掘进机机身位姿参数测量系统及其方法 【技术领域】
本发明涉及一种掘进机领域的煤矿井下作业的掘进机，特别是涉及一种掘进机机身位姿参数测量系统及其方法。
背景技术
巷道掘进机是一种能够实现截割，装载运输、转载煤岩并可调动行走，喷雾除尘的联合机组，悬臂式巷道掘进机目前在国内外的煤岩掘进机中得到广泛应用。
然而，掘进司机在遵循煤巷一定截割工艺流程的基础上，主要通过手柄对掘进机进行手动操作，随机性较大。虽然在截割中有矿用防爆型激光指向仪对掘进方向起指导作用，有利于施工质量的提高。但由于工作环境恶劣(瓦斯浓度高、粉尘大、黑暗等)、安全性低；工作条件制约掘进机座椅较低且离截割头较远，造成截割过程中司机视野有限看不清前方具体截割情况，掘进机出现运行位姿误差时不能及时有效调整，容易出现超挖，欠挖现象，为此在实际工作中还配备有相应人员对前方截割情况进行反馈，但效果不佳，断面截割不规整。而且，巷道空间狭窄，光线昏暗，底板浮煤堆积，地面松软起伏，机身周围又存有大量其他机电设备。在这种工况中，手动调整机身位姿也绝非易事。在缺乏自动调整手段的情况下，手动调整不仅过程繁琐，且无法保证调后的位姿精度，最终将导致巷道断面截割误差进一步加大。
巷道掘进机的使用对于人们而言，具有息息相关与密不可分的关系，为了改进上述巷道掘进机的缺点，一些测量掘进机位姿的方法陆续被提出：
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。而本发明是在掘进机上进行信号的接收和传输，对各位姿参数分别进行了测量。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。
鉴于以上发明的种种缺陷，为了实现掘进机的自动截割和掘进，减轻煤矿工人劳动强度，并保证掘进煤巷的掘进质量，本发明人经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
【发明内容】
本发明的主要目的在于，克服现有的掘进机机身位姿参数测量系统存在的缺陷，而提出一种掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，完成掘进机机身位姿参数(包括偏向位移、偏向角、俯仰角和滚动角)的测量，彻底解决长期以来煤巷掘进缺乏掘进机机身位姿参数专门测量装置的问题。由于该装置可与煤巷掘进现有的激光指向仪建立直接联系，使掘进机机身位姿参数测量具有明确的绝对测量基准，因此获得的位姿参数不经变换即可完全确定掘进机在空间绝对坐标系的位置和姿态，与煤巷设计参数相比较即可直接确定掘进机机身位姿参数误差。在煤巷掘进过程中对这些位姿误差不断修正即可获得符合煤巷设计参数的高质量的巷道。
本发明的主要目的还在于，提供一种掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，由于可进行掘进机机身位姿的实时测量，因而是掘进机自动掘进截割、掘进机地面远程控制的基础，最终达到无人工作面的目的。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。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，包括激光指向仪、线激光发射器、线激光发射器机架、激光标靶、可编程计算机控制器A/D转换模块A及A/D转换模块B、倾角传感器A和倾角传感器B。其中，线激光发射器按照激光指向仪的指向进行定位，其具体位置由线激光器机架调节确定，发出扇形激光束，以在掘进机机身上形成线形光斑。由光敏元件组成的两个激光标靶平行安装在掘进机机身已知位置上，在任意时刻，两个激光标靶上分别有一个位置的光敏元件感应激光束并产生电流信号，电流信号经过激光标靶内部电路处理，通过A/D转换模块B传入可编程计算机控制器，经过处理和计算，可以确定激光束在激光标靶上的位置，而激光标靶在掘进机上的安装位置已知，从而得到掘进机的偏向角和偏向位移。倾角传感器A和倾角传感器B安装在掘进机后机架内，分别测量掘进机的俯仰角和滚动角。这样，就完成了掘进机的机身位姿参数测量。
