地下掃描衛(wèi)星高精度跟蹤定位方法及裝置制造方法
【專利摘要】一種地下掃描衛(wèi)星高精度跟蹤定位方法及裝置，屬于跟蹤定位方法及裝置。所述的裝置包括：激光發(fā)射器、分束鏡、全反射棱鏡、轉(zhuǎn)臺(tái)、角度編碼器、電機(jī)、時(shí)間同步信號(hào)發(fā)射器、定位裝置防爆外殼、激光信號(hào)接收器和工控機(jī)。所述的方法基于GPS定位理念和激光掃描技術(shù)，每個(gè)地下掃描衛(wèi)星時(shí)刻向周圍360度空間中發(fā)射兩扇帶有角度信息的激光掃描面,地下環(huán)境中的一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)的設(shè)備裝備的接收器接收激光信號(hào)，將接收器的空間角度信息傳送于工控機(jī)。通過算法計(jì)算，該裝置由此確定移動(dòng)裝置或人體的具體位置，并解算出地下移動(dòng)設(shè)備運(yùn)行速度。本發(fā)明掃描精度在百米范圍內(nèi)可達(dá)到毫米級(jí),完全滿足“地下無人采掘”對(duì)采掘裝備跟蹤定位精度的要求。
【專利說明】地下掃描衛(wèi)星高精度跟蹤定位方法及裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種跟蹤定位方法及裝置，特別是一種地下掃描衛(wèi)星高精度跟蹤定位方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前隨著我國(guó)煤礦開采深度逐漸增大和采掘條件越來越惡劣，使得對(duì)礦工的安全威脅也愈來愈大。因此，發(fā)展“地下無人采掘技術(shù)”是根本的解決方法，也是國(guó)內(nèi)外煤炭行業(yè)共同追求的前沿技術(shù)。而如何提高采掘作業(yè)空間中采掘裝備跟蹤定位精度是地下無人采掘所面臨的一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。
[0003]跟蹤定位技術(shù)主要是針對(duì)于一個(gè)或多個(gè)空間物體的位置姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。對(duì)于無GPS信號(hào)的煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤定位技術(shù)近年來也得到了一定的重視，其定位方法按照所使用傳感器位置的不同主要可以劃分為兩大類:(I)基于外部傳感器的定位方法(無線定位技術(shù)、紅外線定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)等)；(2)基于自包含傳感器的定位方法(加速度計(jì)、陀螺儀、里程計(jì)、磁羅盤等)。
[0004]無線定位技術(shù)是通過對(duì)無線電波的一些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)特定的算法來判斷被測(cè)物體的位置。無線定位技術(shù)的應(yīng)用，主要包括:射頻識(shí)別、藍(lán)牙、超寬帶、W1-Fi和Zigbee等。①射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到目標(biāo)的識(shí)別和定位。但其作用距離短一般為幾米；定位精度是20cm數(shù)量級(jí)。②超寬帶(UWB)技術(shù)它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒級(jí)的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級(jí)的帶寬。超寬帶的定位精度是15cm數(shù)量級(jí)，通常定位距離限定在20m左右。③藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離低功耗的無線傳輸技術(shù)，但對(duì)于地下復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，受噪聲信號(hào)干擾大。④W1-Fi收發(fā)器都只能覆蓋幾十米以內(nèi)的空間，定位精度完全依賴于W1-`Fi網(wǎng)絡(luò)的部署情況，在W1-Fi信號(hào)密集時(shí)，精度可達(dá)I米，且W1-Fi信號(hào)很容易受到其他信號(hào)的干擾，從而影響其定位精度。⑤Zigbee技術(shù)是近年來新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其性能介于射頻識(shí)別和藍(lán)牙之間，也可以用于地下定位。目前，國(guó)內(nèi)外所使用的無線定位技術(shù)僅在井下人員定位和跟蹤方面有應(yīng)用報(bào)道，從技術(shù)本質(zhì)上說僅僅是一種考勤記錄系統(tǒng)或者僅停留在粗略定位的層面上，完成大致位置確定，而非真正的、精確的跟蹤定位。
