置108转向。在一个实施方式中，第一支撑元件132能围绕整个360度旋转以允许测距系统100进行多次距离测量以扫描周围环境。

第一支撑元件132操作性连接到致动器203(如图15所示)以旋转第一支撑元件132，被支撑的第二支撑元件140、电磁输出装置102和电磁输入装置108一起旋转。在一种形式中，致动器是马达，比如步进马达，该马达从控制器模块201接收致动输入。致动器可运行以直接致动第一支撑元件132(比如直接驱动)，或间接地致动第一支撑元件132，比如通过齿轮机构或带传动。在一种形式中，齿轮机构或带传动提供驱动转速减小以允许第一支撑元件132以更大精度运动。

第二支撑元件140能围绕不同于第一旋转轴线134的第二旋转轴线142旋转，以给被支撑的电磁输出装置102和电磁输入装置108提供更多的自由度。第二支撑元件140支撑从第一旋转轴线134偏移的电磁输出装置102，从而从电磁输出装置102到侧壁122的第一束路径不与第一旋转轴线134相交。这种构造连同同轴的第一旋转轴线和中央轴线136一起提供束路径106，束路径106具有与圆柱形侧壁122的入射角，该入射角既不为零度也不接近零度。换句话说，束路径106不沿着圆柱形侧壁122的表面法线111，如图12所示。从而，第一束104在圆柱形侧壁122上的镜面反射128提供第二束路径124远离电磁输出装置102指向的第二束126，且更重要的是，第二束路径124远离与电磁输出装置102接近的电磁输入装置108。

此外，优选地，束路径106可具有与圆柱形侧壁122的入射角，该入射角既不为90度也不接近90度。大角度会导致电磁辐射的显著镜面反射，从而减少将由电磁输入装置108接收的电磁辐射110。

在一种形式中，电磁输出装置102由第二支撑元件140支撑，使得由电磁输出装置102提供的第一束104基本垂直于第二旋转轴线142。

在一个实施方式中，第二旋转轴线142垂直于第一旋转轴线134。第二支撑元件140提供电磁输出装置102和电磁输入装置108相对于与第一旋转轴线134垂直的水平面138的仰角θ的调节。第二支撑元件140的移动可通过致动器203，比如上述的那些。

第一支撑元件132和第二支撑元件140通过能围绕不同轴线134，142旋转而允许使电磁辐射的第一束104转向。应理解，在其他实施方式中，第二旋转轴线142不需要垂直于第一旋转轴线134以提供另外的自由度。然而，这些旋转轴线的垂直设置可有助于容易控制和计算第一束104的方向。

电磁输出装置和电磁输入装置

电磁输出装置102和电磁输入装置108能操作以提供飞行时间信息以允许确定距离。在一种形式中，电磁输出装置102和电磁输入装置108基本位于一处(或彼此邻近)而电磁输出装置102和电磁输入装置108由第一支撑元件132和第二支撑元件140在相同方向上导向。通常，这包括朝向物体7导向电磁输出装置102和电磁输入装置108，尽管一些变化可被包括以考虑折射、位移或其他对准，这些将在下面详细讨论。

在一种方式中，电磁输出装置102和电磁输入装置108是以激光测距仪的形式。因此，电磁输出装置102可以以激光发射器的形式，该激光发射器发射一个或多个激光脉冲用于第一束104。电磁输入装置108可以以光传感器的形式，该光传感器对激光敏感。激光发射器的一个实施例可以包括激光二极管。激光的波长可包括850nm、905nm、1535nm。在一种形式中，激光的功率输出被控制以保证激光输出符合安全要求，比如为眼安全激光和/或防止激光变成点火触发器。在一种形式中，激光和外壳120中的其他组件(比如马达、致动器、光传感器、控制器、无线电通信模块等)的联合功率小于6W。在一个实施例中，来自装置的有效辐射功率(9kHz至60GHz)优选不超过10W，更优选地不超过6W且甚至更优选地不超过4W。优选地，激光具有不超过1W且更优选的不超过150mW的有效辐射功率。在特定的实施方式中，装置符合IEC 60079-0：2011的有效辐射功率(9kHz至60GHz)，优选用于第I组气体(例如用于煤开采环境)。

为了提供距离确定，激光脉冲(在第一束104中)由电磁输出装置102提供，激光脉冲穿过外壳120的侧壁122朝向物体7行进。该光从物体7反射，并被反射的激光110中的至少一些穿过侧壁122向回朝测距系统100行进，以由电磁输入装置108接收。在光脉冲的电磁输出装置102和接收反射的电磁输入装置之间的飞行时间用于确定距离。对于电磁输出装置102位于电磁输入装置108附近的系统100，距离或该距离的至少近似值，可由如下公式确定：