前述地掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，其中所述的可编程计算机控制器，A/D转换模块A及A/D转换模块B安装在掘进机电控箱内。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，其中所述的线激光发射器是由激光指向仪定位。激光指向仪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。线激光发射器利用激光指向仪发射的激光光束，使激光光束完全穿过设置在线激光发射器上的两个小孔，从而确定自身的位置。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，其中所述的利用激光指向仪对线激光发射器定位，该方法在于安装在煤巷内已装有的激光指向仪前方3到4米处的巷道顶板上的线激光发射器机架可以调节线激光发射器的位置，使其灵活地进行上下、左右、俯仰和旋转运动，以达到可以使激光指向仪的激光束很容易的穿过线激光发射器上的两个小孔，从而完成对线激光发射器的定位。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，其中所述的线激光发射器可以发射扇形激光束，扇形激光束与地面垂直且与激光指向仪的激光光束平行，以在掘进机机身上形成线形光斑。激光束有效照明距离为大于30米，小于130米，即光照死角为30米。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，其中所述的激光标靶设置在掘进机机身上，两台激光标靶相互平行，且都垂直于机身中线。在任意时刻，两个激光标靶上分别有一个位置的光敏元件感应激光束并产生电流信号，电流信号经过激光标靶内部电路处理，通过A/D转换模块B传入可编程计算机控制器，经过处理和计算，可以确定激光束在激光标靶上的位置，而激光标靶在掘进机上的安装位置已知，从而得到掘进机的偏向角和偏向位移。本系统对掘进机偏向角和偏向位移的分辨误差分别小于0.1度和5厘米。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，其中所述的激光标靶对激光束有良好的识别能力，不受其它光线的影响。光敏元件具有开关的功能，当光强小于某个值时，光敏元件不感应产生电流，此时处于关闭状态；当光强大于这个值时，光敏元件感应产生电流，并随着光强的增大，电流增大，当电流增大到某个值时就会保持这个值而不再增大，在这个过程中，光敏元件为打开状态。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，其中所述的掘进机的初始位置设为两个激光标靶的中点在巷道中线上，当线激光发射器发射的激光束相对巷道中线偏移一定距离时，则可通过修改可编程计算机控制器程序中的参数，把偏移的距离反映到程序中，从而不影响掘进机偏向位移的测量。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，其中所述的倾角传感器A和倾角传感器B安装在掘进机后机架内，他们测得的数据经A/D转换模块A传入可编程计算机控制器，分别得到掘进机的俯仰角和滚动角。其中，倾角传感器A的角度测量方向应设定为与机身中线平行的方向，该传感器的输出信号反映机身平面与水平面在机身纵方向上的绝对夹角；倾角传感器B的角度测量方向设定为与机身中线垂直的方向，该传感器的输出信号反映机身平面与水平面在机身横向上的绝对夹角。煤矿地测部门可以提供当前巷道底板的纵向水平倾角值、横向水平倾角值。将倾角传感器A的角度读数，与当前巷道底板的纵向倾角相减，即可获得机身平面与当前巷道底板平面纵向之间的夹角值，此数值即是机身俯仰角；将倾角传感器B的角度读数，与当前巷道底板的横向倾角相减，即可获得机身平面与当前巷道底板平面横向之间的夹角值，此数值即是机身滚动角。机身俯仰角和滚动角的分辨误差小于0.1度。
本发明掘进机机身位姿自动测量系统及其方法与现有技术相比，具有明显的优点与有益效果。借由上述技术方案，本发明提供的掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
(1)本发明利用线激光发射器、激光标靶、信号传输线路和可编程计算机控制器替代了传统的人工目测的方式，测量过程自动化水平明显提高，并且可以实时的检测掘进机的机身位姿参数，即具有实时性。
