本发明涉及综合机械化掘进机（综掘机）控制技术领域，具体涉及一种综掘机械装备的自动导航控制系统及控制方法。
背景技术：
当前煤矿井下掘进工作面的综掘机位置和位姿测定工作，仅利用激光指向仪为综掘机在掘进过程中提供指向辅助，综掘机机身的具体位姿仍需通过人工来加以判断，无法实现综掘机位姿的自动导航控制，更无法实现对综掘机炮头边界（x、y方向，如图1所示）的精确控制。整个掘进控制过程为人工、开环控制，无法实现综掘机掘进边界、机身和炮头位姿的自动控制。这不仅严重地影响井下工作面的掘进准确性，而且掘进的效率、安全性也无法得到保证。因此，有必要设计一种综掘机械装备自动导航控制系统，以实现综掘机自身及其炮头位姿的自动监测与闭环控制。
技术实现要素：
本发明为解决当前煤矿井下掘进工作面的综掘机位置和位姿测定工作中，机身的具体位姿仍需通过人工来加以判断，无法实现综掘机掘进边界、机身和炮头位姿的自动控制的技术问题，提供一种综掘机械装备的自动导航控制系统及控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种综掘机械装备的自动导航控制系统，包括固定于综掘机机身之上的imu惯性测量单元和里程计、安装于掘进机的机身内的自动导航控制系统计算机、设置在综掘机内部的综掘机机身和炮头控制油路、设置在综掘机驾驶位左侧的综掘机报警系统；
imu惯性测量单元和里程计、自动导航控制系统计算机及综掘机机身和炮头控制油路为输出部件，imu惯性测量单元和里程计检测综掘机机身的位姿实时数据，综掘机机身和炮头控制油路发出的控制指令，均与自动导航控制系统计算机保持实时通讯；imu惯性测量单元和里程计同样也是输入部件，监测综掘机机身的位姿变化信号，自动导航控制系统计算机为自动导航控制系统中间部分，负责接受imu惯性测量单元和里程计发出的信号，并与综掘机机身和炮头的控制油路和综掘机报警系统保持通讯联系，形成闭环控制系统。
本发明综掘机械装备的自动导航控制系统各部分的功能作用为：
imu惯性测量单元，包含三个激光陀螺仪和三个加速度计，使用综掘机电源，主要用于测量综掘机位姿信息。
里程计，具备防爆和无线通讯功能，主要用于测量综掘机位置信息。
自动导航控制系统计算机，用于运行自动导航控制系统软件，安装于掘进机的机身内（封装、预留数据输入、存储与输出接口-sub接口），具备防爆和无线通讯功能。
综掘机机身和炮头控制油路，负责控制炮头的各种截割动作。
综掘机报警系统，负责接收自动导航控制系统计算机发出的报警指令，能够发出灯光、声音信号。
所述综掘机械装备的自动导航控制系统的控制方法包括以下步骤：
首先，向自动导航控制系统计算机导入预设的巷道掘进轨迹，确定测量基准点，并以该点为基准，调整综掘机的初始姿态，以保证机身、炮头纵轴方向中心线与设计掘进轨迹的中心线基本重合于一条直线；
然后，imu惯性测量单元和里程计接受数据,获取综掘机及其炮头的实时位置、位姿信息、并将信号发送至自动导航控制系统计算机；
最后，自动导航控制系统计算机将实时掘进轨迹在控制软件中计算,并以数字和图形的形式显示在计算机的屏幕上，自动导航控制系统的控制软件中包含综掘机机身位姿的误差计算与补偿模块，补偿模块在综掘机机身位姿误差累计到一定值时，通过控制软件中包含的imu惯性测量单元和里程计的数学模型，计算相应的误差补偿量，对综掘机机身和炮头位姿进行相应的调整控制；
同时自动导航控制系统计算机实时地监测综掘机炮头的截割角度，进行炮头的边界控制：
当炮头接近设计的煤壁截割边界时，自动导航控制系统计算机向综掘机报警系统发出信号，综掘机报警系统发出灯光和声音报警；
当炮头越界截割时，自动导航控制系统计算机向综掘机机身和炮头控制油路发出信号，其控制油路自动锁死，并进行相应地回调，保证煤壁的截割整齐。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
本发明的自动导航控制系统及其控制方法可自动确定综掘机的位置、位姿、掘进距离和轨迹，并能实时地监测综掘机炮头的截割角度，与综掘工作面的设计轨迹进行对比，对综掘机机身位姿、炮头的截割边界进行自动控制，保证掘进轨迹与煤壁的截割整齐，当炮头接近设计的煤壁截割边界时，综掘机报警系统发出不同级别的灯光、声音报警；当综掘机机身偏离设计轨迹或炮头越界截割时，其控制油路自动锁死，并进行相应地回调控制。