距离＝(飞行时间×光穿过介质的速度)/2 (公式1)

应理解，此公式可改变以考虑已知的变量或常量。例如，穿过外壳120行进的第一束104的激光可以小于穿过空气的光速的速度行进。变化可包括计算对于穿过侧壁122行进的光脉冲的时间延迟。在一个形式中，可使用侧壁122的平均厚度。在另一个形式中，束104不得不在电磁输出装置102的给定取向上穿过外壳行进的距离被使用。在另一个实施例中，一个或多个部件的响应时间可能存在延迟。这可以通过修改公式1或通过系统100的校准来考虑。

在一个形式中，电磁输出装置102和电磁输入装置108被容纳于壳体(未示出)内。壳体连同被容纳在该壳体中的电磁输出装置102和电磁输入装置108由第二支撑元件140支撑。因此，当第一支撑元件132和第二支撑元件140旋转时，壳体(连同电磁输出装置102和电磁输入装置108)也旋转。壳体被密封以减小灰尘污染。在进一步的实施方式中，壳体被密封以减小壳体内部的点火触发器点燃壳体外部的气体(或其他易燃材料)的风险。这提供额外于通过密封的外壳120提供的更多层安全。在另一种形式中，壳体还可以包括覆盖电磁输入装置108的滤波器，该滤波器允许反射的电磁辐射110的波长透射，但吸收或反射一个或更多其他波长。

激光测距系统100的一个实施例可包括能够购买的激光测距仪或其部件。激光测距仪单元的一个实施例包括由Hokuyo Automatic Co.Ltd提供的型号为UTM-30LX的激光测距仪单元。该激光测距仪单元包括具有905nm波长的激光的电磁输出装置102和被转向以提供270度水平扫描范围的电磁输入装置108。该激光测距仪单元具有用于与控制器模块201接合的通用串行总线接口。

在以上提到的实施例中，电磁输出装置102包括输出在红外光谱中的电磁辐射的激光测距仪。然而，应理解，也可以使用其他波长，包括在可见光和/或紫外线光谱中的电磁辐射。进一步地，在一些替代方式中，在电磁光谱中的其他波长可以是合适的。

外壳

在图2示出的实施方式中，外壳包括侧壁122和密封元件130，密封元件130为圆形盖133的形式，被接收在侧壁122的顶部。还设置基底(未示出)的形式的密封元件130，以与圆柱形侧壁122的底部接合。基底可以为采掘机3的本体的一部分(或本体的延伸部)。

在所示的实施方式中，侧壁122是弯曲的侧壁，该侧壁围绕中央轴线136延伸以形成圆柱形侧壁。在该实施方式中，壁围绕中央轴线136延伸360度。这促进测距系统100(特别是设置在第一支撑元件132上的电磁输出装置102和电磁输入装置108)在多个方向上进行扫描。在一个实施方式中，这允许第一支撑元件132围绕测距系统100旋转并扫描整个360度。

在一个实施方式中，第一旋转轴线134同轴于圆柱形侧壁122的中央轴线136。该设置可实现测距系统100的简化计算和/或校准。特别地，它能够简化当第一束穿过圆柱形侧壁122时第一束104的方向变化或位移的计算(和/或校准)，因为第一束104和表面法线111之间的角度独立于方位方向φ。

在一个替代的形式中，侧壁122可包括多于一个单独弯曲的表面或面并且可能为其他形状。图17(a)至图17(d)示出了外壳120的替代形式。图17(a)示出了具有弯曲侧壁122的外壳，该弯曲侧壁至少部分是类似于圆锥的表面的弯曲侧壁。图17(b)示出了具有多面的侧壁122，该侧壁类似于六边形棱柱。图17(c)示出了又一个替代的外壳120，该外壳具有平面侧壁122以形成类似于四角锥形的外壳。图17(d)示出了另一个实施方式，其中外壳120包括半球形侧壁122。

如上所述，密封元件130和圆柱形侧壁122的构造使外壳120的内部从外壳120的外部密封。在一种形式中，该密封是阻止或基本阻止气体在外壳120的内部和外部之间转移的气密封。该气密封阻止或减小在外壳120内的点燃触发器(比如电火花)传播和导致外壳120外部的气体点燃的风险。当测距系统100用在具有可存在于地下煤矿中的易燃燃料(例如烃气(比如甲烷))、煤尘等的环境中时，这是有利的。

应理解，在其他实施方式中，由密封元件130与圆柱形侧壁122形成的密封可能不是完美的气密封。在一种形式中，密封130和圆柱形侧壁122之间的紧配合可以提供有效的阻拦以防止火焰或其他点燃触发器从外壳120内部传播到外壳120外部。在一个实施例中，一个或多个间隙可存在于圆柱形侧壁122和密封元件130之间。替代地，圆柱形侧壁122和/或密封元件130可包括一个或多个间隙。在一种方式中，该一个或多个间隙和外壳120通常满足防火外壳的构建要求，例如IEC 60079-0 ED.6.0b：2011和IEC 60079-1Ed.7.0 b：2014或这里讨论的一个或多个其他标准。