[0005]紅外線定位技術(shù)的原理是由紅外線IR發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的紅外射線，再由光學(xué)傳感器接收這些紅外射線，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。但紅外線定位技術(shù)定位精度不高，傳輸距離較短導(dǎo)致在地下環(huán)境中的定位效果很差，而且容易被熒光燈和地下其他燈光干擾，在精確定位上有一定的局限性。
[0006]超聲波定位技術(shù)采用反射式測(cè)距法，即發(fā)射超聲波并接收由被測(cè)物產(chǎn)生的回波，根據(jù)回波與發(fā)射波的時(shí)間差計(jì)算出待測(cè)距離。由于超聲波易受多徑效應(yīng)和井下復(fù)雜環(huán)境的影響，因而限制了它在煤礦井下的繼續(xù)發(fā)展。
[0007]計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)是指用攝影機(jī)和電腦代替人眼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和采集，通過對(duì)采集的圖片或視頻進(jìn)行處理以獲得被測(cè)目標(biāo)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。視覺定位技術(shù)雖然具有相對(duì)高的定位精度，但定位的距離短。這些限制了計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)在煤礦井下的發(fā)展。
[0008]除了上述方法外，還有學(xué)者利用圖像分析、磁場(chǎng)以及信標(biāo)定位等方法進(jìn)行研究。
[0009]基于自包含傳感器的定位方法主要有加速度計(jì)、陀螺儀、里程計(jì)、磁羅盤等。
[0010]陀螺儀和加速度計(jì)是直接測(cè)量被測(cè)目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)方向上的角速度和線性加速度，通過對(duì)加速度和角速度進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得被測(cè)目標(biāo)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。里程計(jì)是利用齒輪計(jì)數(shù)的原理得到被測(cè)目標(biāo)行走齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)數(shù)乘以行走齒輪的周長(zhǎng)得到設(shè)備行走的距離，從而確定設(shè)備在工作面的位置。磁羅盤是根據(jù)指南針原理制成的，利用地磁場(chǎng)固有的指向性測(cè)量目標(biāo)的空間姿態(tài)角度，獲得目標(biāo)的姿態(tài)數(shù)據(jù)。
[0011]從已有研究成果來看，有關(guān)上述方面的研究尚存在如下問題:
[0012](I)無線電跟蹤定位技術(shù)是近年來研究的熱門方向，但由于無線電波自身特性的限制導(dǎo)致其跟蹤定位的精度都不高，無法滿足“地下無人采掘”對(duì)采掘裝備高精度跟蹤定位的要求(達(dá)到亞厘米級(jí))。
[0013](2)紅外線定位測(cè)量距離太近，超聲波易受多徑效應(yīng)和井下復(fù)雜環(huán)境影響，計(jì)算機(jī)視覺的定位距離短且易受光照影響，另外他們也無法滿足“地下無人采掘”對(duì)采掘裝備高精度跟蹤定位的要求。
[0014]影響使其誤差不斷增大(可達(dá)到米級(jí))，導(dǎo)致其無法滿足“地下無人采掘”對(duì)采掘裝備高精度跟蹤定位的要求。另外，他們獲取的僅是采掘裝備位置和姿態(tài)的相對(duì)值而并非三維空間內(nèi)的絕對(duì)值，不能作為采掘裝備自動(dòng)控制的依據(jù)。
