一种基于激光标靶定位的掘进机位姿测量装置及其测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种基于激光标靶定位的掘进机位姿测量装置及其测量方法，属于掘进机位姿测量技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种基于激光标靶定位的掘进机位姿测量装置硬件结构及其测量方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：包括设置在掘进机后侧的第一激光发射器和第二激光发射器，掘进机的后侧还固定设置有激光标靶，所述第一激光发射器和第二激光发射器呈固定角度向掘进机后方发射激光线束，所述激光线束打在激光标靶上；所述激光标靶设置方向与掘进机正确的掘进方向垂直；所述掘进机内部设置有掘进机控制器，所述掘进机控制器的信号输出端与第一激光发射器、第二激光发射器相连，所述掘进机控制器通过导线与无线通信模块双向连接；本发明专利技术安装应用于掘进机。

A position and attitude measuring device and its measuring method of roadheader based on laser target positioning

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光标靶定位的掘进机位姿测量装置及其测量方法
本专利技术一种基于激光标靶定位的掘进机位姿测量装置及其测量方法，属于掘进机位姿测量

技术介绍
随着我国国民经济高速发展，各种重大型工程项目建设的不断推进和创新，位姿测量系统在多个领域得到广泛利用，如大型设备的自动对接工程、船舶港口及海洋工程、隧道工程等，掘进机在巷道掘进过程中的定向，对掘进好的巷道方向、坡度具有重要意义。在传统的巷道掘进过程中，为了保证掘进设备的掘进方向，需要准确的跟紧激光指向仪的激光指向进行掘进施工，随着科技的发展，需要采用自动控制方法完成掘进机的自动掘进工作，因而对掘进机的位置和姿态进行监测将是实现掘进机自动控制的核心技术。为了实现掘进机的位姿测量，需要建立起掘进设备自身的位置坐标，有了这个坐标，才有了方向及方向控制，它将使机器有了自身的行进导航。目前工程应用中位姿测量的主要方法有图像视觉法、惯性测量法、棱镜法和激光标靶法，其中激光标靶法使用配合全站仪或激光跟踪仪等仪器的单个激光标靶，可实现对目标物体位姿测量，激光标靶法都是使用光敏器件对激光定向加上倾角仪测角来实现的，但是具体的测量方案差别很大，测量算法也千差万别。目前工程应用较多的激光标靶导向系统有英国ZED自动导向系统，德国VMT导向系统和TACS导向系统，上述导向系统的测量原理都是依靠标靶内置的双轴倾角仪测量目标物体的俯仰角和滚转角，而水平方位角的测量需要在全站仪上额外安装准直激光器，且其轴线与全站仪内置的测距仪轴线要保持平行；在精度方面，国外厂商标称的三个测角精度都在1mrad以内，当测量点距激光标靶4-6m处时，整体导向精度优于10mm，国内开发了基于双轴倾角仪和数字相机的全站仪激光标靶，其标称的整体测量精度可以不超过3mm；但目前国内外生产的导向全站仪激光标靶的体积重量大、使用便捷性差、精度较低，如目前市场应用最广的VMT激光靶重达16kg，体积达430×180×150mm。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于激光标靶定位的掘进机位姿测量装置硬件结构及其测量方法的改进。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于激光标靶定位的掘进机位姿测量装置，包括设置在掘进机后侧的第一激光发射器和第二激光发射器，掘进机的后侧还固定设置有激光标靶，所述第一激光发射器和第二激光发射器呈固定角度向掘进机后方发射激光线束，所述激光线束打在激光标靶上；所述激光标靶设置方向与掘进机正确的掘进方向垂直；所述掘进机内部设置有掘进机控制器，所述掘进机控制器的信号输出端与第一激光发射器、第二激光发射器相连，所述掘进机控制器通过导线与无线通信模块双向连接；所述激光标靶的内部设置有标靶控制器，所述标靶控制器通过导线分别与有线通信模块、数据存储模块双向连接；所述无线通信模块通过无线网络与监控计算机无线连接，所述有线通信模块通过现场通信总线与监控计算机连接。一种基于激光标靶定位的掘进机位姿测量方法，包括如下步骤：步骤一：将掘进机设置在待掘进巷道中，在掘进机机身后侧安装第一激光发射器和第二激光发射器，所述第一激光发射器和第二激光发射器的激光发射角度在水平方向上为固定夹角，发射的激光线束打在设置在掘进机后侧的激光标靶上；步骤二：激光标靶经过矩阵扫描检测到激光信号，通过标靶控制器对激光信号进行图像处理，经过计算得到两个激光点的坐标数据；步骤三：标靶控制器对得到的激光点的坐标数据进一步处理，通过激光标靶数学模型运算得到机身航向角偏移量、巷道中心线偏移量、机身与激光靶垂直距离位姿参数；步骤四：标靶控制器将得到的位姿参数通过有线通信模块上传至监控计算机进行进一步分析处理得出相应的校正参数。所述步骤二中经过标靶控制器矩阵扫描检测激光信号的过程具体为：对激光标靶进行行扫描与列扫描的循环操作，并将扫描信号发送至数据存储模块进行储存；所述步骤二中经过标靶控制器对激光信号进行图像处理的过程具体为：对激光信号进行二值化处理，并通过特征提取操作将其换算为坐标数据，最后将激光点的坐标数据存储在数据存储模块中。