一种悬臂式掘进机的导航定位及自动截割方法与流程
本发明属于煤矿井下巷道作业的悬臂式掘进机技术领域，尤其涉及一种悬臂式掘进机的导航定位及自动截割方法。
背景技术：
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，同时掘进机拥有行走及装载功能。
目前，悬臂式掘进机在巷道掘进作业时，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指向及定位的依据，掘进机司机以此为参考，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。在煤矿综掘工作面，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，施工质量很大程度上取决于掘进机司机的经验和熟练程度。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，但同时增加了工作的人员数量，增加了工作人员的劳动强度，进一步增大了人员的危险性。
针对悬臂式掘进机存在的以上问题，实现掘进机机身及截割头的导航定位并获取对应的位姿信息，实现掘进机巷道断面的自动截割，使工作人员远离工作面的危险区域，确保人员安全，实现掘进机机身和截割头的导航定位，以及对掘进机的远程操作和控制，是悬臂式掘进机未来重要趋势和发展方向。
为解决以上存在的问题，众多研究人员进行理论分析和研究，提出以下相关发明专利。公开号为cn101266134a，名为“悬臂掘进机头位姿的测量系统及其方法”的专利申请文件中，通过无线通讯模块和数据采集模块将激光激动全站仪、油缸行程传感器、双轴倾角传感器和车体偏摆角传感器的测量数据传输至计算机进行采集和处理，并计算悬臂掘进机机头相对车体以及大地坐标系的位姿，实现悬臂掘进机机头位姿的测量。公开号为cn101629807a，名为“掘进机机身位姿参数测量系统及其方法”的专利申请文件中，激光标靶在掘进机的安装位置已知，通过确定激光束在激光标靶的位置，得到掘进机的偏向角和偏向位移，并由两个倾角传感器测量掘进机的俯仰角和横滚角，完成掘进机机身位姿参数测量。公开号为cn104776843a，名为“一种悬臂式掘进机机身与截割头位姿检测方法”，通过双轴倾角传感器测量掘进机俯仰角和横滚角，位移传感器测量截割头空间位置，红外激光发射器与球形激光接收器测量掘进机机身偏角和偏距，完成掘进机位姿参数的测量。
在以上关于掘进机位姿检测的专利申请文件中，都需要使用到油缸行程传感器、倾角传感器等来测量掘进机的俯仰角和横滚角，而煤矿井下环境较为严苛，在实际工作时，掘进机工况较为复杂，机身振动较大，容易影响传感器的测量精度，长时间使用后传感器故障率高、可靠性下降、维护困难，严重影响传感器的使用寿命。
技术实现要素：
为了尽可能避免因传感器性能不稳定而对掘进机的导航定位和位姿检测结果造成不良影响，本发明克服现有技术存在的不足，提供了一种悬臂式掘进机的导航定位及自动截割方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：1、一种悬臂式掘进机的导航定位及自动截割方法，包括以下步骤：
s1、在掘进机机身上布置主惯性导航组件及在截割臂安装辅惯性导航组件，同时，在巷道内架设的固定轨道上安装自动全站仪组件，自动全站仪组件用于测量掘进机的绝对位置和姿态，为主惯性导航组件提供初始位置信息；主惯性导航组件用于对掘进机机身进行航向及姿态检测，辅惯性导航组件用于对截割头进行空间位姿检测；
s2、对主惯性导航组件和辅惯性导航组件进行初始标定，然后根据测距传感器测量的掘进机机身距前帮和侧帮的距离，控制掘进机，调整掘进机机身在巷道中的位置；并结合主惯性导航组件、辅惯性导航组件的检测数据计算出掘进机截割头的空间位置；