(2)本发明掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，掘进机自动掘进截割、掘进机地面远程控制的基础为掘进机自动纠正位姿偏差进而实现掘进机的自动控制提供了必备的技术条件，解决掘进机司机目测掘进机位姿的定位不准确，超挖和欠挖现象严重，控制精度低的问题，降低了劳动强度，提高了巷道成形质量和掘进速度，为煤矿巷道施工舒适和安全提供了保障。
(3)本发明掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，利用由并排光敏元件组成的激光标靶，每个光敏元件传出的信号承载了一个坐标点信息，信号由计算机处理得出掘进机的机身位姿信息。这种方法具有精度高的优点，掘进机偏向角和偏向位移的分误差分别小于0.1度和5厘米。
(4)本发明掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，线激光发射器机架可以使线激光发射器灵活地进行上下、左右、俯仰和旋转运动，安装和调节操作简单快捷。
(5)本发明掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，相关设备器材简单实用，使得该系统成本较低。
综上所述，本发明特殊结构的掘进机机身位姿参数测量系统，目的在于提出一种新的掘进机机身位姿参数测量方法及其系统，彻底解决掘进机机身位姿参数(包括偏向位移、偏向角、俯仰角和滚动角)的实时测量问题，奠定掘进机自动掘进截割、掘进机地面远程控制的基础，最终达到无人工作面的目的。该系统适于煤巷掘进实用，且具有产业上的利用价值。其具有上述诸多的优点及实用价值，其测量原理和结构设计未见公开发表或使用而确属创新，在煤巷掘进测量技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，与已经公开的相近专利在其测量原理和结构上有很大的不同，且具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
【附图说明】
图1是本发明系统图
图2是本发明结构组成示意图
图3是本发明激光标靶示意图
图4是本发明系统结构组成俯视示意图
图5是本发明数学模型示意图
图6是本发明相关掘进机各机身位姿参数示意图
图中：
1：激光指向仪 2：线激光发射器
3：激光标靶 4：线激光发射器机架
5：可编程计算机控制器 6：掘进机
7：A/D转换模块A 8：倾角传感器A
9：倾角传感器B 10：A/D转换模块B
11：电控箱 12：掘进机后机架
【具体实施方式】
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。
本发明较佳实施例的掘进机机身位姿参数测量系统及其方法，如图1、图2、图3、图4所示，由激光指向仪1、线激光发射器2、激光标靶3、A/D转换模块B 10、可编程计算机控制器5、掘进机6、A/D转换模块A 7、倾角传感器A 8、倾角传感器B9、线激光发射器机架4、电控箱11和掘进机后机架12组成。其中，
在煤巷内已有的激光指向仪1前方三至四米处的巷道顶板上，安装线激光发射器机架4，线激光发射器2安装在光发射器机架4上，线激光发射器2上有两孔。
两台激光标靶3安装在掘进机6机身已知位置上，它们相互平行且都垂直于机身中线。激光标靶3由一排并列的光敏元件组成。
可编程计算机控制器5和A/D转换模块A 7、A/D转换模块B10模块安装在掘进机电控箱12内。
倾角传感器A 8和倾角传感器B 9安装在掘进机后机架12内。
所述的掘进机6的初始位置设为两个激光标靶3的中点在巷道中线上，测量线激光发射器2发射的激光束与巷道中线的偏移距离，设置可编程计算机程序中的初始参数。当线激光发射器2发射的激光束相对巷道中线偏移一定距离时，则可通过修改可编程计算机控制器程序中的参数，把偏移的距离反映到程序中，从而不影响掘进机偏向位移的测量。
所述的激光指向仪1是定位线激光发射器2的。该激光指向仪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，可以用来作为线激光发射器2的基准。根据煤巷内已有的激光指向仪1的指示方向，通过手动调节线激光发射器机架4，线激光发射器2在线激光发射器机架4上做上下、左右、俯仰和旋转运动，利用激光指向仪1发射的激光光束，让该激光光束完全穿过设置在线激光发射器2上的两个小孔，完成了对线激光发射器2的定位。
