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专利名称：掘进机位姿参数测量装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种掘进机领域的煤矿井下做业的掘进机，特别是涉及一种掘进机机身相对巷道中心点的位姿参数的测量装置及其方法。
背景技术：
在掘进机按照对于巷道断面的作用方式可划分为两种全断面掘进机和部分断面掘进机(悬臂式掘进机)，一般由截割部、装载部、行走部、液压系统和电控系统等组成，可实现煤岩的截割、运输、转载，并能自行行走和喷雾除尘，由于其具有掘进速度快，结构紧凑， 工作方式灵活，适应性强等优点，近年来在我国的巷道掘进领域得到了广泛应用。但随着社会的不断发展，要求巷道施工向安全、优质、省力、高效、舒适方向发展， 传统的掘进机虽然可以实现机械化施工，一定程度上满足上述要求，但仍然是手工操作，超挖、欠挖现象严重，司机劳动强度较大，舒适性较差，劳动生产率也低，而且施工质量、施工安全很大程度上取决于人为因素，采掘业属于苦、险、脏行业，因事故而伤亡的人数也较多。 因此加强悬臂式掘进机的自动化功能，将超前探测、自动定位等装置安装在悬臂式掘进机上，可使巷道施工更加安全、优质、省力、高效、舒适。鉴于此，国内外专家学者也做了很多的研究工作，取得了一些成果。公告号为CN201013380Y，授权公告日2008年1月30日，实用新型的名称为“全自动掘进机”，该专利案的设计提出了一种远程控制方式，其通过采用航天导航定位仪，实时检测掘进机在惯性空间的绝对位置坐标，对掘进机和截割头进行实时控制，包含截割头空间位置的检测。该专利虽理论上可行，但由于航天仪器的精密性，易受煤巷井下恶劣环境的影响，具体实施有一定的困难，井下实施不具有实用性。公告号为CN101266134A，授权公告日2008年9月17日，专利名称为“悬臂机头位姿的测量系统及其方法”，该专利案的设计提出了一种悬臂机头位姿测量系统，其通过采用激光机动全站仪测量掘进机位姿。该专利通过激光机动全站仪发射激光到掘进机，经过棱镜反射，再对发射回来的激光信号进行接收，然后要通过无线信号的传输才能到达掘进机内的计算机，一次性地测量掘进机的全部位姿参数。该专利虽然理论上可行，但具有调节难度大、对工作人员要求较高、成本较高等缺点，而且至今还没有成熟的防爆产品，很难在煤矿推广应用。而本发明是在掘进机上进行信号的接收和传输，利用已测得的参数值求得掘进机的位姿参数。公告号为CN1016^807A，授权
公开日2010年1月20日，发明专利名称为“掘进机机身位姿参数测量系统及其方法”，该专利案的设计提出了一种掘进机机身位姿参数测量系统，通过两台线激光发射器及机架、激光标靶，可编程控制器以及两台倾角传感器实现了对掘进机位姿(包括偏向位移、偏向角、俯仰角和滚动角)的测量，但是，其装备需要两台激光发射器，其中一台激光发射器为固定，但另一台为人工安装，扇形光束不易产生，而且倾角传感器测量结果为相对水平面的结果，并不能真实反映掘进机的倾角，同时存在具有调节难度大、对工作人员要求较高、成本较高、激光标靶的安全性难以保证、容易在运行过程中受到损害等缺点。鉴于以上发明的种种缺点，为了实现掘进机的自动截割和掘进，减轻井下工人的劳动强度，实现一种简易定位的方法，本发明人经过不断地研究、设计，终于确定出具有重要实用价值的本发明。

发明内容
在本发明的主要目的在于克服上述掘进机位姿参数测量方法的技术不足，提供一种掘进机机身位姿参数的测量装置和方法，完成对掘进机位姿参数(包括掘进机相对于巷
道中心线的左右偏移Ps.,上下偏移& ,相对于掘进机机身中心的摇摆角α，俯仰角,5,偏