s3、预先设定截割头工作的工艺路径，结合截割头的断面自动截割模型，建立截割头的垂直摆动与升降油缸的位置关系式以及截割头水平摆动与回转油缸的位置关系式，并根据截割头空间位置坐标与截割臂摆角之间的关系，控制升降油缸和回转油缸的行程，使截割头运动到自动截割的起点位置，按照工艺路径开始自动截割煤壁。
截割头的垂直摆动与升降油缸的位置关系式为：
其中，l表示升降油缸的长度，lop表示升降油缸与机架的铰接点p与悬臂垂直回转中心o点的距离，loq表示升降油缸与悬臂的铰接点q与悬臂垂直回转中心o的距离，
截割头水平摆动与回转油缸的位置关系式为：
其中，伸长油缸的长度为lm，缩短油缸的长度为ln，
截割头空间位置坐标与截割臂摆角之间的关系为：
其中，(x，y，z)表示截割头在巷道的空间位置坐标，e表示水平回转台中心h与悬臂垂直回转中心o之间的距离，lor表示截割头中心与悬臂垂直回转中心o之间的距离。
所述的一种悬臂式掘进机的导航定位及自动截割方法，还包括根据截割头的垂直摆动与升降油缸的位置关系式确定悬臂下摆角极限值γmin和上摆角极限值γmax的步骤，以及根据截割头水平摆动与回转油缸的位置关系式，确定悬臂在水平面内最大摆角ρmax的步骤。
所述主惯性导航组件为激光惯性导航组件，所述辅惯性导航组件为光纤惯性导航组件。
所述的一种悬臂式掘进机的导航定位及自动截割方法，还包括在悬臂式掘进机机身安装棱镜组的步骤，所述棱镜组安装于掘进机机身后部位置，左右各一对称布置，棱镜组用于与自动全站仪组件与配合使用。
所述步骤s2中，对主惯性导航组件和辅惯性导航组件进行初始标定的方法为：根据自动全站仪组件的位置及掘进机速度为惯性导航系统提供初始位置信息，惯性导航系统对位置信息进行解算得到机身的位置和姿态角度等信息，作为惯性导航系统开始工作时的初始位置信息，完成工作前对主惯性导航组件和辅惯性导航组件的初始标定。
所述的一种悬臂式掘进机的导航定位及自动截割方法中，截割一段时间后，还包括对主惯性导航组件和辅惯性导航组件进行重新标定的步骤。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种悬臂式掘进机机身和截割头的导航定位及自动截割方法，自动全站仪组件安装于巷道固定的轨道上，当需要定位或标定要求时可沿轨道移动，与棱镜配合定位方式精度高且较灵活，与人工定位或地面移动设备相比较，安装于顶端轨道移动不与地面设备运行相互干扰，同时可以有效避免地面的大量浮煤及设备振动等不良条件对仪器的定位和标定的精度及准确度的影响。通过在掘进机机身上布置主惯性导航组件及在截割臂安装辅惯性导航组件，主惯性导航组件能够对掘进机机身进行航向及姿态检测，辅惯性导航组件能够对截割头进行空间位姿检测。自动全站仪组件、主惯性导航组件和辅惯性导航组件相结合，能够有效提高掘进机机身导航定位精度及截割头空间位置的自动截割精度，提高了掘进机整体的导航定位精度。本发明提出的悬臂式掘进机机身和截割头的导航定位及自动截割方法，无需操作人员在现场工作面进行操作，只需在监控中心通过远程控制，减轻了人员的劳动强度，减少现场人员数量。
附图说明
图1为本发明实施例中的掘进机的结构示意图；
图2为本发明实施例中掘进机的升降油缸、截割臂、悬臂、机架的连接示意图；
图3为掘进机悬臂垂直摆动示意图；
图4为掘进机悬臂水平摆动示意图。
