一种基于水平移动标靶的掘进机位姿数据测量系统及其测量方法技术方案

本发明专利技术一种基于水平移动标靶的掘进机位姿数据测量系统及其测量方法，属于掘进机位姿数据测量技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种基于水平移动标靶的掘进机位姿数据测量系统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：包括掘进机和活动设置在掘进巷道顶板上的激光指向仪，激光指向仪设置在掘进机的后侧，掘进机的机身上侧平行设置有一对水平移动标靶，水平移动标靶包括检测靶，检测靶通过靶座滑块设置在由步进电机驱动的滑轨上，两个水平移动标靶的滑轨相互平行设置在掘进机机身上侧，步进电机设置在掘进机机身侧壁上；掘进机的内部还设置有控制电路板和倾角传感器；本发明专利技术应用于掘进机位姿数据测量场所。

A data measurement system and method of heading machine position and attitude based on horizontal moving target

【技术实现步骤摘要】
一种基于水平移动标靶的掘进机位姿数据测量系统及其测量方法
本专利技术一种基于水平移动标靶的掘进机位姿数据测量系统及其测量方法，属于掘进机位姿数据测量

技术介绍
掘进机是一种能够实现截割、装载运输功能的联合机组，目前煤岩掘进场所中使用的是悬臂式巷道掘进机；在使用过程中，掘进机的定向对掘进巷道方向、坡度具有重要意义。在传统的巷道掘进过程中，为了保持掘进设备始终处于正确的掘进方向，需要掘进机司机人工随时观察，准确跟随激光指向仪的激光指向点进行掘进施工；随着矿山巷道掘进工程质量和效率要求的提高，对掘进机的自动化掘进工作提出需求，迫切需要采用自动控制方法完成掘进机的掘进工作，以降低现场工人的工作强度，提高掘进效率。掘进机位姿自动测量是实现掘进机自动控制的前提，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，才有了掘进方向及掘进方向的控制，使掘进机具备自动掘进功能；现有的测量装置和测量方法由于受到掘进工作地形复杂、环境恶劣等因素影响，导致测量装置结构复杂，测量精度低，在利用惯性导航技术使用中，长时间工作会存在累计误差、漂移等无法避免的缺陷，且对于高震动场合更是难以保证准确度。
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：提供一种基于水平移动标靶的掘进机位姿数据测量系统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：一种基于水平移动标靶的掘进机位姿数据测量系统，包括掘进机和活动设置在掘进巷道顶板上的激光指向仪，所述激光指向仪设置在掘进机的后侧，所述掘进机的机身上侧平行设置有一对水平移动标靶，所述水平移动标靶包括检测靶，所述检测靶通过靶座滑块设置在由步进电机驱动的滑轨上，所述两个水平移动标靶的滑轨相互平行设置在掘进机机身上侧，所述步进电机设置在掘进机机身侧壁上；所述掘进机的内部还设置有控制电路板和倾角传感器，所述控制电路板上集成有微控制器；所述水平移动标靶用于接收激光指向仪发出的激光束，所述检测靶具体为由光敏二极管组成的激光捕获电路板；所述微控制器通过导线与检测靶的信号输出端相连；所述微控制器通过导线与步进电机、倾角传感器相连；所述微控制器还通过导线连接有数据存储模块；所述微控制器的电源输入端与电源模块相连。所述微控制器使用的芯片为控制芯片U1，所述微控制器的电路结构为：所述控制芯片U1的1脚、9脚、24脚、36脚、48脚接3.3V输入电源；所述控制芯片U1的2脚、3脚、38脚、39脚、45脚、46脚与步进电机的控制端相连；所述控制芯片U1的4脚串接电阻R61和二极管LED1后接地；所述控制芯片U1的5脚并接晶振XT1的一端后与电容C16的一端相连；所述控制芯片U1的6脚并接晶振XT1的另一端后与电容C17的另一端相连，所述电容C17的另一端并接电容C16的另一端、电容C14的一端后接地；所述电容C14的另一端并接电阻R59的一端、控制开关SW1的一端后与控制芯片U1的7脚相连；所述电阻R59的另一端接3.3V输入电源，所述控制开关SW1的另一端接地；所述控制芯片U1的10脚至22脚通过多路复用器与检测靶的信号输出端相连；所述控制芯片U1的25脚至28脚与数据存储模块相连；所述控制芯片U1的29脚、30脚、31脚通过485收发器与步进电机的信号输出端相连；所述控制芯片U1的34脚、37脚与倾角传感器的信号输出端相连。所述控制芯片U1的型号为STM32F103CBU6；所述多路复用器内部使用的芯片型号为74HC4051；所述485收发器的型号为MAX3485；所述数据存储模块内部使用的芯片型号为74HC595；所述电源模块内部使用的芯片型号为配电开关TPS2552和稳压器RT9013。