[0015]從以上分析可知上述方法雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤定位，但其在采掘作業(yè)空間中跟蹤定位的精度都不高(十幾厘米甚至幾米)，無法滿足“地下無人采掘”對(duì)采掘裝備聞精度跟蹤定位的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是要提供一種地下掃描衛(wèi)星高精度跟蹤定位方法和裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的精度差、易受干擾的問題。
[0017]技術(shù)方案:本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:該地下掃描衛(wèi)星高精度跟蹤定位包括方法和裝置；
[0018]地下掃描衛(wèi)星定位裝置包括:地下掃描衛(wèi)星、地面控制系統(tǒng)、激光信號(hào)接收器、無線交換機(jī)；至少有一個(gè)激光信號(hào)接收器，激光信號(hào)接收器安裝在移動(dòng)裝置或者人體上；地下掃描衛(wèi)星為多個(gè)，間隔安裝在地下工作面液壓支架的上部，工作時(shí)呈360度發(fā)射激光信號(hào)；無線交換機(jī)設(shè)在地下工作空間壁面順槽內(nèi)，地下掃描衛(wèi)星的輸出端通過光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)與地面控制系統(tǒng)的輸入端連接，激光信息號(hào)接收器與地面控制系統(tǒng)通過無線交換機(jī)連接。
[0019]所述的地下掃描衛(wèi)星包括:全反射棱鏡、激光發(fā)射器、分束鏡、角度編碼器、電機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和地面控制系統(tǒng)；激光發(fā)射器位于分束鏡的上部，在分束鏡的下部連接有全反射棱鏡，全反射棱鏡安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)軸與電機(jī)的軸連接，在轉(zhuǎn)臺(tái)與電機(jī)之間連接有角度編碼器。
[0020]地下掃描衛(wèi)星定位方法:包括如下步驟:
[0021]I)基于GPS定位原理，地下掃描衛(wèi)星在地面下利用三角測(cè)量原理建立三維坐標(biāo)體系，地下掃描衛(wèi)星以設(shè)定的角速度旋轉(zhuǎn)，并向周圍360度空間內(nèi)發(fā)射兩扇帶有角度信息的激光掃描面和時(shí)間同步信號(hào)；當(dāng)被測(cè)目標(biāo)即激光信號(hào)接收器接收到地下掃描衛(wèi)星的信號(hào)激光掃描面信號(hào)后，根據(jù)激光掃描面的夾角和角速度、激光脈沖到達(dá)時(shí)間差、頻閃信號(hào)與激光信號(hào)時(shí)間差的信息，確定被測(cè)目標(biāo)與地下掃描衛(wèi)星之間的空間角度信息；
[0022]2)通過地下掃描衛(wèi)星定位系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差傳遞數(shù)學(xué)模型，獲取地下掃描衛(wèi)星的方位角和俯仰角在獲取工程中的動(dòng)態(tài)誤差特性，建立其動(dòng)態(tài)不確定度分辨模型，針對(duì)地下掃描衛(wèi)星角度測(cè)量異步性和時(shí)間測(cè)量異步性，采用兩點(diǎn)外推法將獲取的信息同步到一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)角度和時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)的同步，從而揭示采掘作業(yè)約束空間中地下掃描衛(wèi)星定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差傳遞規(guī)律。