图中：1为掘进机本体，2为辅惯性导航组件，3为测距传感器，4为主惯性导航组件，5为棱镜组，6为自动全站仪组件，7为悬臂，8为截割臂，9为升降油缸，10为机架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此外所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都将属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种悬臂式掘进机机身和截割头的导航定位和自动截割方法，包括以下步骤：
s1、在掘进机机身上布置主惯性导航组件及在截割臂安装辅惯性导航组件，同时，在巷道内架设的固定轨道上安装自动全站仪组件，自动全站仪组件用于测量掘进机的绝对位置和姿态，为主惯性导航组件提供初始位置信息；主惯性导航组件用于对掘进机机身进行航向及姿态检测，辅惯性导航组件用于对截割头进行空间位姿检测。
s2、对主惯性导航组件和辅惯性导航组件进行初始标定，然后根据测距传感器测量的掘进机机身距前帮和侧帮的距离，控制掘进机，调整掘进机机身在巷道中的位置；并结合主惯性导航组件、辅惯性导航组件的检测数据计算出掘进机截割头的空间位置。
如图1所示，本实施例中，应用到的装置主要包括掘进机本体1、辅惯性导航组件2、测距传感器3、主惯性导航组件4、棱镜组5、自动全站仪组件6，并结合截割头的断面自动截割模型，实现掘进机的高精度导航定位、姿态调整以及截割头自动截割。
其中，棱镜组5与自动全站仪组件6两个部分配合使用，其中棱镜组安装于掘进机机身后部位置，左右各一对称布置，全站仪安装于巷道内架设的固定轨道上，自动全站仪组件用于为主惯性导航组件提供高精度的初始航向信息及每隔一段时间的校准信息。主惯性导航组件和测距传感器安装于掘进机机身本体上，主惯性导航组件进行掘进机机身的导航定位和位姿检测，测量掘进机机身的航向和姿态信息。测距传感器在掘进机机身上布置3台，分别测量掘进机机身与巷道两侧帮和前帮的距离。辅惯性导航组件安装于掘进机截割臂上，辅惯性导航组件结合自动截割模型共同进行截割头位姿的检测和自动截割。所述主惯性导航组件为激光惯性导航组件，所述辅惯性导航组件为光纤惯性导航组件。
自动全站仪组件测量掘进机的绝对位置和姿态。自动全站仪可以在轨道上移动，通过无线通讯模块与掘进机机身的控制器进行信息通信，完成全站仪数据和控制器指令的交互。轨道架设在巷道的顶部，进行巷道铺网锚护时同时安装轨道，在轨道每隔一定距离设置用于标记巷道绝对位置的标签，通过识别标签确定自动全站仪在巷道中的位置。全站仪与棱镜组合使用，全站仪能够准确确定巷道内被测物体的位置，全站仪发出激光，通过测量棱镜移动速度和距全站仪的距离信息，可确定棱镜位置，进而确定安装棱镜的掘进机机身位置。全站仪位置确定后，通过安装在掘进机机身上的棱镜，可以确定掘进机的绝对位置和姿态，并发送给机身的控制器，控制器利用全站仪测量的掘进机位置和姿态，为主惯性导航组件提供初始位置信息，同时辅惯性导航组件根据已确定的主惯性导航组件的位置和姿态信息确定截割头的位置和姿态信息，保证主惯性导航组件和辅惯性导航组件的精度，最终保证掘进机和截割头运行时的航向和姿态精度。
掘进机准备工作时，首先由操作人员设置掘进机机身的目标航向、截割头的截割模式等参数信息，并将预设参数传输给控制器。初始时，根据自动全站仪组件的位置及掘进机速度等信息，全站仪将位置、速度等信息发送给惯性导航系统，为惯性导航系统提供初始位置信息，惯性导航系统对位置信息进行解算得到机身的位置和姿态角度等信息，作为惯性导航系统开始工作时的初始位置信息，完成工作前对主惯性导航组件和辅惯性导航组件的初始标定。标定工作完成后，根据测距传感器测量的掘进机机身距前帮和侧帮的距离，控制器控制掘进机，调整机身在巷道中的位置。截割头与前煤壁接触后，控制器的自动截割程序启动，液压系统控制截割头运动到自动截割的起点位置，开始自动截割煤壁。截割完成后，开始铺网锚护，并架设轨道，此时掘进机不工作，待锚护铺轨完成后，进行下一轮截割。经过一段时间的截割后，由于惯性导航系统会随时间推移产生误差累积，因此需要定时对主惯性导航组件和辅惯性导航组件进行再次标定，通过全站仪与棱镜结合将位置信息发送至惯性导航组件，确定下一次惯性导航工作的初始信息，保证掘进机机身在后续工作中的航向、姿态精度。
