專利名稱：：懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種煤礦井下作業(yè)的懸臂掘進機的掘進頭，具體而言是一種懸臂掘進機頭的位姿(位置和姿態(tài))的測量系統(tǒng)及其測量方法。技術(shù)背景現(xiàn)有煤礦井下巷道掘進廣泛采用懸臂式掘進機。懸臂式掘進機是集截割、裝運、行走、滅塵等功能于一體的巷道聯(lián)合掘進機組，通過掘進機體的行走、懸臂的回轉(zhuǎn)擺動、垂直擺動、伸縮運動以及掘進頭的旋轉(zhuǎn)截割出巷道斷面。掘進機的操縱采用手動方式，司機通過人眼觀察掘進機頭的運動位置、運動速度和運動趨勢，手動操縱懸臂升降、回轉(zhuǎn)油缸和掘進機行走馬達(dá)的液壓控制闊，調(diào)整掘進機體的位置和掘進機頭的空間位置，實現(xiàn)掘進機頭的位置和姿態(tài)的定位；由于掘進過程中工作面粉塵較大，作業(yè)現(xiàn)場光線較差，特別是掘進機頭在掘進巷道底板時，司機的視線要受到掘進機體的遮擋，使得掘進機頭在巷道掘進過程中，其位置和姿態(tài)難于準(zhǔn)確判斷，給掘進機頭的行進控制造成很大困難；另外，在掘進準(zhǔn)備和掘進過程中，手動操縱的掘進機經(jīng)常需要人工測量已掘進巷道的輪廓尺寸，工人勞動強度大，掘進速度緩慢，生產(chǎn)效率低，巷道超挖、和欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重，成本較高，施工質(zhì)量很大程度上取決于掘進司機的經(jīng)驗和熟練程度。雖然有些掘進機上采用了遙控器操縱，如公開號為CN2864092，名稱為"掘進機恒功率截割的遠(yuǎn)程控制裝置"的實用新型專利提出了一種遠(yuǎn)程控制裝置，但只是操作者可以遠(yuǎn)離操作位置進行遠(yuǎn)程操作，仍然為目測掘進機頭位置和姿態(tài)的手工操作方式，沒有解決掘進機頭位置和姿態(tài)的自動測量和定位。公開號為CN201013380，名稱為"全自動掘進機"的實用新型專利提出采用航天導(dǎo)航定位儀測量掘進機的位置，但沒有測量掘進機車體的位置和姿態(tài)和掘進機頭的位置和姿態(tài)。掘進機車體及掘進機頭的位置和姿態(tài)的檢測是掘進巷道斷面成形控制的基礎(chǔ)，為了提高掘進速度和掘進質(zhì)量，保證所掘巷道的空間位置、形狀的準(zhǔn)確性，掘進過程中必須對掘進機頭的位姿進行實時測量和定位，一方面為掘進操作提供參考依據(jù)，另一方面通過掘進機頭位姿的檢測與反饋，可實現(xiàn)掘進過程的自動控制。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問題是懸臂掘進機在掘進時掘進頭的位姿的測量問題，解決人工目測觀察掘進頭的位姿造成巷道掘進斷面成形質(zhì)量差的問題，其目的是提供一種懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)及其測量方法。實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括懸臂掘進機及其懸臂升降油缸、懸臂回轉(zhuǎn)油缸和掘進機頭伸縮油缸，反射棱鏡，激光機動全站儀，無線通訊模塊，雙軸傾角傳感器，油缸行程傳感器，車體偏擺角傳感器，數(shù)據(jù)采集模塊和計算機，其特征在于激光機動全站儀設(shè)置在己掘成形的巷道壁上，反射棱鏡和雙軸傾角傳感器安裝在懸臂掘進機的后機架上，車體偏擺角傳感器安裝在反射棱鏡后，懸臂升降油缸、懸臂回轉(zhuǎn)油缸和掘進機頭伸縮油缸中安裝有油缸行程傳感器，兩個無線通訊模塊分別安裝在激光機動全站儀的支架上和掘進機的控制箱上，無線通訊模塊將激光機動全站儀的測量數(shù)據(jù)傳輸給計算機，數(shù)據(jù)采集模塊和計算機安裝在掘進機的控制箱里，數(shù)據(jù)釆集模塊采集車體偏擺角傳感器、雙軸傾角傳感器和油缸行程傳感器的數(shù)據(jù)，計算機對測量數(shù)據(jù)進行處理，計算掘進機頭的位置和姿態(tài)。本發(fā)明上述的技術(shù)方案所述的激光機動全站儀設(shè)置在己掘成形的巷道壁上的位置是在懸臂掘進機車體后與掘進機的后支架同水平的、距掘進機車體lm10m之間的巷道壁上；所述的懸臂掘進機頭的位姿測量系統(tǒng)，其特征在于反射棱鏡是180度的激光測量棱鏡；所述的懸臂升降油缸、懸臂回轉(zhuǎn)油缸和掘進機頭伸縮油缸中安裝有油缸行程傳感器是油缸行程傳感器的測量桿從缸體的安裝端沿軸線插裝在缸體和缸桿里，感應(yīng)磁環(huán)固定在缸桿上，感應(yīng)磁環(huán)隨著缸桿和油缸活塞的運動沿著測量桿滑動，傳感器引線從缸體的安裝端引出。