掃描衛(wèi)星系統(tǒng)具有智能化的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)定位能力，通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算與判斷，減小不同的濕度、溫度和粉塵濃度以及時(shí)間誤差的影響，建立約束空間中采掘裝備動(dòng)態(tài)跟蹤定位誤差智能化補(bǔ)償?shù)挠行Т胧?br> [0023]3)結(jié)合接收器傳送的空間信息與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差，利用地下復(fù)雜條件下地下掃描衛(wèi)星自適應(yīng)快速跟蹤定位有效算法，控制系統(tǒng)根據(jù)四個(gè)角度(aA，aB, bA, bB)和地下掃描衛(wèi)星A與B之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣(RATA，RBTB)，通過空間角度交會(huì)的原理精確計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)位置P(x，y, z)，解算出地下作業(yè)裝置或人的空間坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)裝置或人的精確定位，同時(shí)與系統(tǒng)所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，對(duì)人員與裝置的位置正確性做出判斷，為地上控制提供依據(jù)；
[0024]4)控制系統(tǒng)記錄人員或裝置的現(xiàn)有空間坐標(biāo)后，循環(huán)執(zhí)行步驟(I) - (3)；
[0025]5)地下掃描衛(wèi)星按照設(shè)定頻率所反映的角速度呈360度持續(xù)性發(fā)射掃描激光，實(shí)時(shí)高精度把握住地下作業(yè)裝置或人體的位置信息，控制系統(tǒng)建立實(shí)時(shí)位置信息數(shù)據(jù)庫(kù)，利用地下掃描衛(wèi)星自適應(yīng)快速跟蹤定位有效算法解算出作業(yè)裝置的實(shí)時(shí)速度、方向和速率。
[0026]有益效果:由于采用了上述方案，地下掃描衛(wèi)星工作時(shí)以設(shè)定的角速度旋轉(zhuǎn)，并向周圍360度空間內(nèi)發(fā)射兩扇帶有角度信息的激光掃描面和時(shí)間同步信號(hào)。激光信號(hào)接收器接收到雙激光掃描信號(hào)后，根據(jù)雙激光掃描面的夾角和角速度、激光脈沖到達(dá)時(shí)間差、頻閃信號(hào)與激光信號(hào)時(shí)間差等信息來確定被測(cè)目標(biāo)與地下掃描衛(wèi)星之間的空間角度信息。
[0027]根據(jù)上述地下掃描衛(wèi)星高精度定位方法的原理，發(fā)明在地下工作空間中利用地下掃描衛(wèi)星開展對(duì)作業(yè)設(shè)備精確跟蹤定位的裝置。地下掃描衛(wèi)星工作，360度發(fā)射激光信號(hào)，安裝在裝置或人員上的接收器接收到激光信號(hào)，通過安裝在裝置上的無線交換機(jī)把空間角度信息傳送給安裝在壁面的無線交換機(jī)。利用有限網(wǎng)絡(luò)，井上控制中心接收到有效信號(hào)。通過預(yù)置于工控機(jī)中的自適應(yīng)快速跟蹤定位算法，解算出裝置或人員的空間位置。在裝置上安裝多個(gè)激光信號(hào)接收器，可以利用算法計(jì)算出裝置的工作角度。管理者可隨時(shí)在井上控制中心觀看電腦上的井下裝置或人員的活動(dòng)情況。
[0028]優(yōu)點(diǎn):一種基于GPS定位理念和激光掃描技術(shù)相融合的精確定位方法-地下掃
描衛(wèi)星定位法。激光掃描技術(shù)是以精密測(cè)試工程為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，具有高速、高精度、高分辨率和全天候特點(diǎn)，其掃描精度在百米范圍內(nèi)可達(dá)到毫米級(jí)。地下掃描衛(wèi)星系統(tǒng)上述方法具有更高的定位精度，滿足“地下無人采掘”對(duì)采掘裝備跟蹤定位精度的要求。方法實(shí)用，安全可靠，安裝和操作方便。
【專利附圖】

【附圖說明】[0029]圖1地下掃描衛(wèi)星系統(tǒng)精確定位的基本原理圖。
[0030]圖2地下掃描衛(wèi)星結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0031]圖3地下掃描衛(wèi)星獲取空間角度信息原理圖。
[0032]圖4自適應(yīng)快速跟蹤定位算法流程圖。
[0033]圖5無人采掘工作空間中精確跟蹤定位系統(tǒng)圖。