在示出的实施方式中，密封元件130可移除地连接到圆柱形侧壁122。这允许接近部件以及对部件进行维修，所述部件比如未在外壳120内的电磁输出装置102和电磁输入装置108。在另一个实施方式中，密封元件130可永久地连接到圆柱形侧壁122以保持密封的整体性和/或防止或减小损害外壳120和外壳中的部件的可能性。在又一个实施方式中，一个或更多的密封元件130——比如圆形盖133或基底134——可与圆形侧壁122一体形成。

在一些实施方式中，密封元件130至少部分由钢或工程级塑料形成。密封元件130可由一种材料形成，或由一种材料覆盖，该材料对于来自电磁输出装置102的电磁辐射的波长无反射或基本无反射。这减小了来自电磁输出装置102的电磁辐射在外壳120中反射多次的机会和/或强度，电磁辐射能够由电磁输入装置108接收。

外壳120的侧壁122由挑选为充分透明的材料制造以允许来自电磁输出装置102的电磁辐射的波长透射。在一个实施例中，该材料包括对由激光发射器产生的光的波长透明的玻璃，在本文中“透明”的意思是可能有一些辐射衰减，但被透射的辐射的强度足够允许检测到从物体反射的辐射。

圆柱形侧壁122的材料可对于除电磁输出装置102的波长之外的波长是透明的。在一个实施方式中，期望的是，排除这些其他波长被电磁输入装置108接收。这可以包括在圆柱形侧壁122上提供涂层，该涂层反射其他波长以防止在外壳120外部的此类电磁辐射进入外壳并被电磁输入装置108接收。替代地，圆柱形侧壁122可设有涂层以吸收此类其他波长。在另一个实施方式中，外壳可由对一个或更多的其他波长固有不透明的材料构成。在又一实施方式中，可在外壳的外部或者在外壳的内部提供滤波器，以过滤掉或减小此类其他波长的强度以免被电磁输入装置108接收。

在测距系统100的一个实施例中，圆柱形侧壁122由厚度大约为10mm的硬质玻璃形成。圆柱形侧壁122的内部直径具有150mm的半径。该实施例包括从第一旋转轴线134(和中央轴线136)偏移30mm的电磁输出装置102，且电磁输出装置102在基本垂直于第二旋转轴线142的方向上提供第一束104。这些尺寸提供了第一束104，第一束104以远离表面法线111的角度入射在侧壁122上。优选地，侧壁122的表面应该光滑和连贯以防止或减小在束中的扭曲。

参照测距系统的运行波长，侧壁优选地拥有以下光学属性：

·侧壁的内部表面具有优选地不超过10％，更优选地不超过5％且甚至更优选地不超过2％且更更优选地不超过1％的镜面反射(在5度入射角时测量的)；且

·侧壁的透明度(在5度入射角时测量的)是这样的，运行波长的至少90％透射，更优选地95％透射和更更优选地98％透射。

低内部反射和高透射的结合促进了极好的测距仪性能和可靠性。低内部反射可通过使用防反射涂层，比如从DSM(荷兰)买到的Claryl^TM。

随着第一束在第一支撑元件(132)和第二支撑元件(140)的旋转时被转向，侧壁122的透明度可允许第一束以多位置(和方向)穿过侧壁122。这可以相比于具有孔(或窗)的侧壁122，所述孔(或窗)可以仅允许第一束在侧壁的特定局部位置(即，在孔)穿过，这可以限制使第一束转向的能力。

控制器模块、计算机系统和显示器

图15示出了测距系统100的实施方式，测距系统100还包括控制模块201以提供输入到致动器203以操作性移动第一支撑元件132和第二支撑元件140，从而转向电磁输出装置102的第一束104。这允许对周围环境中的一个或更多的物体7进行多个距离确定。控制模块201也与电磁输出装置102连接以控制第一束104的生成，比如提供命令以操作性生成激光脉冲。此外，控制模块201与电磁输入装置108连接以接收来自电磁输入装置108的信息，比如来自光传感器的信息。在一种形式中，控制器201包括计时模块(未示出)以确定飞行时间，基于从激光束从电磁输出装置102行进到由电磁输入装置108接收反射光110的时间的时间差。在一种形式中，计时模块包括振荡石英，且控制器对在生成激光束和接收来自光传感器的信号之间的振荡的数量计数。控制器随后用一个常数乘以计数的数量以确定距离。例如，振荡频率可以为256MHz，这导致1.17m的分辨率。