本發(fā)明用于懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)的測量方法，該方法在于激光機動全站儀測量掘進機車體在大地坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，掘進機車體偏擺角傳感器測量掘進機車體的偏擺角Y，雙軸傾角傳感器測量掘進機車體的仰俯角a和橫滾角P，油缸行程傳感器測量懸臂升降油缸、懸臂回轉(zhuǎn)油缸和掘進機頭伸縮油缸的行程，無線通訊模塊將激光機動全站儀的測量數(shù)據(jù)傳輸給計算機，數(shù)據(jù)采集模塊采集油缸行程傳感器、雙軸傾角傳感器和車體偏擺角傳感器的數(shù)據(jù)，計算機對采集的數(shù)據(jù)進行處理和計算，實現(xiàn)懸臂掘進機頭的位姿的測量。上述中的懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于激光機動全站儀測量掘進機車體在大地坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)是根據(jù)激光機動全站儀在巷道壁上的安裝平臺的三維坐標(biāo)和姿態(tài)角，對激光機動全站儀的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標(biāo)變換得到。本發(fā)明懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)及其方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點與積極效果在于(l)本發(fā)明懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)中設(shè)置了測量掘進機車體位姿的激光機動全站儀、180度激光反射棱鏡、掘進機車體偏擺角傳感器、雙軸傾角傳感器和油缸行程傳感器，實現(xiàn)了掘進機車體相對大地坐標(biāo)系的三維位置和姿態(tài)以及掘進機頭相對掘進機車體坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)的測量，使掘進機頭的位姿的測量不僅相對于掘進機車體，而且可相對于掘進巷道的大地坐標(biāo)系，前者有助于掘進過程中對掘進機頭的位姿的測量與定位控制，后者可實現(xiàn)對成形的巷道輪廓及巷道中心線相對于大地坐標(biāo)系的定位，本測量系統(tǒng)的角度測量精度可達(dá)l分，位置測量和定位精度在土20mm以內(nèi)。(2)本發(fā)明懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)，根據(jù)礦井的特殊環(huán)境，設(shè)置防爆型測量系統(tǒng)，測量過程自動化，位姿測量精度高，解決了掘進司機目測掘進機頭位姿的定位不準(zhǔn)確，超挖和欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重，控制精度低的問題，降低了勞動強度，改善了工作環(huán)境，提高了巷道成形質(zhì)量和掘進速度，并為掘進的自動控制提供了條件。(3)本發(fā)明懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)的測量方法，分別測量掘進機車體的位置和姿態(tài)以及掘進機懸臂各關(guān)節(jié)的變量值，采用空間坐標(biāo)變換計算掘進機頭在掘進機車體坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)，提高了成形巷道輪廓及其中心線的定位精度。圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成示意2是本發(fā)明的掘進機車體及懸臂坐標(biāo)系統(tǒng)示意3是本發(fā)明的掘進機車體姿態(tài)角示意4是本發(fā)明的掘進機作業(yè)坐標(biāo)系統(tǒng)示意5是本發(fā)明的油缸行程傳感器安裝示意中1:計算機2:無線通訊模塊3:激光機動全站儀4:反射棱鏡5:車體偏擺角傳感器6:后機架7:雙軸傾角傳感器8:掘進機9:懸臂升降油缸10:懸臂回轉(zhuǎn)油缸11:掘進機頭伸縮油缸12:油缸行程傳感器13:數(shù)據(jù)采集模塊14:控制箱15:傳感器引線16:安裝端17:感應(yīng)磁環(huán)18-油缸活塞19:測量桿20:缸體21:缸桿具體實施方式本發(fā)明在上述基礎(chǔ)上，下面分別用懸臂掘進機頭的位姿測量系統(tǒng)和懸臂掘進機頭的位姿的測量方法的具體實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)實施方案。