[0034]圖中:1、地下掃描衛(wèi)星；2、地面控制系統(tǒng)；3、全反射棱鏡；4、激光發(fā)射器；5、分束鏡；6、角度編碼器；7、電機(jī)；8、轉(zhuǎn)臺(tái)；9、激光信號(hào)接收器；10、無線交換機(jī)；11、液壓支架；12、順槽；13、采煤機(jī)；14、光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)。
【具體實(shí)施方式】
[0035]實(shí)施方式:該地下掃描衛(wèi)星高精度跟蹤定位包括方法和裝置；
[0036]地下掃描衛(wèi)星定位裝置包括:地下掃描衛(wèi)星1、地面控制系統(tǒng)2、激光信號(hào)接收器
9、無線交換機(jī)10 ;至少有一個(gè)激光信號(hào)接收器9，激光信號(hào)接收器9安裝在移動(dòng)裝置或者人體上；地下掃描衛(wèi)星I為多個(gè)，并按照算法計(jì)算方位與距離，安裝在地下環(huán)境液壓支架11上部，工作時(shí)呈360度發(fā)射激光信號(hào)；地下掃描衛(wèi)星I的旋轉(zhuǎn)頻率是40-55HZ，裝置運(yùn)行前對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行具體設(shè)定；地下工作空間壁面順槽12內(nèi)安裝有多個(gè)無線交換機(jī)10，地下掃描衛(wèi)星I的輸出端通過光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)14與地面控制系統(tǒng)2的輸入端連接，激光信息號(hào)接收器9與地面控制系2統(tǒng)通過無線交換機(jī)10連接。地下掃描衛(wèi)星I工作，激光信號(hào)接收器9接收到激光信號(hào)，通過與激光信號(hào)接收器相連的無線交換機(jī)10把空間角度信息傳送給安裝在壁面的無線交換機(jī)10，利用光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)14，地面控制系統(tǒng)2接收到有效信號(hào)。
[0037]所述的地下掃描衛(wèi)星I包括:全反射棱鏡3、激光發(fā)射器4、分束鏡5、角度編碼器
6、電機(jī)7、轉(zhuǎn)臺(tái)8和地面控制系統(tǒng)2。激光發(fā)射器4位于分束鏡5的上部,在分束鏡5的下部連接有全反射棱鏡3，全反射棱鏡3安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)8軸與電機(jī)7的軸連接，在轉(zhuǎn)臺(tái)8與電機(jī)7之間連接有角度編碼器。
[0038]地下掃描衛(wèi)星定位方法:包括如下步驟:
[0039]I)基于GPS定位原理，地下掃描衛(wèi)星I利用三角測(cè)量原理建立三維坐標(biāo)體系，地下掃描衛(wèi)星I以設(shè)定的角速度旋轉(zhuǎn)，并向周圍360度空間內(nèi)發(fā)射兩扇帶有角度信息的激光掃描面和時(shí)間同步信號(hào)；當(dāng)被測(cè)目標(biāo)即激光信號(hào)接收器9接收到地下掃描衛(wèi)星I的信號(hào)激光掃描面信號(hào)后，根據(jù)激光掃描面的夾角和角速度、激光脈沖到達(dá)時(shí)間差、頻閃信號(hào)與激光信號(hào)時(shí)間差的信息，確定被測(cè)目標(biāo)與地下掃描衛(wèi)星之間的空間角度信息；
[0040]2)通過地下掃描衛(wèi)星定位系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差傳遞數(shù)學(xué)模型，獲取地下掃描衛(wèi)星I的方位角和俯仰角在獲取工程中的動(dòng)態(tài)誤差特性，建立其動(dòng)態(tài)不確定度分辨模型，針對(duì)地下掃描衛(wèi)星角度測(cè)量異步性和時(shí)間測(cè)量異步性，采用兩點(diǎn)外推法將獲取的信息同步到一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)角度和時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)的同步，從而揭示采掘作業(yè)約束空間中地下掃描衛(wèi)星定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差傳遞規(guī)律。