在一种形式中，控制器模块是由Atmel制造的ATmega640微控制器。

计算机系统可以与控制器模块201通过通信端口207通信。计算机系统可以为如上所述的计算机系统205或另外的计算机系统。

在该计算机系统中，存储在程序存储器211上的软件会使处理器209执行任务，比如确定物体7到测距系统100(和因此采掘机3)的距离、物体7到测距系统100的相对取向、物体的相对位置和/或物体7的表面上的一个或更多点的绝对位置。此类信息可以基于从控制器模块201接收的飞行时间信息和涉及电磁输入装置102的取向、转向的束104和/或到致动器203的控制输入的信息来确定。

另外的任务可包括处理器209指挥控制模块201以在选择的时间在选择的区域上执行扫描(由多次距离确定)。这可以包括特殊的指令以操作致动器203和电磁输出装置102。

处理器209可随后将物体7到测距系统100的距离和其他信息存储在数据存储器213中，所述其他信息比如为测距系统的位置、环境条件、时间和日期、激光束的飞行时间信息、确定电磁输出装置102和电磁输入装置108的取向的信息以及采掘机3的位置。在数据存储器213中的该信息可找回以对围绕测距系统100的环境进行分析或地图构建。

在另一实施方式中，处理器可以执行基于多个距离确定和距离确定的相应方向生成周围环境的三维图像的方法。在一种形式中，图像被存储在数据存储器213中。在又一实施方式中，周围环境的图像在视觉显示器216上直观地表现给用户。这可以包括三维点云。

测距系统的操作以避免镜面反射干涉第二输入

现在将讨论测距系统100的实施方式的操作。测距系统100能操作成提供在围绕中央轴线136的整个360度弧线中对围绕测距系统100的物体7的扫描。这通过围绕第一旋转轴线134将第一支撑元件132旋转到选择的方位φ实现。测距系统100也能操作成通过围绕第二旋转轴线142旋转第二支撑元件140来在不同倾斜角θ进行距离确定。这在图16(a)至图16(c)所示的实施方式中示出，所述图示出了第一束104的倾斜角范围，该倾斜角范围包括从水平面138大致为+/-40度的倾斜角。然而，应理解，其他实施方式可包括以从水平面比40度更多或更少的倾斜角转向。

因此，在使用期间，测距系统100在多个方向上指引第一束，该第一束必须穿过外壳120被传送到多个各自位置。有利地，测距系统100将第一束104指引到侧壁122，以避免第一束104的镜面反射128使电磁输入装置108炫目。

参照图11和图12，通过将第一束104从电磁输出装置102指引到以明显远离表面法线111的角度入射在侧壁122上来实现此。结果，第一束104的镜面反射128——示为沿着第二束路径124的第二束126——被指引远离电磁输入装置108(和邻近定位的电磁输出装置102)。

在图11和图12所示的实施方式中，第一束104到侧壁122的入射角一直远离表面法线111，无论方位取向(从第一支撑元件132围绕第一旋转轴线134的旋转)或或倾斜角(从第二支撑元件140围绕第二旋转轴线142的旋转)如何。这通过提供电磁输出装置102(和对应的第一束路径106)从基本圆柱形侧壁122的共同的第一旋转轴线134和中央轴线136偏移而实现。

关于上述实施方式，应理解，以接近但不完全在表面法线111上的角入射在侧壁122上的第一束104仍然能够提供能够影响电磁输入装置108的镜面反射。例如，具有到侧壁111为1或2度入射角的第一束104会向回朝电磁输出装置102和邻近定位的电磁输入装置108反射大量的电磁辐射。然而，在一些实施方式中，期望的是，第一束104到侧壁122的入射角大于5度。在另一实施方式中，入射角为至少10度。在又一实施方式中，入射角为至少12度或至少15度或至少20度。更大的入射角会有利于通过使第二束126远离电磁输出装置102和位于一处的电磁输入装置108而减小第二束126的电磁辐射对电磁输入装置108的影响。

在一个实施方式中，第一支撑元件132连同测距系统100的其他支撑部件一起以大约于0.25转每秒旋转。第二支撑元件140连同被支撑的电磁输出装置108和电磁输入装置102一起可以以大约40转每秒旋转。支撑元件132，140的连续旋转允许测距系统100产生多个距离确定。应理解，也可以使用其他旋转速度。

在一个实施方式中，第一支撑元件132和第二支撑元件140能围绕各自的轴线可旋转到360度或更多。这允许确定物体7上的点与电磁输出装置102的两个或更多构造的距离。这允许对物体表面或环境的距离的多余测量装置或立体测量置。这在图20中示出：电磁输出装置3102’的第一构造提供了朝向物体7上的点3112的相应的第一束3104’。反射电磁辐射(未清楚的示出)随后由电磁输入装置3108’接收。电磁输出装置和电磁输入装置能够随后通过支撑元件的移动被移动到第二构造。在第二构造中，电磁输出装置3102”提供了朝向物体上的相同点3112的相应的第一束3104”。反射辐射随后通过电磁输入装置3102”被接收。