转角 > ,前后偏移属前进方向，不必讨论)的测算。由于本发明只取煤巷掘进机现有的激光指向仪所发射的激光束为基准参考，因此经计算得到的参数可直接确定掘进机的位置和姿态，进而可以确定当前的掘进机与巷道基准的偏差，在掘进机行进过程中对这些参数进行修正便可以实现掘进机行走的智能控制。本发明的目的还在于，在实现掘进机准确定位的基础上，控制截割头进行各个方位的补偿截割实现对截割断面的精确控制，即仿形截割，截割出不同形式(如矩形、梯形、拱形)的巷道断面，为实现无人掘进工作面提供技术参数。因而本发明的目的还在于对掘进机仿形截割提供相关参数。本发明解决技术问题采用的技术方案是一种由激光指向仪1、掘进机水平盖板 2，定位装置3，激光接收光栅4、5，可编程控制器的运算与处理�？�6，回转装置7及其机架 8，回转装置9及其机架10，伺服驱动装置11、12，安全保护罩13、14，清理刷15、16组成的一套测量装置。激光指向仪1由煤矿地测部位安装，按照巷道的设计要求给出掘进方向，是巷道掘进的唯一方向基准，要求其应位于巷道的设计中心。定位装置3焊接于掘进机机身的定位点，要求焊接完成后进行磨削，便于水平盖板安装于其上。机架8与10安装于水平盖板2上，伸出至回转台上部，且位于机身中心，间距力ι如附图2所示，其不影响掘进机回转台工作。回转装置7与9分别固定于机架8与10上，激光接收光栅4与5分别与回转装置7与9相连，初始安装位置分别位于安全保护罩13、14内。其中，激光接收光栅4、5由若干个光敏元件排列组成，如图3所示，每个光敏元件均在安装时标定，且具有感光开关功能，当其接收到激光时，可以将既定电路接通，通过可编程序控制器的处理实现对当前信号的记录。清理毛刷15、16位于安全保护罩内，可以在每次工作后对光敏元件进行清理。其安装与工作过程为 1、安装过程
1. 1将激光接收光栅4、5与可编程序控制器的运算与处理�？�6集成连接，光栅安装于回转装置7、9上，并置于安全保护罩内，同时将运算处理�？�6安装于机身电控箱内。安全保护罩13、14固定于水平盖板固定位置，而回转装置7、9与伺服驱动装置11、12连接，实现转动功能；
1. 2将定位立柱安装于掘进机机身中心，其中中心立柱3-1要求与掘进机机身水平面垂直，且位于双履带前后、左右的正中心，另一定位立柱3-2与掘进机机身水平面垂直，其余3-3、3-4、3-5要求能实现辅助固定即可；
51.3将水平盖板通过定位立柱安装于掘进机机身，此时，整套设备已安装好，如

图1所2、工作过程
2. 1打开激光指向仪，使巷道内部产生测量基准； 2. 2开启可编程序控制器的运算与处理�？椋� 2. 3调整激光接收光栅，使其与掘进机机身平行。2. 4当掘进机完成一次掘进工作后，安全保护罩13打开，开启伺服驱动装置11带动回转装置7，使接收光栅4做旋转运动。当接收光栅上的光敏元件接收到激光信号后，可编程序控制器可控制伺服驱动装置7反向回转，至初始位置停止，然后关闭安全保护罩13， 内部开启清理刷15，对光敏元件进行一次清理。将激光接收光栅接收的光敏元件号和伺服驱动装置的运动信息反馈到可编程序控制器处理�？橹校�计算得到此时通过光栅4记录的
半径。和转角1完成后，于此对称，后一组装置安全保护罩14、回转装置9、激光接收光栅
5、清理刷16完成另一组测量工作，可计算得通过光栅5记录的半径和转角4两组光栅的运动过程通过可编程序控制器实现精确控制。至此，计算掘进机机身位姿所需的参数F1^r2,马』，均已测得。通过计算，便可以得到掘进机机身的五个参数。一种掘进机位姿参数的测量装置及其方法，其还可以通过以下技术方案进一步实现。如前述定位装置3，其除用定位立柱和盖板实现外，还可以用两个水准仪实现，即前后方向、左右方向两个水准仪，记录下当前掘进机机身在两个方位上的偏转，安装回转装置时，两台回转装置的位置均与水准仪测得的初始参数一致，即可实现整套装置的初始定位。一种掘进机位姿参数的测量装置及其方法，其还可以通过以下技术方案进一步实现。