技术特征：
1.一种捷联惯导和激光感知复合的掘进机位姿检测系统，其特征是：该系统主要包括捷联惯导系统、激光感知系统、导航计算机以及人机交互显示系统；所述的捷联惯导系统包括三轴光纤陀螺仪、三轴石英加速度计、数据处理模块。其中三轴光纤陀螺仪可以实时测得掘进机在载体坐标系下相对于惯性空间的三轴角速度信息；三轴石英加速度计可以实时测得掘进机在载体坐标系下相对于惯性空间的三轴加速度信息；数据处理模块中内置了捷联惯导位姿解算算法，将陀螺仪的角速度信息和加速度计的加速度信息，实时地转化为掘进机的空间姿态角(偏向角、俯仰角、横滚角)信息，最后将解算获得的姿态数据发送给导航计算机，由其作进一步处理。捷联惯导系统安装在掘进机防爆电控箱中，通过总线与导航计算机以及人机交互显示系统相联；所述的激光感知系统主要包括激光偏距感知系统、激光前距感知系统。激光偏距感知系统包括扇形激光发射装置、光敏标靶以及数据处理模块。其中，扇形激光发射装置共分为安装架和扇面激光发射器两部分。安装架安装在掘进机后方30-100m处的巷道顶板上，精确位置由测绘部门人员利用全站仪确定。安装架上设有透光小孔，用以校准的激光发射器发射扇面激光的方向。扇面激光发射器固定在安装架上，可以发射出扇形激光面，调整安装角度可以使其发射的激光面刚好垂直于巷道底面并且与巷道中线平行；光敏标靶固定在掘进机机身上部，平行于掘进机横向截面，由一行或多行紧密排列的光敏元件、连接电路、防爆外壳和透光罩组成。光敏元件通过电路相互连接，每个均设定有序号，可以接受由扇形激光发射装置发出的激光，在理想状态下在光敏标靶上的投影光斑为一条竖直的直线，接受到照射的光敏元件被刺激可以产生电信号并发送给数据处理模块；数据处理模块则可以接受光敏标靶传输过来的电信号，结合受刺激的元件编号通过内置算法可以知道现有的激光投影与标准状况下的偏差距离，结合捷联惯导系统发送的偏向角可以用来计算掘进机的偏距，再将数据发送给导航中心主机处理；所述的激光前距系统主要由两台本安型激光测距仪与数据处理模块组成。两台本安型激光测距仪安装在掘进机机身前部两侧，发射端可以发射出高频正弦调制激光信号，激光信号发射出去后经由巷道截割面反射被接收端接收，数据处理模块接收到来自两端的信号，计算发射信号和接收信号之间的相位差，即可求出测距仪到巷道截割面之间的距离，再结合掘进机本身的结构参数，可求得掘进机的车前距信息。然后将信息发送给导航中心主机做进一步处理；所述的导航计算机安装在掘进机的电控箱内部，通过总线分别于捷联惯导系统、激光偏距感知系统以及激光前距感知系统相连接并可以互相收发信息。通过内置的导航算法对来自于这三个系统的数据进行解算，可以获得精确的掘进机的导航信息，包括三个姿态角(偏向角、俯仰角、横滚角)和位置坐标(横坐标：偏距、纵坐标：前距)，进而将这些数据发送给人机交互显示系统，供远程操控人员实时监控掘进机行走信息；所述的人机交互显示系统将导航计算机发送来的位姿信息进行数字化显示。通过掘进机的三维模型同步显示真实掘进机在工作过程中的位姿状态，同时生成掘进机的行进的轨迹，显示实际掘进机掘进的巷道与设计巷道之间的偏差，并将偏差信息发送给控制系统，同时还可以设置巷道的设计方向角、掘进机的初始位置等信息。2.根据权利要求1所述的捷联惯导和激光感知复合的掘进机位姿检测系统，其位姿检测方法是：按照掘进机实际的工作流程与工作状态，掘进机一般先由初始位置向前位移到
截割面附近，然后其截割臂开始截割作业，在按照截面要求截割完毕后，掘进机向后退出一段距离以供工作人员对刚刚掘进出的巷道进行顶板支护，支护完毕后掘进机再次向前行驶，如此循环。具体的位姿检测流程为：(1)在上一工作循环结束之后(即掘进机完成一次截割并后退之后)，且在下一次掘进机前进之前，此时掘进机相对于惯性空间静止，这时捷联惯导系统进行初始对准，获得掘进机相对于惯性空间的初始航向角、俯仰角以及横滚角。航向角与输入的巷道设计方向角做差，可得掘进机的偏向角。完成对准之后，以上一循环结束时掘进机的位置坐标为起点，作为本次循环的坐标原点，并建立巷道坐标系，完成系统的初始化；(2)初始化完成后，在前方支护完成后掘进机开始向前行进，在行进过程中，捷联惯导系统通过三轴光纤陀螺仪可以高频率地实时感知掘进机的角速度信息，并且通过数据处理模块实时解算掘进机的姿态角信息；激光偏距感知系统通过感知扇形激光投影照射到光敏标靶的光敏元件编号以及通过捷联惯导系统测得的航向角信息，通过其数据处理模块即可实时计算掘进机与巷道设计中线之间的偏距；激光前距感知系统能够实时测定掘进机与现有巷道截割面之间的距离，即为前距；三个系统将其处理获得的数据发送给导航计算机，由计算机对数据进行坐标变换和数据处理，这样就可实时得到掘进机的速度、位置与姿态信息，再将这些信息整合发送给人机交互显示系统，以完成掘进机在行进过程中的位姿监测；(3)掘进机在行驶到靠近截割面位置，停车准备掏槽之前。这时可以利用掘进机停车时速度为零的特点，对捷联惯导系统的姿态观测以及计算得到的掘进机速度与坐标位置作出修正。因为停车时速度、角速度均视为0值，则此时捷联惯导系统的陀螺仪输出值以及计算出的速度值即可视为观测误差。将所获得的误差值经过处理，与现有的输出参数进行叠加，即可对掘进机的位姿参数进行修正，以保证之后工作循环的输出参数尽可能准确。
技术总结
本发明公开一种捷联惯导和激光感知复合的掘进机位姿检测系统与方法，属煤矿井下掘进机自主导航领域。该系统包括捷联惯导系统、激光感知系统、导航计算机以及人机交互显示系统。捷联惯导系统在掘进机工作前进行初始对准，可以获得掘进机初始的姿态角(航向角、横滚角和俯仰角)。在掘进机工作过程中捷联惯导系统实时输出姿态角，激光偏距感知系统实时测得掘进机的横向位移，激光前距感知系统实时测得掘进机纵向位移，三者结合可以得到掘进机的位置和姿态数据。经过导航计算机的解算，将掘进机的位姿数据实时发送至人机交互显示系统。人机交互系统可以对掘进机的位姿数据进行三维显示，并显示巷道掘进偏差，为操作人员提供直观参考，同时可将偏差数据发送至掘进机控制系统。为掘进工作面的无人化建设提供了基础。为掘进工作面的无人化建设提供了基础。为掘进工作面的无人化建设提供了基础。
技术研发人员：吴淼 沈阳 王海旭
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2021.11.01
技术公布日：2022/1/25