以上描述的实施例是一个解决方案，且应理解，在其他实施方式中，也可以使用不同的构造以提供以导致镜面反射128的角度入射在侧壁122上的第一束104，镜面反射128是被朝向电磁输入装置108指引的第二束126。例如，在一个替代方式中，电磁输出装置102是第一反射体(例如，镜子或棱镜)，该第一反射体使来自激光发射器的激光改向以在第一束路径106上提供第一束104。在另一实施方式中，电磁输入装置108包括第二反射体，该第而反射体使被反射的激光110改向到一个或更多的光传感器。在这个实施方式中，一个或更多的第一反射体和第二反射体用来为激光发射器和/或光传感器提供偏移以防止第二束124使光传感器炫目。这些替代方式的实施例如下所述。

应理解，处理在此描述的特殊的实施例之外，其他设置可以实现第二电磁输入(108)被定位在电磁辐射的第二束(126)的第二束路径(124)外部的结果。这样的其他设置可通过指定来自电磁输出装置(102)的多个第一束路径(106)来设计，可以在测距系统(100)作用期间使用所述多个第一束路径。从此，各自的多个第二束路径可以基于来自第一束路径(106)的镜面反射计算。设计师因而可以这样设计测距系统(100)，使得当测距系统(100)被构造为使电磁输出装置(102)提供每个各自的第一束(104)时，电磁输入装置(108)被设置在每个第二束路径(124)的外侧。

穿过侧壁的第一束的折射

如以上记载，基本圆柱形侧壁122辅助测距系统100的计算和/或校准。图13示出了在围绕第一旋转轴线134、处于不同的方位角φ’(其为0或未示出)，φ”和φ”’的三个位置的电磁输出装置1102’，1102”，1102”’的俯视图。当第一束1104’，1104”，1104”’穿过圆柱形侧壁122时，与圆柱形侧壁122的材料的折射率相比不同的空气折射率(在外壳120内和在外壳120外侧)导致第一束1104’，1104”和1104”’的折射。这改变了第一束的路径，这可以包括方向上的改变和/或导致第一束的路径移动。在图13中，这由在圆柱形侧壁122上入射的第一束1104’，1104”和1104”’示出。透射的第一束1104A’，1104A”和1104A”’的路径从各自初始束路径1106’，1106”和1106”’被改变了角α，如图13所示。由于第一旋转轴线134和中央轴线136同轴且圆柱形侧壁122为基本圆柱性，所述第一束1104的路径的改变，路径的至少在垂直于中央轴线134的方向上的分量中的改变，为基本恒定。也就是，对第一束1104A’，1104A”和1104A”’的发射路径的改变对于如图6所示的围绕中央轴线136的方位方向φ是基本相同的(如由角α所示)。

应理解，由角α示出的对路径的改变不是唯一的，且依赖于材料的属性和物理构造，对第一束路径的改变可以包括在束内的位移。在又一替代方式中，被发射的第一束1104A’，1104A”和1104A”’可以具有路径，该路径被位移且指引朝向一个与入射束104’，104”和104”’相比不同的方向。应理解，穿过侧壁122且由电磁输入装置108接收的反射辐射110的路径能够通过类似于描述用于第一束1104的原理来计算。

为了清楚起见，在说明书中，图6中仅描述了束路径在垂直于中央轴线136的方向上的分量的改变。现在将参照图14(a)至图14(c)描述由于电磁输出装置102的相对倾斜角θ造成的第一束104的路径的改变。

图14(a)示出了在0度倾斜角取向的电磁输出装置2102，使得第一束2104’基本平行于与中央轴线136垂直的平面138。在此取向，由于在倾斜角分量中的折射基本为零，发射的第一束2104B’相对于倾斜角分量基本平行并同轴于第一束2104’。

图14(b)示出了在垂直于中央轴线136的平面138上方以中间倾斜角θ”取向的电磁输出装置2102”。在此构造中，发射的第一束2104B”具有相对于第一束2104”改变的路径，这是因为电磁输出装置的倾斜角导致第一束2104”以大于零度的入射角入射在圆柱形侧壁122上。发射的第一束2104B”和第一束2104”的偏差示为位移β”。然而，应理解，该偏差不限于位移，而替代地或还可以是如上所述的束路径的方向的变化。