s3、预先设定截割头工作的工艺路径，结合截割头的断面自动截割模型，建立截割头的垂直摆动与升降油缸的位置关系式以及截割头水平摆动与回转油缸的位置关系式，并根据截割头空间位置坐标与截割臂摆角之间的关系，控制升降油缸和回转油缸的行程，使截割头运动到自动截割的起点位置，按照工艺路径开始自动截割煤壁。
参照图2和图3，对悬臂在垂直面内的摆动进行分析，图3所示，垂直摆动由一对升降油缸9驱动完成，通过改变升降油缸的行程来改变悬臂7的垂直摆动，反映为截割头在巷道断面高度的改变。升降油缸前端与机架10铰接，后端与截割臂8铰接。一般情况下，掘进机截割部的伸缩油缸在悬臂垂直摆动和水平摆动的过程中长度保持不变，只有在钻进煤岩层时才会有伸缩变化。因此，简化掘进机截割机构各部件，不考虑其具体的结构形式，将截割部的悬臂段视为一个整体的刚性杆件。
升降油缸为pq，机架和升降油缸的铰接点设置为p，悬臂和升降油缸的铰接点设置为q，悬臂垂直回转中心为o，截割头在巷道截割断面最高点时升降油缸的位置为pq1，截割头在巷道底板时升降油缸的位置为pq2。r、r1和r2分别对应截割头在水平、最高点和底板时在巷道断面上的投影，m为悬臂轴线水平时截割头中心在掘进机水平面内的投影。记o到地面的高度为h1，|rm|＝h0，q到om的垂直距离为h2，c为截割头中心任意时刻距地面高度，l为升降油缸长度。当悬臂水平时，∠rom记为ω0，在悬臂垂直摆动过程中△oqr的形状保持不变。当截割臂垂直摆角为γ时，截割头中心距地面高度c与γ的关系为
其中，l表示升降油缸的长度，lop表示升降油缸与机架的铰接点p与悬臂垂直回转中心o点的距离，loq表示升降油缸与悬臂的铰接点q与悬臂垂直回转中心o的距离，
对(1)式进行运算，得到：
其中，c表示截割头中心任意时刻距地面高度，|rm|＝h0，h1表示o点到地面的高度，lom表示悬臂垂直回转中心o点与悬臂轴线水平时截割头中心在掘进机水平面内的投影m的距离。通过(1)式，可以将升降油缸的长度l和摆角γ的对应关系联系起来，把掘进机相关的固定的尺寸关系列出来，主要是为了方便后期计算使用。(2)式中只有截割头中心任意时刻距地面高度c是变量，其余参数均可根据掘进机为已知量或计算已知，l只与c有关。当截割头中心位于卧底最大深度时，截割头中心距地面高度为最小值cmin，悬臂向下摆角达到极限位置γmin，同时升降油缸长度为最小值lmin；当截割头中心位于巷道最高处时，截割头中心距地面高度为最大值cmax，悬臂向上摆角达到极限位置γmax，同时升降油缸长度为最大值lmax。也就是说，此处c为一个范围，c的最小值和最大值范围可得到，由c与γ的关系得到γ的最大值和最小值，再由(2)式得到l的最大值和最小值。
如图4所示，对悬臂在水平面内的摆动进行分析，水平摆动由回转台的回转油缸驱动完成，通过改变回转油缸的行程来改变悬臂的水平摆动，反映为截割头在巷道断面宽度的改变。回转油缸一侧与机架铰接，一侧与回转台铰接，通过一侧的油缸伸长，另一侧的油缸相应缩短，驱动回转台的转动，进而改变悬臂在水平面内的摆动方向。
两油缸分别为o1o2和o3o4。h为水平回转台中心，o为悬臂垂直回转中心，两者距离为e。m1为悬臂处于巷道中间位置时截割头中心在水平面内的投影，w为巷道宽度。设伸长油缸的长度为lm，缩短油缸的长度为ln，∠o1ho2为β0，o1n和hn的长分别为f1，f2。选取悬臂在水平面内顺时针旋转为正，则截割头中心距中心线距离f与水平摆角ρ之间的关系为
