一种悬臂式掘进机截割头空间定位方法和装置与流程

1.本发明涉及悬臂式掘进机技术领域，尤其涉及一种悬臂式掘进机截割头空间定位方法和装置。


背景技术：

2.悬臂掘进机是一种有效的开挖机械，它集开挖、装载功能于一身，可用于采矿、公路隧道、铁路隧道、水洞、矿用巷道及其他地下硐室的开挖施工。
3.在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：悬臂式掘进机截割头的定位方法一般采用在截割臂安装油缸位移传感器，通过推算得到截割头的位置。但该方法存在较大的局限性：一方面，油缸位移传感器仅采集截割臂运动位移，无法确定掘进机机身位置信息；另一方面，在油缸内部安装位移传感器，会破坏现有机械结构，传感器的可靠性差。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此，本发明的目的在于提出一种可靠性高、适应性强的悬臂式掘进机截割头空间定位方法和装置。
6.为达到上述目的，本发明提出的一种悬臂式掘进机截割头空间定位方法，包括：
7.惯性导航单元测量掘进机机身的姿态角；
8.全站仪测量得到360度棱镜的位置坐标，其中，360度棱镜安装在掘进机机身上；
9.根据截割头与掘进机机身的相对位置，获得截割头的实时位置。
10.本发明提供的悬臂式掘进机截割头空间定位方法，不受煤矿粉尘、能见度、煤壁吸收等恶劣环境影响，可满足高精度厘米级定位，可靠性、适应性强；另外，该定位方法不改变机身现有机械结构，从传感器部件级提升系统的可靠性。
11.可选地，所述根据截割头与掘进机机身的相对位置，获得截割头的实时位置包括：
12.建立机身坐标系oixiyizi，其中，i＝0，1，2，3，4，机身坐标系包括机身棱镜坐标系o0x0y0z0、机身上表面几何中心坐标系o1x1y1z1、悬臂回转轴中心坐标系o2x2y2z2、悬臂俯仰轴中心坐标系o3x3y3z3和截割头底面几何中心坐标系o4x4y4z4；
13.将机身上表面几何中心的坐标、悬臂回转轴中心的坐标、悬臂俯仰轴中心和截割头底面几何中心统一用机身棱镜坐标系表示，即得到截割头在机身坐标系下的坐标。
14.可选地，所述根据截割头与掘进机机身的相对位置，获得截割头的实时位置还包括：
15.建立大地坐标系ogxgygzg，其中，xg轴为东方向，yg轴为北方向，zg轴方向为天方向；
16.将所述截割头在机身坐标系下的坐标转换为在大地坐标系下的坐标。
17.可选地，所述根据截割头与掘进机机身的相对位置，获得截割头的实时位置还包括：
18.建立巷道坐标系o
l
x
lylzl
，其中，x
l
轴指向巷道右侧，y
l
轴指向掘进机前进方向，z
l
轴垂直指向巷道顶板，z
l
轴方向与大地坐标系中zg轴方向平行；
19.将所述截割头在大地坐标系下的坐标转换为在巷道坐标系下的坐标。
20.相应的，本发明还公开一种悬臂式掘进机截割头空间定位装置，包括：
21.惯性导航单元，用于测量掘进机机身的姿态角；
22.全站仪，用于测量得到360度棱镜的位置坐标，其中，360度棱镜安装在掘进机机身上；
23.实时位置获取单元，用于根据截割头与掘进机机身的相对位置，获得截割头的实时位置。
24.可选地，所述实时位置获取单元具体用于：
25.建立机身坐标系oixiyizi，其中，i＝0，1，2，3，4，机身坐标系包括机身棱镜坐标系o0x0y0z0、机身上表面几何中心坐标系o1x1y1z1、悬臂回转轴中心坐标系o2x2y2z2、悬臂俯仰轴中心坐标系o3x3y3z3和截割头底面几何中心坐标系o4x4y4z4；
26.将机身上表面几何中心的坐标、悬臂回转轴中心的坐标、悬臂俯仰轴中心和截割头底面几何中心统一用机身棱镜坐标系表示，即得到截割头在机身坐标系下的坐标。
27.可选地，所述实时位置获取单元还具体用于：
28.建立大地坐标系ogxgygzg，其中，xg轴为东方向，yg轴为北方向，zg轴方向为天方向；
29.将所述截割头在机身坐标系下的坐标转换为在大地坐标系下的坐标。
30.可选地，所述实时位置获取单元还具体用于：
31.建立巷道坐标系o
l
x
lylzl
，其中，x
l
轴指向巷道右侧，y
l
轴指向掘进机前进方向，z
l
轴垂直指向巷道顶板，z
l
轴方向与大地坐标系中zg轴方向平行；
32.将所述截割头在大地坐标系下的坐标转换为在巷道坐标系下的坐标。
33.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
34.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
35.图1是本发明一实施例提出的一种悬臂式掘进机截割头空间定位方法的流程示意图。
36.图2是本发明一实施例提出的悬臂式掘进机截割头空间定位方法巷道布置图示意图。