本發(fā)明只提供懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)及其測量方法，不提供有關(guān)計算機的軟件程序。實施例1如圖1和圖5所示，懸臂掘進機頭的位姿測量系統(tǒng)由懸臂掘進機8的懸臂升降油缸9、懸臂回轉(zhuǎn)油缸10和掘進機頭伸縮油缸11，油缸行程傳感器12，激光機動全站儀3，反射棱鏡4，無線通訊模塊2，車體偏擺角傳感器5，雙軸傾角傳感器7，數(shù)據(jù)采集模塊13和計算機1構(gòu)成。1)在掘進機8車體后已掘成形的、與掘進機8的后支架6同水平的、距掘進機車體l米至10米之間的巷道壁上設(shè)置有激光機動全站儀3的安裝平臺，并測量安裝平臺在大地坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)和姿態(tài)角，將激光機動全站儀3安裝在該平臺上，激光機動全站儀3的測量方向朝向掘進機8。2)在掘進機8的后機架6上安裝雙軸傾角傳感器7，雙軸傾角傳感器7的兩個測量軸分別平行于掘進機車體的縱軸和橫軸。3)在掘進機8的后支架6上安裝反射棱鏡4，反射棱鏡4是一個可以180度反射激光機動全站儀3的測量激光的棱鏡，反射棱鏡4的橫軸平行于掘進機車體的橫軸安裝，反射棱鏡4的反射面朝向激光機動全站儀3。4)在反射棱鏡4后緊貼反射棱鏡4安裝掘進機車體偏擺角傳感器5。5)沿著軸線，分別對懸臂升降油缸9、懸臂回轉(zhuǎn)油缸10和掘進機頭伸縮油缸11的缸體20和缸桿21鉆孔，用于安裝油缸行程傳感器12。油缸行程傳感器12由傳感器引線15、感應(yīng)磁環(huán)17和測量桿19構(gòu)成，傳感器引線15從缸體20的安裝端16引出，測量桿19從缸體20的安裝端16沿軸線插裝在缸體20和缸桿21中，感應(yīng)磁環(huán)17固定在缸桿21上，并隨油缸活塞18和缸桿21的運動沿著測量桿19滑動。油缸行程傳感器12的測量桿19通過螺紋固定在缸體20中，感應(yīng)磁環(huán)17由壓緊螺母固定在缸桿21中。6)無線通訊模塊2有兩個，一個安裝在激光機動全站儀3的支架上，另一個安裝在掘進機8的控制箱14上。7)計算機1和數(shù)據(jù)采集模塊13安裝在掘進機8的防爆控制箱14里。實施例2如圖2和圖4所示，懸臂掘進機頭位姿的測量方法的解決是建立大地坐標(biāo)系OXYZ、測量坐標(biāo)系0。X。Y。Z。、掘進機車體坐標(biāo)系0。X。Y。Z。、懸臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系0^YA、懸臂升降關(guān)節(jié)坐標(biāo)系02X2Y2Z2、掘進機頭伸縮關(guān)節(jié)坐標(biāo)系0^&和巷道斷面坐標(biāo)系0JhYhZh，各坐標(biāo)系統(tǒng)串聯(lián)構(gòu)成空間坐標(biāo)變換尺寸鏈。圖2所示的掘進機系統(tǒng)的簡化模型上建立了掘進機車體坐標(biāo)系統(tǒng)和懸臂關(guān)節(jié)坐標(biāo)系統(tǒng)。61、92和d分別是掘進機懸臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、升降關(guān)節(jié)和掘進機頭伸縮關(guān)節(jié)變量，即懸臂水平回轉(zhuǎn)角ei、懸臂垂直升降角e2和掘進機頭伸縮量d，掘進機懸臂連桿參數(shù)為<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>相鄰兩連桿的坐標(biāo)變換關(guān)系'-;r為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(1)掘進機頭坐標(biāo)系(^^23相對掘進機車體坐標(biāo)系0。X。Y。Z。的位姿變換矩陣^可表示為^><237(2)掘進機車體坐標(biāo)系0。X。Y。Z。相對大地坐標(biāo)系0XYZ的變換。r由掘進機車體相對測量儀器坐標(biāo)系0。X。Y。Z。的變換〖:r和測量儀器坐標(biāo)系0J。Y。Z。相對大地坐標(biāo)系OXYZ的變換J兩部分組成。