本发明保证了综掘机工作的准确性，提高了生产效率，降低了工人的劳动强度，适用于各种井下掘进工作面的掘进工作，能使煤矿企业获得更大的经济效益，同时推动煤矿井下的自动化设备升级。本发明采用模块化设计思想，可适用于不同掘进要求的掘进工作面，并采用无线信号传输，计算机信号处理，实时性好、精度高、噪音低，能够实现精密控制，易于升级。
附图说明
图1为发明综掘机械装备的自动导航控制系统的结构示意图。
图2为综掘机掘进边界示意图。
图中标记如下：
1-imu惯性测量单元，2-里程计，3-自动导航控制系统计算机，4-综掘机机身和炮头控制油路，5-综掘机报警系统，6-基准点,7-掘进面，8-煤层。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种综掘机械装备的自动导航控制系统，包括固定于综掘机机身之上的imu惯性测量单元1和里程计2、安装于掘进机的机身内的自动导航控制系统计算机3、设置在综掘机内部的综掘机机身和炮头控制油路4、设置在综掘机驾驶位左侧的综掘机报警系统5；
imu惯性测量单元1和里程计2、自动导航控制系统计算机3及综掘机机身和炮头控制油路4为输出部件，imu惯性测量单元1和里程计2检测综掘机机身的位姿实时数据，综掘机机身和炮头控制油路4发出的控制指令，均与自动导航控制系统计算机3保持实时通讯；imu惯性测量单元1和里程计2同样也是输入部件，监测综掘机机身的位姿变化信号，自动导航控制系统计算机3为自动导航控制系统中间部分，负责接受imu惯性测量单元1和里程计2发出的信号，并与综掘机机身和炮头的控制油路4和综掘机报警系统5保持通讯联系，形成闭环控制系统。
所述的综掘机械装备的自动导航控制系统的控制方法，包括以下步骤：
首先，向自动导航控制系统计算机3导入预设的巷道掘进轨迹，确定测量基准点，并以该点为基准，调整综掘机的初始姿态，以保证机身、炮头纵轴方向中心线与设计掘进轨迹的中心线基本重合于一条直线（机身、炮头纵轴方向中心线与设计掘进轨迹的中心线基本重合于一条直线l，如图2所示）；
然后，imu惯性测量单元1和里程计2接受数据,获取综掘机及其炮头的实时位置、位姿信息、并将信号发送至自动导航控制系统计算机3；
最后，自动导航控制系统计算机3将实时掘进轨迹在控制软件中计算,并以数字和图形的形式显示在计算机的屏幕上，自动导航控制系统的控制软件中包含综掘机机身位姿的误差计算与补偿模块，补偿模块在综掘机机身位姿误差累计到一定值时，通过控制软件中包含的imu惯性测量单元1和里程计2的数学模型，计算相应的误差补偿量，对综掘机机身和炮头位姿进行相应的调整控制；
同时自动导航控制系统计算机3实时地监测综掘机炮头的截割角度，进行炮头的边界控制，进行炮头的边界控制（如图2中的x、y方向）：
当炮头接近设计的煤壁截割边界（如图2中l1、l2所示）时，自动导航控制系统计算机3向综掘机报警系统5发出信号，综掘机报警系统5发出灯光和声音报警；
当炮头越界截割时，自动导航控制系统计算机3向综掘机机身和炮头控制油路4发出信号，其控制油路自动锁死，并进行相应地回调（保护煤壁边界），使得综掘机炮头的x、y平面截割范围始终不超过x1~x2区间（如图2所示），保证煤壁的截割整齐。
控制系统采用闭环控制，主要由自动导航控制系统软件构成，它是整个系统的核心,从imu惯性测量单元1和里程计2接受数据,获取综掘机及其炮头的实时位置、位姿信息、实时掘进轨迹在该软件中计算,并以数字和图形的形式显示在计算机的屏幕上。自动导航控制系统软件中包含综掘机机身位姿的误差计算与补偿模块，该模块在综掘机机身位姿误差累计到一定值时，通过控制软件中包含的各惯性仪表（imu惯性测量单元1和里程计2中）数学模型，计算相应的误差补偿量，对综掘机机身和炮头位姿进行相应的调整控制。操作系统采用windows系统,确保用户操作简便。控制系统的输出部分包括：imu和里程计、计算机；输入部分包括：imu和里程计、计算机。