如前述激光接收光栅，为了避免其接收时由于机身的过大摆角而造成光敏元件无法接收到光信号，可以设置如图3所示的双排(或立体多排)接收光栅，进而可以保证每次测量均会接收到光信号。一种掘进机位姿参数的测量装置及其方法，其还可以通过以下技术方案进一步实现。如前述的激光指向仪，其设置的激光信号与巷道前进方向完全平行，因而会与水平方向有一定夹角(规定仰角为正，俯角为负)，其可以通过计算出的俯仰角与激光信号与水平面的夹角相加即可得到机身相对水平面的俯仰角。本发明的有益效果是只采用了巷道基准光束和两台光栅(由光敏元件交错构成) 便将掘进机的机身位姿参数确定，省去了倾角传感器，避免了倾角传感器的测量不准确性， 同时可以将光栅装置进行保护和自动清理，防止了对测量装置的损坏。
以下结合附图以实施例具体说明。
图1示本发明结构组成示意图。图2示图1的俯视图。图3示回转装置、驱动装置及激光接收光栅示意图。图4示安全保护罩和清理刷示意图。图51图恥、图5c、图5d、图5e、图5f示本发明数学模型示意图。图中
1 激光指向仪2 水平盖板
3 定位立柱4、5 激光接收光栅
6 可编程序控制器运算处理�？�7、9回转装置 8、10 回转支架11、12 伺服驱动装置
13、14 安全保护罩15、16 清理毛刷
17 掘进机
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的掘进机机身位姿参数测量系统及其方法的具体实施方式
、结构、特征及其功效，详细说明如后。有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式
的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。具体实施方案为
1、掘进机工作之前要由煤矿地测部位安装激光指向仪1，用于确定巷道掘进的唯一基准。2、在掘进机外观盖板与回转油缸间的本体架上安装一整体盖板，其上已经焊接上了铰接点，距离u可暂设为1000mm，安装时要求要与机身平行，如图2所示。然后将光敏元件按顺序安装于安全保护罩内。架设好后，将回转装置7、9与其数字驱动器安装于两侧，实现其运动前提。将限位开关与可编程控制器连接，特别涉及定时器与各光敏元件编号后记录的信息。3、整体运动过程为当掘进机完成一次掘进工作后，安全保护罩10打开，开启回转装置6，使接收光栅做旋转运动，同时计时器4开始工作。当接收光栅上的光敏元件接收到激光信号后，回转装置6反向工作，至初始位置停止，同时关闭安全保护罩，内部开启清理刷12，对光敏元件进行清理。将激光接收光栅接收的光敏元件号和计时器4记录的时间
信号反馈到计算系统中，计算得到此时通过光栅2记录的半径〃 ！和转角1完成后，于此对
称，后一组装置安全保护罩11、回转装置8、激光接收光栅3、计时器5、凊理刷13完成另一
组测量工作，可计算得通过光栅3记录的半径。和转角马。以上运动的极限位置，均安装
限位开关，而且光电元件也具有开关功能，而运动的顺序实现由可编程序控制器控制实现， 从而可以做到有序、无误。4、运算方法
如图5所示各图，描述了在各种特殊位置的掘进机位姿，而每一种位姿均由一个4x4的位姿矩阵表示，将用已测得的参数表示的各矩阵相乘，得到当前位姿矩阵为，由与未知参数表示的位姿矩阵相等，即可解得如前所述的掘进机机身位姿的五个参数。
权利要求