^的參數(shù)包括激光機動全站儀3測量的掘進機車體的三維坐標(biāo)(SxSy，Sz),雙軸傾角傳感器7測量的掘進機車體的仰俯角a和橫滾角P以及掘進機車體偏擺角傳感器5測量的掘進機車體偏擺角Y。^的計算公式為^T=7o《Z，;K)xio《:F,/)xio/(^r，")xTrans(Sx,Sy，Sz)(3)其中，io《Z,力是繞Z軸旋轉(zhuǎn)Y角的齊次旋轉(zhuǎn)變換矩陣；io《r，釣是繞Y軸旋轉(zhuǎn)e角的齊次旋轉(zhuǎn)變換矩陣；io《X，c0是繞X軸旋轉(zhuǎn)a角的齊次旋轉(zhuǎn)變換矩陣；Trans(Sx>Sy,s》是車體坐標(biāo)系0。X。Y。Z。相對測量坐標(biāo)系0工Y。Z。的齊次平移變換矩陣。測量坐標(biāo)系ax。Y。z。相對大地坐標(biāo)系0XYZ的變換J由激光機動全站儀3的安裝平臺的三維位置坐標(biāo)與姿態(tài)角決定，該安裝平臺在大地坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)和姿態(tài)角通過全站儀預(yù)先測得，所以/為己知量。掘進機車體坐標(biāo)系0。X。Y。Z。相對大地坐標(biāo)系0XYZ的變換。r可由下式計算。r=crxc0r(4)設(shè)掘進機頭在坐標(biāo)系03X3Y3Z3中的齊次坐標(biāo)為3尸=[PxPyPzl〗r(5)式中記號[]T表示矩陣[]的轉(zhuǎn)置。由(2)式可計算掘進機頭相對掘進機車體坐標(biāo)系0。X。Y。Z。的位置坐標(biāo)。P為V々xV(6)由(2)式和(4)式可計算掘進機頭相對大地坐標(biāo)系OXYZ的位置坐標(biāo)f為-尸=。7><037><3尸(7)當(dāng)掘進機懸臂按水平回轉(zhuǎn)角el和垂直升降角e2擺動時，由(6)式和(7)式可分別計算掘進機頭在掘進機車體坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系中的位姿，實現(xiàn)掘進機頭的位置和姿態(tài)的測量。懸臂掘進機頭的位姿測量方法的步驟為.-1)啟動激光機動全站儀3，激光機動全站儀3自動捕捉和跟蹤掘進機8上的180度激光反射棱鏡4，測量掘進機車體的三維坐標(biāo)Sx、Sy和Sz。2)安裝在180度激光反射棱鏡4后的掘進機車體偏擺角傳感器5測量激光機動全站儀3的測量激光射入反射棱鏡4的水平入射角，也就是掘進機車體的偏擺角Y。3)掘進機8的后機架6上安裝的雙軸傾角傳感器7測量掘進機車體的仰俯角a和橫滾角P。4)掘進機8的懸臂升降油缸9、懸臂回轉(zhuǎn)油缸IO和掘進機頭伸縮油缸11中的油缸行程傳感器12為線性測量傳感器，感應(yīng)磁環(huán)17相對測量桿19的位置通過測量桿19里的測量電路轉(zhuǎn)換成反映油缸行程量的電信號，由油缸行程傳感器12輸出電壓信號，經(jīng)下式計算懸臂各關(guān)節(jié)的變量值ei、92和d:其中，X為各關(guān)節(jié)的變量值91或92或d;V為油缸行程傳感器的輸出電壓值；k為測量系數(shù)，由傳感器、電路及機械參數(shù)決定。5)—對無線通訊模塊2將上述1)中所述的激光機動全站儀3的測量數(shù)據(jù)傳輸給掘進機8控制箱14中的計算機1。6)掘進機8控制箱14里的數(shù)據(jù)采集模塊13采集車體偏擺角傳感器5、雙軸傾角傳感器7和油缸行程傳感器12的測量數(shù)據(jù)，并傳輸給計算機1。7)計算機1根據(jù)上述測量數(shù)據(jù)，由上述(6)式和(7)式分別計算掘進機頭相對掘進機車體坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，即測量得到掘進機頭的位置和姿態(tài)。權(quán)利要求1.懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)，包含有懸臂掘進機(8)及其懸臂升降油缸(9)、懸臂回轉(zhuǎn)油缸(10)和掘進機頭伸縮油缸(11)，反射棱鏡(4)，激光機動全站儀(3)，無線通訊模塊(2)，雙軸傾角傳感器(7)，油缸行程傳感器(12)，車體偏擺角傳感器(5)，數(shù)據(jù)采集模塊(13)和計算機(1)，其特征在于激光機動全站儀(3)設(shè)置在已掘成形的巷道壁上，反射棱鏡(4)和雙軸傾角傳感器(7)安裝在懸臂掘進機(8)的后機架(6)上，車體偏擺角傳感器(5)安裝在反射棱鏡(4)后，懸臂升降油缸(9)、懸臂回轉(zhuǎn)油缸(10)和掘進機頭伸縮油缸(11)中安裝有油缸行程傳感器(12)，兩個無線通訊模塊(2)分別安裝在激光機動全站儀(3)的支架上和掘進機(8)的控制箱(14)上，無線通訊模塊(2)將激光機動全站儀(3)的測量數(shù)據(jù)傳輸給計算機(1)，數(shù)據(jù)采集模塊(13)和計算機(1)安裝在掘進機(8)的控制箱(14)里，數(shù)據(jù)采集模塊(13)采集車體偏擺角傳感器(5)、雙軸傾角傳感器(7)和油缸行程傳感器(12)的數(shù)據(jù)，計算機(1)對測量數(shù)據(jù)進行處理，計算掘進機頭的位置和姿態(tài)。