图14(c)示出了在垂直于中央轴线136的平面138上方以高倾斜角θ”’取向的电磁输出装置2102”’。在此构造中，发射的第一束2104B”’具有相对于第一束2104”’更大的改变的路径，这是因为电磁输出装置的更大倾斜角导致更大的入射角，更大的入射角造成更大的折射和随之发生的第一束在倾斜角分量上的位移。发射的第一束2104B”’和第一束2104”’的偏差示为位移β”’。在这个实施方式中，β”’比β”大且位移β随着倾斜角θ的增大而增大。

在一种形式中，第一束的路径的改变(包括α和β)的计算可通过斯内尔定律(公式2)和相应的折射率一起计算。

其中，θ是从介质1和2之间的边界的表面法线测量的光的路径角，

v是在各个介质中的光速，和

n是各个介质的折射率。

在一种形式中，当第一束入射在圆柱形侧壁122上时，电磁输出装置102的构造提供为避免第一束104的所有内部反射。此构造可以包括提供第一支撑元件132和第二支撑元件130，使得电磁输出装置102不会被定向成提供入射角在空气到侧壁、或侧壁到空气、边界的临界角之上的第一束104。

测距系统的变型与替换

现在将描述测距系统100的更多的变型和替换。

屏蔽电磁输入

图18(a)和图18(b)示出了电磁输入装置308的一个实施方式，该电磁输入装置308具有由罩312屏蔽的光传感器310。在一个实施方式中，罩312为形成通道314的空心管的形式。在使用中，罩312能够与电磁输入装置308的其他部分一起移动，使得通道一般被朝向测距系统100在测距得物体7引导。通道允许来自物体7反射电磁辐射110穿过罩312以被光传感器310检测。相反地，罩阻挡来自可选择的方向的电磁辐射(例如第二束316或第三和随后的束318)由光传感器310直接接收。这会有利于防止从侧壁122上多次反射的第二束316由光传感器310直接接收。另外，罩312会遮蔽光传感器310免除可能影响光传感器310的其他电磁辐射源，比如光(用于照明)、来自太阳的光、来自反射电磁辐射的多路径的电磁辐射或来自在该区域中运行的其他测距装备的电磁辐射。

在一个实施方式中，罩312可包括防反射表面。如图18(b)中所示，可以包括防炫目挡板320以保护光传感器310。

灰尘污染测试

在使用中，灰尘或其他污染物会粘附到外壳120上，这会降低测距设备100的性能和效力。例如，在外壳120的外部或外壳内部的灰尘会削弱或以其他方式干扰第一束104和/或反射电磁辐射110。这会降低测距设备的有效距离或最坏地完全阻止距离确定。

在一些实施方式中，灰尘是易燃的灰尘，比如煤尘或煤烟。在这样的环境中，不论是外壳内部或外部的灰尘水平的提高会带来提高的安全风险。会采取外壳的周期维护检查以确保灰尘水平不达到会有害影响装置性能或提高安全风险的提高的水平。

在一个实施方式中，测距设备100包括确定测距装置100的污染水平和性能的装置。优选地，如果污染水平超出预定量，测距器触发警报或关闭设备。在一个实施方式中，该预定量对应于具有点燃风险的提高水平的污染水平。参照图19(a)，测距设备100包括设置在外壳120外侧的反射器351，反射器351具有反射表面353。反射器351提供具有已知的反射率的反射表面353，以提供测试(或校准)表面。反射器351可被安装在采掘机3的主体上。

在一种形式中，污染测试包括测距系统100提供第一束104，第一束104穿过侧壁122并被从反射表面353反射，且反射电磁辐射110穿过侧壁122以由电磁输入装置108接收。接收的电磁辐射110的强度可与从反射表面353上反射的反射电磁辐射110的过去强度对比。强度的降低可表示退化的性能，比如污染侧壁122的外部、侧壁的内部或其他部件(比如在电磁输出装置102和电磁输入装置108上)的灰尘。强度的降低还可以表示污染的反射表面353。

图19(b)示出了另一实施方式，该实施方式在外壳120内部具有带有反射表面357的反射器355。这允许针对确定外壳120内部污染的污染测试，比如在电磁输出装置102和电磁输入装置108上的污染。替代地，它可用于确定电磁输出装置102和电磁输入装置108的状况。例如，随着时间的过去和随着使用，对电磁辐射来说会存在电磁输出装置102的强度或电磁输入装置108的敏感度的退化。

在另一形式中，如图19(a)所示的来自外壳120外部的污染测试的结果与图19(b)中所示的外壳120内部的污染测试的结果相比较。该比较能够提供外壳120的侧壁122的污染指标，从而补偿或排除电磁输出装置102和电磁输入装置108的污染或性能的降低。

在另一个实施例中，测距系统100监测电磁输入装置108的信噪比。减少的信噪比的可以表示测距系统是100的一个或更多部件的灰尘污染。这可用于作为选择，或与以上描述的污染测试联合。