一种基于水平移动标靶的掘进机位姿数据测量方法，包括如下步骤：步骤一：将掘进机设置在待掘进巷道中，在掘进机后侧的巷道顶板上安装激光指向仪，所述激光指向仪具体设置在巷道顶板的中心线位置，所述激光指向仪的激光发射角度与巷道的掘进方向相一致；步骤二：在掘进机机身上安装一对水平移动标靶，水平移动标靶的检测靶垂直安装在靶座滑块上，所述靶座滑块安装在掘进机机身上侧设置的滑轨上，所述两个水平移动标靶相互之间平行设置；步骤三：控制掘进机开始掘进作业，通过人工调整激光指向仪的安装位置和激光发射角度，使激光指向仪发射的激光束可以打在两个水平移动标靶的检测靶上，所述检测靶通过激光捕获电路板获取到当前激光束打在检测靶上的坐标位置，坐标位置数据包括左右位置（Ax，Bx）和上下位置（Ay，By），检测靶将所述的坐标位置数据通过导线发送至微控制器做进一步处理；步骤四：所述倾角传感器同时采集掘进机当前的掘进俯仰角数据（Yaw），倾角传感器将所述的俯仰角数据通过导线发送至微控制器做进一步处理；步骤五：所述微控制器的计算参数中包括预设的距离参数，其中定义激光指向仪发射激光束到达第一个水平移动标靶的距离为L1，两个水平移动标靶之间的距离为L0，结合接收到的激光坐标数据可以计算并得出当前掘进机的位姿测量数据：其中俯仰角（Yaw）的计算公式为：；航向角（Pitch）的计算公式为：；翻滚角（Roll）数据即为倾角传感器（6）的测量数据；水平位移（dx）的计算公式为：；高度位移（dy）的计算公式为：；深度位移（dz）的计算公式为：；在上式的坐标系中，定义X轴为巷道掘进面的宽度，Y轴为巷道掘进面的高度，Z轴为巷道掘进方向的深度；上述Ax和Bx分别是激光束打在第一个和第二个水平移动标靶上的点所在位置的x坐标；上述Ay和By分别是激光束打在第一个和第二个水平移动标靶上的点所在位置的y坐标。本专利技术相对于现有技术具备的有益效果为：本专利技术提供一种掘进机位姿数据测量装置，该装置可以和现有煤矿使用的激光指向仪功能相结合，实现对工作中掘进机位姿数据的实时测量；本专利技术通过在掘进机机体上加装两个水平移动式激光标靶，使其在掘进机工作过程中全时段测量当前掘进机的位置和姿态，从而可以实现掘进机在工作过程中的位姿态补偿，并将其反馈回监控计算机中，最终实现掘进机的自动化掘进工作；本专利技术基于目前正在使用的激光指向仪，实时获取巷道中线和腰线，定位精度高，可以有效提高掘进效率，整个测量系统安装调试方便，可实现掘进机的精确定位要求。附图说明下面结合附图对本专利技术做进一步说明：图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术掘进机内部控制电路的结构示意图；图3为本专利技术微控制器的电路图；图4为本专利技术测量计算掘进机俯仰角的模型图；图5为本专利技术测量计算掘进机航向角的模型图；图6为本专利技术掘进机位姿测量的数据处理流程图；图中：1为激光指本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水平移动标靶的掘进机位姿数据测量系统，其特征在于：包括掘进机和活动设置在掘进巷道顶板上的激光指向仪（1），所述激光指向仪（1）设置在掘进机的后侧，所述掘进机的机身上侧平行设置有一对水平移动标靶，所述水平移动标靶包括检测靶（2），所述检测靶（2）通过靶座滑块（3）设置在由步进电机（4）驱动的滑轨（5）上，所述两个水平移动标靶的滑轨（5）相互平行设置在掘进机机身上侧，所述步进电机（4）设置在掘进机机身侧壁上；/n所述掘进机的内部还设置有控制电路板和倾角传感器（6），所述控制电路板上集成有微控制器（7）；/n所述水平移动标靶用于接收激光指向仪（1）发出的激光束，所述检测靶（2）具体为由光敏二极管组成的激光捕获电路板；/n所述微控制器（7）通过导线与检测靶（2）的信号输出端相连；/n所述微控制器（7）通过导线与步进电机（4）、倾角传感器（6）相连；/n所述微控制器（7）还通过导线连接有数据存储模块（8）；/n所述微控制器（7）的电源输入端与电源模块（9）相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于水平移动标靶的掘进机位姿数据测量系统，其特征在于：包括掘进机和活动设置在掘进巷道顶板上的激光指向仪（1），所述激光指向仪（1）设置在掘进机的后侧，所述掘进机的机身上侧平行设置有一对水平移动标靶，所述水平移动标靶包括检测靶（2），所述检测靶（2）通过靶座滑块（3）设置在由步进电机（4）驱动的滑轨（5）上，所述两个水平移动标靶的滑轨（5）相互平行设置在掘进机机身上侧，所述步进电机（4）设置在掘进机机身侧壁上；
所述掘进机的内部还设置有控制电路板和倾角传感器（6），所述控制电路板上集成有微控制器（7）；
所述水平移动标靶用于接收激光指向仪（1）发出的激光束，所述检测靶（2）具体为由光敏二极管组成的激光捕获电路板；
所述微控制器（7）通过导线与检测靶（2）的信号输出端相连；
所述微控制器（7）通过导线与步进电机（4）、倾角传感器（6）相连；
所述微控制器（7）还通过导线连接有数据存储模块（8）；
所述微控制器（7）的电源输入端与电源模块（9）相连。