2.如權(quán)利要求1所述的懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)，其特征在于激光機動全站儀(3)設(shè)置在已掘成形的巷道壁上的位置是在懸臂掘進機(8)車體后與掘進機(8)的后支架(6)同水平的、距掘進機車體lm10m之間的巷道壁上。3.如權(quán)利要求1所述的懸臂掘進機頭的位姿測量系統(tǒng)，其特征在于反射棱鏡(4)是180度的激光測量棱鏡。4.如權(quán)利要求1所述的懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)，其特征在于懸臂升降油缸(9)、懸臂回轉(zhuǎn)油缸(10)和掘進機頭伸縮油缸(11)中安裝有油缸行程傳感器(12)是油缸行程傳感器(12)的測量桿(19)從缸體(20)的安裝端(16)沿軸線插裝在缸體(20)和缸桿(21)里，感應(yīng)磁環(huán)(17)固定在缸桿(21)上，感應(yīng)磁環(huán)(17)隨著缸桿(21)和油缸活塞(18)的運動沿著測量桿(19)滑動，傳感器引線(15)從缸體(20)的安裝端(16)引出。5.—種用于懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于激光機動全站儀(3)測量掘進機(8)車體在大地坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，掘進機車體偏擺角傳感器(5)測量掘進機(8)車體的偏擺角Y，雙軸傾角傳感器(7)測量掘進機(8)車體的仰俯角a和橫滾角e，油缸行程傳感器(12)測量懸臂升降油缸(9)、懸臂回轉(zhuǎn)油缸(10)和掘進機頭伸縮油缸(11)的行程，無線通訊模塊(2)將激光機動全站儀(3)的測量數(shù)據(jù)傳輸給計算機(1)，數(shù)據(jù)采集模塊(13)采集油缸行程傳感器(12)、雙軸傾角傳感器(7)和車體偏擺角傳感器(5)的數(shù)據(jù)，計算機(l)對釆集的數(shù)據(jù)進行處理和計算，實現(xiàn)懸臂掘進機頭的位姿的測量。6.如權(quán)利要求5所述的懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于激光機動全站儀(3)測量掘進機(8)車體在大地坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)是根據(jù)激光機動全站儀(3)在巷道壁上的安裝平臺的三維坐標(biāo)和姿態(tài)角，對激光機動全站儀(3)的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標(biāo)變換得到。全文摘要懸臂掘進機頭位姿的測量系統(tǒng)及其方法，特征是激光機動全站儀設(shè)置在已掘成形的巷道壁上，測量掘進機車體在大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)，車體偏擺角傳感器安裝在反射棱鏡后，測量掘進機車體偏擺角，雙軸傾角傳感器測量掘進機車體仰俯角和橫滾角，油缸行程傳感器安裝在懸臂升降、懸臂回轉(zhuǎn)和掘進機頭伸縮油缸中測量油缸行程，無線通訊模塊和數(shù)據(jù)采集模塊將激光機動全站儀、油缸行程傳感器、雙軸傾角傳感器和車體偏擺角傳感器的測量數(shù)據(jù)傳輸給計算機，計算機采集和處理，并計算懸臂掘進機頭相對車體以及大地坐標(biāo)系的位姿，實現(xiàn)懸臂掘進機頭位姿的測量。本發(fā)明具有實時性好，精度高，適用于懸臂掘進機等掘進設(shè)備的掘進機頭位姿的測量與定位。文檔編號E21C25/00GK101266134SQ20081005490公開日2008年9月17日申請日期2008年4月30日優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日發(fā)明者廉自生,萍李,李元宗,李軍利,王維虎,邢建華,郭厚明申請人:山西焦煤集團有限責(zé)任公司;太原理工大學(xué)