在一种形式中，程序存储器211中的程序致使处理器209指示控制模块201执行上述的污染测试。这可在操作期间以规则的时间间隔、在启动时、在关闭时或如果在电磁输入装置108接收的辐射已被确定为比对于给定的物体7距离和/或物体7的材料的所期望的低时执行。此外，响应于确定测距系统100被污染，该程序会提示操作员维修测距系统100和/或关闭测距系统100。这在污染是火灾风险的环境中很重要。

在一种形式中，控制器201确定电磁输出装置102发送电磁辐射脉冲和电磁输入装置108接收反射的电磁辐射脉冲之间的时间差，没有确定接收的电磁辐射的强度。换句话说，电磁输入装置108作为触发器以停止时钟脉冲的计数。这避免了对超块模拟-数字(A/D)转换的需求，并因此减少控制器的成本、复杂性和能量消耗。

为了确定测距器的污染或在环境中或在侧壁122上颗粒的存在，控制器201会将电磁输出装置102从脉冲模式切换到连续模式并将连接到电磁输入装置108的控制器端口从触发模式切换到A/D模式。由于电磁输出装置102是连续的，可使用由共同的微控制器提供的低速A/D转换。

能够随后通过处理器209将结果(该结果表示接收的电磁辐射的强度的数字值)与数据存储器213上存储的阈值比较。如果结果在阈值之下，处理器209确定污染在可接受水平之上。处理器209会随后激活警报或激活控制灯以向操作员指示过度污染。可以周期性地执行该确定污染的过程。优选地，每10秒或在围绕中央轴线136转十圈之后执行该过程。

在一种形式中，存储在存储器213中的是电磁输出的方位和倾斜角值，该方位和倾斜角值指示从电磁输出装置102到参考镜(比如反射表面353，357)的方向。当电磁输出装置102的方位和倾斜角等于存储值或在存储值的一定范围内(比如1度的范围内)时，处理器209会随后发送控制数据到控制模块201以使电磁输出装置102切换到连续输出。

当电磁输出装置102的方位和倾斜角等于存储值或在存储值的一定范围内(比如1度的范围内)时，处理器209还发送控制数据到控制模块201以使连接到电磁输入装置108的控制器端口被切换到A/D转换。

这样，到参考镜353，357的距离未被确定，但相反，可以在电磁输出装置102围绕轴线134每转一圈时测量污染，无需开启和停止电磁输出装置102的移动，这减小了部件上的机械应力。

电磁输出装置和电磁输入装置的构造的变型

现在将参照图21(a)描述测距系统4100的变型。在该变型中，电磁输出装置4102包括反射器，例如镜子。电磁输出装置4102使来自发射器152的电磁辐射束改变方向以提供电磁辐射的第一束104。电磁输入装置4108也包括反射器，该反射器也可以是镜子。电磁输入装置4108使反射的电磁辐射110改变方向到朝向电磁辐射传感器154。在此实施方式中，一个或更多反射器的使用与侧壁122的几何形状共同提供了第二束126的第二束路径124，该第二束路径避免了使传感器154炫目。

在另一个变型中，电磁输入装置4108和电磁输出装置4102的反射器由共同的反射器形成。

现在将参照图21(b)描述测距系统5100的另一个变型。在此变型中，电磁输出装置5102和电磁输入装置5108由第二支撑元件5140和第一支撑元件5140可旋转地支撑和转向。在此变型中，电磁输出装置5102提供第一束104，第一束104沿表面法线或基本接近表面法线入射在侧壁122上。得到的镜面反射128提供在第二束路径124上的第二束126，该第二束向回朝向电磁输出装置5102引导。但是，在此构造中，电磁输入装置5108位于第二束路径124的外部以避免或减小镜面反射对电磁输入装置5108的影响。

外壳侧壁的变型

现在将参照图22(a)至图22(c)描述测距系统6100，7100，8100的变型，所述测距系统具有不同构造的侧壁，所述侧壁包括外侧壁和内侧壁。

参照图22(a)，测距系统6100具有外壳120，该外壳具有围绕电磁输出装置102和电磁输入装置108的内侧壁6122a。外侧壁6122b接着围绕内侧壁6122a。在此实施方式中，孔隙6131被限定在外侧壁6122b和内侧壁6122a之间。

外侧壁6122b和内侧壁6122a可以由不同的材料制造。使用不同材料的优点在于：能够组合材料各自不同的属性。例如，外侧壁6122b可以由具有高耐冲击材料制造以提供耐冲击屏障。内侧壁6122a可以由具有耐高压(比如至少100kPAa，或至少500kPa，或至少1000kPa)的材料制造。在一个实施方式中，外侧壁6122b由玻璃建造以提供抗划伤性。内侧壁6122a由透明塑料(比如聚碳酸酯)建造以提供抗压屏障。因此，外侧壁6122b和内侧壁6122a的组合可以被构造成满足一个或更多的用户需求，这可以包括满足在此讨论的工业标准。