2.根据权利要求1所述的一种基于水平移动标靶的掘进机位姿数据测量系统，其特征在于：所述微控制器（7）使用的芯片为控制芯片U1，所述微控制器（7）的电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚、9脚、24脚、36脚、48脚接3.3V输入电源；
所述控制芯片U1的2脚、3脚、38脚、39脚、45脚、46脚与步进电机（4）的控制端相连；
所述控制芯片U1的4脚串接电阻R61和二极管LED1后接地；
所述控制芯片U1的5脚并接晶振XT1的一端后与电容C16的一端相连；
所述控制芯片U1的6脚并接晶振XT1的另一端后与电容C17的另一端相连，所述电容C17的另一端并接电容C16的另一端、电容C14的一端后接地；
所述电容C14的另一端并接电阻R59的一端、控制开关SW1的一端后与控制芯片U1的7脚相连；
所述电阻R59的另一端接3.3V输入电源，所述控制开关SW1的另一端接地；
所述控制芯片U1的10脚至22脚通过多路复用器与检测靶（2）的信号输出端相连；
所述控制芯片U1的25脚至28脚与数据存储模块（8）相连；
所述控制芯片U1的29脚、30脚、31脚通过485收发器与步进电机（4）的信号输出端相连；
所述控制芯片U1的34脚、37脚与倾角传感器（6）的信号输出端相连。


3.根据权利要求2所述的一种基于水平移动标靶的掘进机位姿数据测量系统，其特征在于：所述控制芯片U1的型号为ST...

【专利技术属性】
技术研发人员：田洪现，李锦上，徐冬冬，
申请(专利权)人：北京易联创安科技发展有限公司，北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11