其中，伸长油缸的长度为lm，缩短油缸的长度为ln，
对(3)式和(4)式进行运算，得到：
其中，f1表示缩短油缸与机架的铰接点o1与巷道中间位置的距离，f2表示伸长油缸在巷道中心的投影的长度，
当悬臂位于巷道中心线时，水平摆角ρ＝0；当垂直摆动铰接点o与截割头中心r的连线or处于水平位置时，悬臂在水平面内的摆动范围有最大值ρmax，且在水平面摆动时悬臂左右对称，此时上下摆角γ＝-ω0。
通过几何分析，可以得出截割头空间位置坐标与截割臂摆角之间的矩阵表达式：
(x，y，z)即为截割头在巷道的空间位置坐标，e表示水平回转台中心h与悬臂垂直回转中心o之间的距离，lor表示截割头中心与悬臂垂直回转中心o之间的距离。依据截割头与悬臂摆角的几何关系，可以确定截割头的空间位置坐标，并形成截割头的空间运行轨迹，可实现掘进机截割头的自动截割。
掘进机截割头的自动截割是通过预先设定好截割头工作的工艺路径，截割头按照指定的工艺路径运行并形成空间运动轨迹，空间轨迹由悬臂在垂直面和水平面的摆动以及截割头的伸缩共同决定。因此，通过建立截割头的空间位置中垂直摆动与升降油缸的位置关系、水平摆动与回转油缸的位置关系，控制升降油缸和回转油缸的行程，使得截割头按照预先设定的工艺路线运动，实现巷道截割头的自动截割。
掘进机截割头的自动截割，是在控制器中规划截割头的运行路径，截割头的行走路径由主控器控制液压系统实现，截割头的位置检测由主惯性导航组件和辅惯性导航组件共同完成。主惯性导航组件测量掘进机机身的位姿信息，辅惯性导航组件以掘进机机身为基准，测量截割臂的位姿信息并传递给主控器，并结合测距传感器测量的掘进机在巷道中的位置信息，控制器解算后得到实际截割头的空间位置，与规划的路径进行对比，如果出现误差，控制器发出控制指令，使截割臂不断调整。在截割臂工作过程中，监测掘进机铲板的位置，防止在自动截割时截割臂与铲板发生碰撞。
本发明的悬臂式掘进机机身和截割头的导航定位及自动截割方法，自动全站仪组件安装于巷道固定的轨道上，用于确定掘进机机身的位置信息，开始测量后，全站仪固定在轨道上的已知且精确位置处，棱镜安装于掘进机机身，当掘进机运动时，全站仪与棱镜配合，通过测量掘进机的速度及棱镜距全站仪的位置获得掘进机的定位信息，能够高精度定位掘进机位置，定位方式精度高且较灵活。在全站仪工作过程中，若棱镜收到遮挡无法接收全站仪的激光信号，则需要全站仪沿轨道移动至提前已知的精确位置，重新获取掘进机位置并发送至惯性导航组件。与人工定位或地面移动设备相比较，安装于顶端轨道移动不与地面设备运行相互干扰，同时可以有效避免地面的大量浮煤及设备振动等不良条件对仪器的定位和标定的精度及准确度的影响。
通过在掘进机机身上布置主惯性导航组件及在截割臂安装辅惯性导航组件，主惯性导航组件能够对掘进机机身进行航向及姿态检测，辅惯性导航组件能够对截割头进行空间位姿检测。自动全站仪组件、主惯性导航组件和辅惯性导航组件相结合，能够有效提高掘进机机身导航定位精度及截割头空间位置的自动截割精度，提高了掘进机整体的导航定位精度。精确的掘进机机身定位信息和截割头位置信息，能够为截割臂的自动截割提供基础的位置信息，并结合悬臂的垂直摆动和水平摆动模型建立自动截割算法，确保截割头能够高效完成一个循环内的自动截割。本发明提出的悬臂式掘进机机身和截割头的导航定位及自动截割方法，无需操作人员在现场工作面进行操作，只需在监控中心通过远程控制，减轻了人员的劳动强度，减少现场人员数量。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
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