掃描衛(wèi)星系統(tǒng)具有智能化的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)定位能力，通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算與判斷，減小不同的濕度、溫度和粉塵濃度以及時(shí)間誤差的影響，建立約束空間中采掘裝備動(dòng)態(tài)跟蹤定位誤差智能化補(bǔ)償?shù)挠行Т胧?br> [0041]3)結(jié)合激光信號(hào)接收器9傳送的空間信息與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差，利用地下復(fù)雜條件下地下掃描衛(wèi)星自適應(yīng)快速跟蹤定位有效算法，控制系統(tǒng)根據(jù)四個(gè)角度(aA，aB, bA, bB)和地下掃描衛(wèi)星A與B之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣(RaTa，RbTb)，通過空間角度交會(huì)的原理精確計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)位置P(x，y, z)，解算出地下作業(yè)裝置或人的空間坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)裝置或人的精確定位，同時(shí)與系統(tǒng)所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，對(duì)人員與裝置的位置正確性做出判斷，為地上控制提供依據(jù)；
[0042]4)地面控制系統(tǒng)記錄人員或裝置的現(xiàn)有空間坐標(biāo)后，循環(huán)執(zhí)行步驟(I) - (3)；
[0043]5)地下掃描衛(wèi)星按照設(shè)定頻率所反映的角速度呈360度持續(xù)性發(fā)射掃描激光，實(shí)時(shí)高精度把握住地下作業(yè)裝置或人體的位置信息，地面控制系統(tǒng)建立實(shí)時(shí)位置信息數(shù)據(jù)庫(kù)，利用地下掃描衛(wèi)星自適應(yīng)快速跟蹤定位有效算法解算出作業(yè)裝置的實(shí)時(shí)速度(方向和速率)。
[0044]實(shí)施地下掃描衛(wèi)星高精度跟蹤定位方法如下:
[0045]I)地下掃描衛(wèi)星系統(tǒng)精確定位的基本原理與實(shí)現(xiàn)方法
[0046]地下掃描衛(wèi)星系統(tǒng)精確定位的基本原理如圖1所示。
[0047]地下掃描衛(wèi)星是基于GPS定位理念和激光掃描技術(shù)相融合定位方法,其向外發(fā)射的是激光掃描信號(hào)代替了 GPS衛(wèi)星的微波信號(hào)。地下掃描衛(wèi)星采用的空間角度交會(huì)的原理，如圖1所示，每個(gè)地下掃描衛(wèi)星時(shí)刻向周圍360度空間中發(fā)射兩扇帶有角度信息的激光掃描面，激光信號(hào)接收器接收到兩臺(tái)地下掃描衛(wèi)星發(fā)射的激光掃描信號(hào)，激光信號(hào)接收器把接收到的信息反饋給控制系統(tǒng)。在本發(fā)明裝置安裝時(shí)，嚴(yán)格按照本發(fā)明算法來確定和定義地下掃描衛(wèi)星的位置以及空間坐標(biāo)信息。控制系統(tǒng)可以根據(jù)四個(gè)角度(aA，aB，bA，bB)和地下掃描衛(wèi)星A與B之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣(RaTa，RbTb)，通過空間角度交會(huì)的原理精確計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)位置P(x，y, z)。
[0048]2)地下掃描衛(wèi)星自動(dòng)精確獲取空間角度信息的方法
[0049]根據(jù)地下掃描衛(wèi)星定位原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了地下掃描衛(wèi)星結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖見圖2，所述的地下掃描衛(wèi)星I包括:全反射棱鏡3、激光發(fā)射器4、分束鏡5、角度編碼器6、電機(jī)7、轉(zhuǎn)臺(tái)