所述步骤三中的通过激光标靶数学模型计算得到位姿参数的步骤为：通过激光标靶接收激光发射器发射的激光信号，由标靶控制器换算为该激光信号照射在激光标靶上的坐标数据，计算得出：两个激光发射点在激光靶上相距的距离a，第一激光发射器的激光发射点与激光标靶的距离b，第二激光发射器的激光发射点与激光标靶的距离c，第一激光发射器的激光照射点B与中心线的距离OB；根据上述数据再经过计算得到：航向角∠θ的计算公式为：巷道中心线偏移量x的计算公式为：掘进机机身与激光靶垂直距离y的计算公式为：本专利技术相对于现有技术具备的有益效果为：本专利技术提供的掘进机位姿测量装置结构简单，体积小巧，在安装时仅需要在掘进机机身后部安装两台激光发射器，并在掘进机后部放置专用的激光标靶，通过激光标靶实时接收检测激光发射器发出的激光线束及激光照射点，通过标靶内置的控制器对采集信号进行处理，得出相应的掘进机位姿参数，并将其上传至监控计算机，由监控计算机对数据做进一步处理，得到相应的位姿校正参数。本专利技术提供的位姿测量装置可以有效提高掘进机位姿监测精度，并且不受巷道墙壁平滑度及地形限制，测量误差小。附图说明下面结合附图对本专利技术做进一步说明：图1为本专利技术位姿测量装置的结构示意图；图2为图1的俯视图；图3为本专利技术位姿测量装置的电路结构示意图；图4为本专利技术位姿测量方法步骤二的数据处理流程图；图中：1为第一激光发射器、2为第二激光发射器、3为激光标靶、4为掘进机控制器、5为无线通信模块、6为标靶控制器、7为有线通信模块、8为数据存储模块、9为监控计算机。具体实施方式如图1和图3所示，本专利技术一种基于激光标靶定位的掘进机位姿测量装置，包括设置在掘进机后侧的第一激光发射器(1)和第二激光发射器(2)，掘进机的后侧还固定设置有激光标靶(3)，所述第一激光发射器(1)和第二激光发射器(2)呈固定角度向掘进机后方发射激光线束，所述激光线束打在激光标靶(3)上；所述激光标靶(3)设置方向与掘进机正确的掘进方向垂直；所述掘进机内部设置有掘进机控制器(4)，所述掘进机控制器(4)的信号输出端与第一激光发射器(1)、第二激光发射器(2)相连，所述掘进机控制器(4)通过导线与无线通信模块(5)双向连接；所述激光标靶(3)的内部设置有标靶控制器(6)，所述标靶控制器(6)通过导线分别与有线通信模块(7)、数据存储模块(8)双向连接；所述无线通信模块(5)通过无线网络与监控计算机(9)无线连接，所述有线通信模块(7)通过现场通信总线与监控计算机(9)连接。本专利技术基于激光标靶对激光信号的接收原理，设计了一种掘进机位姿自动测量装置，从而为实现掘进机的自动控制及掘进方向自行校正本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光标靶定位的掘进机位姿测量装置，其特征在于：包括设置在掘进机后侧的第一激光发射器(1)和第二激光发射器(2)，掘进机的后侧还固定设置有激光标靶(3)，所述第一激光发射器(1)和第二激光发射器(2)呈固定角度向掘进机后方发射激光线束，所述激光线束打在激光标靶(3)上；/n所述激光标靶(3)设置方向与掘进机正确的掘进方向垂直；/n所述掘进机内部设置有掘进机控制器(4)，所述掘进机控制器(4)的信号输出端与第一激光发射器(1)、第二激光发射器(2)相连，所述掘进机控制器(4)通过导线与无线通信模块(5)双向连接；/n所述激光标靶(3)的内部设置有标靶控制器(6)，所述标靶控制器(6)通过导线分别与有线通信模块(7)、数据存储模块(8)双向连接；/n所述无线通信模块(5)通过无线网络与监控计算机(9)无线连接，所述有线通信模块(7)通过现场通信总线与监控计算机(9)连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于激光标靶定位的掘进机位姿测量装置，其特征在于：包括设置在掘进机后侧的第一激光发射器(1)和第二激光发射器(2)，掘进机的后侧还固定设置有激光标靶(3)，所述第一激光发射器(1)和第二激光发射器(2)呈固定角度向掘进机后方发射激光线束，所述激光线束打在激光标靶(3)上；
所述激光标靶(3)设置方向与掘进机正确的掘进方向垂直；
所述掘进机内部设置有掘进机控制器(4)，所述掘进机控制器(4)的信号输出端与第一激光发射器(1)、第二激光发射器(2)相连，所述掘进机控制器(4)通过导线与无线通信模块(5)双向连接；
所述激光标靶(3)的内部设置有标靶控制器(6)，所述标靶控制器(6)通过导线分别与有线通信模块(7)、数据存储模块(8)双向连接；
所述无线通信模块(5)通过无线网络与监控计算机(9)无线连接，所述有线通信模块(7)通过现场通信总线与监控计算机(9)连接。


2.一种基于激光标靶定位的掘进机位姿测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：将掘进机设置在待掘进巷道中，在掘进机机身后侧安装第一激光发射器(1)和第二激光发射器(2)，所述第一激光发射器(1)和第二激光发射器(2)的激光发射角度在水平方向上为固定夹角，发射的激光线束打在设置在掘进机后侧的激光标靶(3)上；
步骤二：激光标靶(3)经过矩阵扫描检测到激光信号，通过标靶控制器(6)对激光信号进行图像处理，经过计算得到两个激光点的坐标数据；
步骤三：标靶控制器(6)对得到的激光点的坐标数据进一步处理，通过激光标靶数学...

【专利技术属性】
技术研发人员：李锦上，田洪现，王文林，王春进，王飙，
申请(专利权)人：北京易联创安科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11