37.图3是本发明一实施例提出的掘进机截割头的位置坐标变换过程示意图。
38.图4是本发明一实施例提出的掘进机截割头的机身坐标变换过程展开的过程示意图。
39.图5是本发明一实施例提出的掘进机机身坐标系设置的示意图。
40.图6是本发明一实施例提出的掘进机截割头巷道定位原理图。
41.附图标记：
42.1-截割头，2-倾角传感器，3-角度传感器，4-悬臂式掘进机机身，5-惯性导航单元，
6-360度棱镜，7-全站仪，8-第一圆棱镜，9-第二圆棱镜。
具体实施方式
43.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
44.图1是本发明一实施例提出的一种悬臂式掘进机截割头空间定位方法的流程示意图。
45.第一方面，参见图1，图2，本发明实施例提供一种悬臂式掘进机截割头空间定位方法，包括如下步骤：
46.步骤s100，惯性导航单元测量掘进机机身的姿态角。
47.步骤s200，全站仪测量得到360度棱镜的位置坐标，其中，360度棱镜安装在掘进机机身上；
48.步骤s300，根据截割头与掘进机机身的相对位置，获得截割头的实时位置。
49.通过上述步骤，避免现有技术截割头定位受煤矿粉尘、能见度、煤壁吸收等恶劣环境影响，可满足高精度厘米级定位，可靠性、适应性强；另外，该定位方法不改变机身现有机械结构，从传感器部件级提升系统的可靠性。
50.作为一种可能实现的方式，惯性导航单元5安装在悬臂式掘进机机身4上，360度棱镜6安装在悬臂式掘进机机身4的尾部，全站仪7固定在巷道内，高度应当满足掘进机移动过程中对360度棱镜6的通视。
51.本实施例中的悬臂式掘进机的悬臂包括主悬臂和副悬臂，主旋臂和副悬臂铰接，主旋臂的末端安装有截割头1，副悬臂与机身铰接。掘进机安装有倾角传感器2和角度传感器3，其中倾角传感器2用于测量悬臂的俯仰角，角度传感器3用于测量悬臂的回转角。
52.根据截割头与掘进机机身的相对位置，获得截割头的实时位置，可以根据实际的需要来确定。也就是说获得截割头的实时位置的方式有很多种，只要该种方式是通过截割头与掘进机机身的相对位置获得截割头的位置的，都可以不再使用现有技术中在截割头新增传感器的方式进行截割头位置测量，都可以解决现有技术中的问题。
53.在一些实施例中，参照图2、图6，在步骤s200之前，全站仪要确定测站坐标。全站仪7架设在距掘进机后方的一定距离；360度棱镜6安装在掘进机机身4尾部较高位置，保证与全站仪7通视时不被遮挡；第一、第二圆棱镜8、9安装在全站仪后方煤壁上固定，且第一、第二圆棱镜8、9与全站仪7这三者不能在同一直线，应有一定夹角，且保证与全站仪通视时不被遮挡。第一、第二圆棱镜8、9作为两个后方控制点，全站仪通过自动搜索和自动照准第一、第二圆棱镜8、9完成后方交会，确定全站仪的测站坐标。
54.根据截割头与掘进机机身的相对位置，获得截割头的实时位置的方式有多种，在本实施例中提供以下可选的实现方式，参照图3、图4，步骤如下：
55.步骤s301，参照图5，建立机身坐标系oixiyizi，其中，i＝0，1，2，3，4，机身坐标系包括棱镜坐标系o0x0y0z0、机身上表面几何中心坐标系o1x1y1z1、悬臂回转轴中心坐标系
o2x2y2z2、悬臂俯仰轴中心坐标系o3x3y3z3和截割头底面几何中心坐标系o4x4y4z4；
56.将机身上表面几何中心的坐标、悬臂回转轴中心的坐标、悬臂俯仰轴中心和截割头底面几何中心统一用机身棱镜坐标系表示，即得到截割头在机身坐标系下的坐标。
57.具体地，坐标系o1x1y1z1横轴纵轴分别与机身轴线方向一致；回转轴中心在机身轴线上，与机身上表面几何中心之间距离为a，坐标系o2x2y2z2横轴纵轴分别与副悬臂轴线方向一致，并与副悬臂固连；俯仰轴中心在副悬臂轴线上，副悬臂回转轴中心与俯仰轴中心之间距离为b，坐标系o3x3y3z3横轴纵轴分别与悬臂轴线方向一致，并与悬臂固连；俯仰轴中心与截割头底面几何中心之间距离即悬臂长度为c；回转角为α，俯仰角为β，机身360度棱镜与机身上表面几何中心的x方向距离为d，机身360度棱镜与机身上表面几何中心的y方向距离为e。
58.以360度棱镜所在位置为原点建立坐标系o0x0y0z0，则机身上表面几何中心o1在坐标系o0x0y0z0可表示为：
[0059][0060]
回转中心在坐标系o0x0y0z0中可表示为:
[0061][0062]
俯仰中心在坐标系o0x0y0z0可表示为:
[0063][0064]
截割头底面几何中心在坐标系o0x0y0z0可表示为:
[0065][0066]
即可得到截割头在机身坐标系下的坐标。
[0067]
步骤s302，建立大地坐标系ogxgygzg，其中，xg轴为东方向，yg轴为北方向，zg轴方向为天方向；
[0068]