1.一种掘进机机身位姿参数测量装置，包括有掘进机(17)及煤巷内已装有的激光指向仪(1)，其特征在于还包括激光接收光栅(4)、(5)，可编程控制器的运算与处理�？� (6)，回转装置(7)及其机架(8)，回转装置(9)及其机架(10)，伺服驱动装置(11)、(12)，其中------激光指向仪(1)，是由煤矿地测部位安装，按照巷道设计要求给出掘进方向指向，是巷道掘进唯一的方向基准，也是本测量方法的参照基准，其可安装于巷道顶部悬挂， 亦可安装于巷道地面，如附图1所示；------激光接收光栅(4)、(5)，是由可感应激光信号的光敏元件组成，感应信号可用于控制伺服驱动装置的正反方向转动；------定位系统(2、3)，可以实现整套装置相对于掘进机机身的位置定位；------可编程控制器的运算与处理�？�(6)；------回转装置(7)、(9)及其机架(8)、(10)，激光接收光栅安装于回转装置内，可以随回转装置转动，回转装置安装于其机架上，机架固定于掘进机机身；------伺服驱动装置(11)、(12)，与回转装置连接，驱动回转装置转动，并能实现精确停止与记录功能；------安全保护罩(13)、(14)，其在光栅工作过程中打开，其余时间封闭，起到保护光敏元件的作用；------清理毛刷(15)、( 16)，在光敏元件每工作一个周期后，完成一次清理工作，保证工作装置的可靠性。
2.根据权利要求1所述的掘进机位姿参数测量装置，其特征在于其中所述的激光指向仪(1)发射线光束，而运动的激光接收光栅与打到光敏元件上的光束产生光电开关效应，然后反向回转至初始位置。
3.根据权利要求1所述的掘进机位姿参数测量装置，其特征在于每次激光接收光栅完成一次运动，均会由计数(或计时)元件记录下本次感光元件的位置和角度信息，为计算位姿参数提供数据。
4.根据权利要求1所述的掘进机位姿参数测量装置，其特征在于由伺服驱动装置带动回转装置运动，能实现精确启停。
5.根据权利要求1所述的掘进机位姿参数测量装置，其特征在于每一个动作的执行和参数的计算均由可编程控制器实现。
6.根据权利要求1所述的掘进机位姿参数测量装置，其特征在于可以实现对光敏元件的保护和清理。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的掘进机位姿参数测量装置，其特征在于计算出的参数值是相对于当前巷道平行的方向的，当巷道相对于水平方向有一定得倾角或需要计算机身中心的高度时，可以用巷道相对水平面的位置与测算的参数值进行加减即可。
8.一种用权利要求1所述的掘进机机身位姿参数测量装置，其特征在于包括1)安装激光指向仪，给定巷道基准参考线；2)启动安全保护罩(13)，启动伺服驱动装置(11)，使回转装置(7)运动；3)当光栅(4)上其中一个光敏元件产生光电效应时，可编程序控制器，记录当前的半径和转角信息，并控制驱动装置回转至初始位置；4)关闭安全保护罩(13)，启动清理毛刷(15);5)启动安全保护罩(14)，启动伺服驱动装置(12)，使回转装置(9)运动；6)当光栅(5)上其中一个光敏元件产生光电效应时，可编程序控制器记录当前的半径和转角信息，并控制驱动装置回转至初始位置；7)关闭安全保护罩(14)，启动清理毛刷(16)；8)通过计算，即可得到掘进机机身位姿的五个参数(包括掘进机相对于巷道中心线的左右偏移上下偏移&,相对于掘进机机身中心的摇摆角a,俯仰角偏转角·ο。
全文摘要
本发明涉及一种掘进机机身的位姿参数的测量装置及其方法。由激光指向仪、掘进机水平盖板、定位装置、激光接收光栅、可编程控制器、回转装置及其机架、伺服驱动装置、安全保护罩、清理刷等组成。激光指向仪指示出当前的巷道基准。工作时，由伺服驱动装置带动两个激光接收光栅先后做回转运动，当接收到激光指向仪发射的激光束时，记录下两组转角和两组距离，并返回初始位置。而两个光栅间的距离固定为，通过运算便可得到掘进机机身的五个参数掘进机相对于巷道中心线的左右偏移，上下偏移，相对于掘进机机身中心的摇摆角，俯仰角，偏转角。该套装置安装简单，成本低廉，精度高，可提供掘进机仿形截割的位姿参数。
文档编号G01C15/00GK102589514SQ20111000806
公开日2012年7月18日 申请日期2011年1月15日 优先权日2011年1月15日
发明者宋宝新, 常胜, 徐洋, 毛君, 谢苗, 陈洪月, 齐宏亮 申请人:毛君, 谢苗, 齐宏亮