所述的线激光发射器2发射扇形激光束，该扇形激光面与地面垂直且与激光指向仪1的激光平行，激光束在掘进机机身上形成线形光斑。该激光束有效照明距离为100米(大于30米，小于130米，即光照死角为30米)。
如图3所示，所述的两台激光标靶3，在任意时刻，该两个激光标靶3上分别有一个位置的光敏元件感应激光束并产生电流信号，该电流信号经过激光标靶3内部电路处理，通过A/D转换模块B10传入可编程计算机控制器5，经过处理和计算，可以确定激光束在激光标靶3上的位置，而激光标靶3在掘进机上的安装位置已知，从而得到掘进机6的偏向角和偏向位移。本系统对掘进机偏向角和偏向位移的分辨误差分别小于0.1度和5厘米。如图5所示，其中：
O点——掘进机机身中点；
O1点——第一个激光标靶的中点；
O2点——第二个激光标靶的中点；
P1点——扫描激光束在第一个激光标靶上的落点；
P2点——扫描激光束在第二个激光标靶上的落点；
H点——机身中点O向指向激光面引垂线的垂足；
OA——与两个激光标靶平行，A点在指向激光面上；
L——线激光发射器的安装位置偏离巷道中线的距离大小(如果线激光发射器正好位于巷道正中，那么L＝0)
利用图5对机身的偏向角、偏向位移进行计算，可得到如下结果：
α=arctan|O1P1|-|O2P2||O1O2|,(-π2<α<π2)]]>
(a)
注：若计算结果为正，表明：俯视时，机身逆时针方向偏转。反之，表明机身顺时针方向旋转。
A=|O1P1|g|OO2|+|O2P2|g|OO1|2|O1O2|gcosα-L]]>
(b)
注：若计算结果为正，表明：俯视时，机身中心点向巷道左帮平移。反之，表明向巷道右帮平移
利用公式(a)、(b)，即可获知机身偏向角α、机身偏向位移A两个参数。
两个倾角传感器安装在掘进机的后机架12内，倾角传感器A8的角度测量方向设定为与机身中线平行的方向，该传感器的输出信号，反映机身平面与水平面在机身纵方向上的绝对夹角；倾角传感器B9的角度测量方向设定为与机身中线垂直的方向，该传感器的输出信号反映机身平面与水平面在机身横向上的绝对夹角。
如图6a、6b、6c、6d所示，煤矿地测部门可以提供当前巷道底板的纵向水平倾角值、横向水平倾角值。将倾角传感器A的角度读数，与当前巷道底板的纵向倾角相减，即可获得机身平面与当前巷道底板平面纵向之间的夹角值，此数值即是机身俯仰角；将倾角传感器B的角度读数，与当前巷道底板的横向倾角相减，即可获得机身平面与当前巷道底板平面横向之间的夹角值，此数值即是机身滚动角。
两个倾角传感器测得的数据经过电控箱11中的A/D转换模块A7传入可编程计算机控制器5，得到掘进机6的俯仰角和滚动角。这样，就完成了掘进机机身位姿参数的测量。
所述的激光标靶3对激光束有良好的识别能力，不受其它光线的影响。这是因为激光标靶3的光敏元件具有开关的功能，当光强小于某个值时，光敏元件不感应产生电流，此时处于关闭状态；当光强大于这个值时，光敏元件感应产生电流，并随着光强的增大，电流增大，当电流增大到某个值时就会保持这个值而不再增大，在这个过程中，光敏元件为打开状态。
掘进机机身位姿参数测量系统及其方法的实施步骤为：
(1)固定线激光发射器机架4，调节机架使激光指向仪1激
光束通过线激光发射器2上两孔。
(2)启动线激光发射器2，线激光发射器2发射扇形激光束到掘进机6上的激光标靶3上。
(3)激光标靶3上两个光敏元件感应激光，产生电流信号传入激光标靶3内处理电路和A/D转换模块B10。
(4)掘进机后机架12内安装的两个倾角传感器分别测量掘进机机身俯仰角和滚动角。
(5)掘进机电控箱11内A/D转换模块B10的数据和A/D转换模块A7数据传送给可编程计算机控制器5。
(6)可编程计算机控制器5利用公式(a)和公式(b)计算出掘进机的偏移距离和偏向角度，再根据A/D转换模块A7的数据即可得到掘进机的机身位姿参数。
上述如此结构构成的本发明掘进机机身位姿参数测量系统及其方法的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。
如上所述是本发明的基本构思。但是，在本发明的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本发明的其他可操作的实施例进行改进。在本发明中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。