将截割头在机身坐标系下的坐标转换为在大地坐标系下的坐标。
[0069]
具体地，全站仪测得360度棱镜位置坐标为(x
p
,y
p
,z
p
)。设机载惯性导航单元此时输出机身航向为τ，俯仰为υ，横滚为γ，则截割头底面几何中心o4(x4,y4,z4)在大地坐标系中可表示为：
[0070][0071]
其中,
[0072][0073]
步骤s303，建立巷道坐标系o
l
x
lylzl
，其中，x
l
轴指向巷道右侧，y
l
轴指向掘进机前进方向，z
l
轴垂直指向巷道顶板，z
l
轴方向与大地坐标系中zg轴方向平行；
[0074]
将截割头在大地坐标系下的坐标转换为在巷道坐标系下的坐标。
[0075]
建立巷道坐标系o
l
x
lylzl
，设巷道轴线与真北夹角为ψ，与水平面夹角为θ，则截割头底面几何中心o4(x4,y4,z4)在巷道坐标系中可表示为:
[0076][0077]
其中，
[0078][0079]
此时，掘进机机身上表面几何中心o1在巷道坐标系中的位置可表示为:
[0080][0081]
其中，掘进机机身上表面几何中心o1在大地坐标系中的位置可表示为:
[0082][0083]
机身几何中心在机身坐标系下的坐标为(x
o1
,y
o1
,z
o1
)，掘进机机身上表面几何中心o1在机身坐标系中的位置可表示为:
[0084][0085]
以上可以看出，本实施例提供的悬臂式掘进机截割头空间定位方法，可实现截割头在巷道空间坐标系的空间定位，是基于巷道坐标系的绝对坐标，截割头的空间定位基于
机身位置及姿态信息的精确检测，充分考虑了机身姿态对截割头空间位置的影响。掘进机的截割头位置检测，需要机身坐标系、大地坐标系、巷道坐标系三者之间的转换，机身坐标系需要在棱镜、机身几何中心、回转中心、截割臂俯仰中心、截割头等多个连接单元之间转换，最终确定截割头在巷道坐标系下的位置坐标。
[0086]
第二方面，本发明的实施例提供一种悬臂式掘进机截割头空间定位装置，包括惯性导航单元、全站仪和实时位置获取单元。其中，惯性导航单元，用于测量掘进机机身的姿态角；全站仪，用于测量得到360度棱镜的位置坐标，其中，360度棱镜安装在掘进机机身上；实时位置获取单元，用于根据截割头与掘进机机身的相对位置，获得截割头的实时位置。
[0087]
可选地，实时位置获取单元具体用于：
[0088]
建立机身坐标系oixiyizi，其中，i＝0，1，2，3，4，机身坐标系包括机身棱镜坐标系o0x0y0z0、机身上表面几何中心坐标系o1x1y1z1、悬臂回转轴中心坐标系o2x2y2z2、悬臂俯仰轴中心坐标系o3x3y3z3和截割头底面几何中心坐标系o4x4y4z4；
[0089]
将机身上表面几何中心的坐标、悬臂回转轴中心的坐标、悬臂俯仰轴中心和截割头底面几何中心统一用机身棱镜坐标系表示，即得到截割头在机身坐标系下的坐标。
[0090]
实时位置获取单元还具体用于：
[0091]
建立大地坐标系ogxgygzg，其中，xg轴为东方向，yg轴为北方向，zg轴方向为天方向；
[0092]
将截割头在机身坐标系下的坐标转换为在大地坐标系下的坐标。
[0093]
实时位置获取单元还具体用于：
[0094]
建立巷道坐标系o
l
x
lylzl
，其中，x
l
轴指向巷道右侧，y
l
轴指向掘进机前进方向，z
l
轴垂直指向巷道顶板，z
l
轴方向与大地坐标系中zg轴方向平行；
[0095]
将截割头在大地坐标系下的坐标转换为在巷道坐标系下的坐标。
[0096]
需要说明的是，本发明装置实施例提供的上述装置的各个组成单元和部件，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明方法实施例相同，具体内容可以参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
[0097]
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0098]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0099]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0100]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部
分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0101]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0102]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。