在另一变型中，外侧壁6122b和内侧壁6122a由具有相同或不同壁厚的相同材料制造。在一个实施方式中，外侧壁6122b和内侧壁6122a由玻璃建造。具有两侧壁的优势可在于：外侧壁6122b能够为牺牲屏障，该牺牲屏障可按需求替换，无需使电磁输出装置102和电磁输入装置108暴露到污染物。如果在比如矿中经常遇到的满是灰尘的环境这样的场合中完成替换，这会尤其有利。

有利地，外侧壁6122b和内侧壁6122a之间的孔隙6131可提供平衡以减小在外侧壁6122b上的冲击效应，避免影响内侧壁6122a和该内侧壁中容纳的系统部件。例如，外侧壁6122b会吸收致使其变形的冲击。然而，孔隙6131提供远离内侧壁6122a的间隔，使得冲击力不直接传递到内侧壁6122a的表面。

测距系统7100的另一个实施方式由图22(b)示出，该测距系统包括由刚性材料制造的内侧壁7122a，该内侧壁由保护膜7122b的形式的外侧壁围绕。保护膜7122b可以为可剥离的透明塑料膜，当膜被刮伤、以其他方式损坏或污染时，该膜能够被移除和替换。有利地，保护膜7122b可提供低成本和易替换的牺牲屏障以允许易于保持外壳120的透明度。保护膜7122b可包括与那些用在赛车挡风玻璃上的类似的聚酯膜，比如由马萨诸塞州沃本市的MADICO公司提供的产品名称为LCL-600-XSR和LCL-800-XSR的膜以及该公司销售的5-7密耳的膜。

测距系统8100的又一实施方式由图22(c)示出，该测距系统包括内侧壁8122a，该内侧壁通过使用胶粘层8123层压或粘附到外侧壁8122b。胶粘层可包括由塑料聚合物制造得液体树脂，该塑料聚合物由丙烯酸或硅树脂基化合物配制成。胶粘层可以为包括光引发剂的类型，当光引发剂被暴露到UV光时，光引发剂将趋向于很快地固化所施加的树脂。一个此类的粘合剂可以为来自罗德岛克兰斯敦市Starline路21号(邮编02921)的Eposies Etc.的Deco-Coat生产线。在一个实施例中，粘合剂包括聚乙烯醇缩丁醛(PVB)。优选地，胶粘层减小外壳的倾向和大小以提供多重的电磁辐射源反射以及在内壁和外壁之间提供冲击屏障。

在一个典型实施方式中，外壳120包括由内侧壁8122a和外侧壁8122b(该内侧壁和外侧壁由玻璃圆筒形成)组成的双壁玻璃圆筒，该内侧壁和外侧壁通过使用PVB(聚乙烯醇缩丁醛)8123或其他适合的层压/粘合物质层压在一起。

外侧壁6122b和内侧壁6122a可产生多个相应的光反射和折射点，比如在内壁6122a，7122a，8122a上的位置6128a，7128a，8128a和在外侧壁6122b，7122b，8122b上的位置6128b，7128b，8128b。可通过像之前描述的校准和/或计算但考虑到多个反射和折射的校准和/或计算来对这些效应进行调节。

测距系统100的其他特征

在一种形式中，测距设备100的外壳120内的电器和电子部件(包括激光器、马达和控制器)不消耗多于6W的功率以减小由测距系统发热带来的点燃风险。应理解，功率消耗的最大水平可依赖国家或地域的相关标准而改变。

优选地，测距系统100符合国际标准IEC 60079-0、IEC 60079-1，美国标准ANSI/UL1203：2006，英国标准BS EN 60079-1：2007以及澳大利亚标准AS60079.1：2007中的一个或更多(更优选地两个或更多)。在优选的实施方式中，测距系统还符合1组气标准(例如采煤环境)。应理解，测距系统的一些变型会根据对特定应用的需求而符合其他标准，所述其他标准会包括比如组IIA，IIB，IIC气标准的其他气组标准。

应用

采掘机3和测距系统100可尤其适合用于易着火或爆炸的环境中，尤其在暴露于点火源时。在一些实施方式中，采掘机3的测距系统100用于确定矿中物体的距离，特别在煤矿中。在煤矿中的大气环境会包含爆炸性的和/或易燃性的煤尘、甲烷和氧气混合物。

本领域技术人员应理解，可对上述实施方式做许多变型和/或修改，而不超出本公开内容的总的大致范围。因此，本实施方式应在各方面视作示例性的而不是限制性的。