8。激光發(fā)射器位于分束鏡的上部，在分束鏡的下部連接有全反射棱鏡，全反射棱鏡安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)軸與電機(jī)的軸連接，在轉(zhuǎn)臺(tái)與電機(jī)之間連接有角度編碼器6。工作時(shí)地下掃描衛(wèi)星以特定的角速度旋轉(zhuǎn)，并向周圍360度空間內(nèi)發(fā)射兩扇帶有角度信息的激光掃描面和時(shí)間同步信號(hào)。當(dāng)被測(cè)目標(biāo)(激光信號(hào)接收器9)接收到激光掃描信號(hào)后，根據(jù)地下掃描衛(wèi)星I激光掃描面的夾角和角速度、激光脈沖到達(dá)時(shí)間差、頻閃信號(hào)與激光信號(hào)時(shí)間差等信息來確定被測(cè)目標(biāo)與地下掃描衛(wèi)星I之間的空間角度信息，擬采用的自動(dòng)精確獲取空間角度信息的實(shí)施方案如圖3所示。
[0050]3)地下掃描衛(wèi)星自動(dòng)精確獲取空間角度信息自適應(yīng)快速跟蹤定位算法
[0051]采掘作業(yè)空間的條件非常復(fù)雜:濕度高、粉塵濃度大、可以用于角度交會(huì)的空間受到約束且不斷發(fā)生變化，是一個(gè)非線性動(dòng)態(tài)變化的過程，在這種復(fù)雜條件下要求地下，本發(fā)明的掃描衛(wèi)星系統(tǒng)具有智能化的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)定位能力，采取基于灰色關(guān)聯(lián)匹配理論的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)方案。本發(fā)明在這種復(fù)雜條件下利用地下掃描衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取角度信息準(zhǔn)確快速地解算出被測(cè)目標(biāo)的三維坐標(biāo)位置，采用非線性最小二乘擬合與卡爾曼濾波相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)采掘作業(yè)空間中地下掃描衛(wèi)星自適應(yīng)快速跟蹤定位，具體的算法流程見圖4。獲取了激光信號(hào)接收器傳輸?shù)目臻g角度信息，調(diào)取地下掃描衛(wèi)星的坐標(biāo)信息，利用光束平差法對(duì)激光接收器的空間角度信息進(jìn)行最小二乘計(jì)算，改進(jìn)共面約束法選擇補(bǔ)償點(diǎn)，滿足系統(tǒng)預(yù)設(shè)約束條件的信息生成初始坐標(biāo)，采用的非線性最小二乘擬合與卡爾曼濾波相結(jié)合的方法，輸出最優(yōu)值，控制系統(tǒng)對(duì)該值進(jìn)行記錄。
[0052]4)地下掃描衛(wèi)星定位系統(tǒng)在地下作業(yè)空間中精確跟蹤定位的裝備
[0053]根據(jù)上述地下掃描衛(wèi)星高精度定位方法的原理，發(fā)明在地下工作空間中利用地下掃描衛(wèi)星開展對(duì)作業(yè)設(shè)備精確跟蹤定位的裝置。圖5以無人采掘工作空間中采煤裝備為例的高精度跟蹤定位的系統(tǒng)原理圖。按照算法確定及定義地下衛(wèi)星的位置及空間位置坐標(biāo)，將地下衛(wèi)星I安置于液壓支架11上，并實(shí)現(xiàn)所有地下衛(wèi)星I的組網(wǎng)。采掘工作空間壁面順槽12安裝無線交換機(jī)10。地下掃描衛(wèi)星I工作，360度發(fā)射激光信號(hào)，安裝在采煤機(jī)13上的激光信號(hào)接收器9接收到激光信號(hào)，通過采煤機(jī)上的無線交換機(jī)10把空間角度信息傳送給安裝在壁面的無線交換機(jī)10。利用光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)14，地面控制系統(tǒng)2接收到有效信號(hào)。通過預(yù)置于工控機(jī)中的自適應(yīng)快速跟蹤定位算法，解算出采煤機(jī)的空間位置。在采煤機(jī)上安裝多個(gè)激光信號(hào)接收器9，可以利用算法計(jì)算出采煤機(jī)13的工作角度。管理者可隨時(shí)在井上控制中心觀看電腦上的井下采掘機(jī)13活動(dòng)情況。
【權(quán)利要求】
1.一種地下掃描衛(wèi)星高精度跟蹤定位裝置，其特征是:地下掃描衛(wèi)星定位裝置包括:地下掃描衛(wèi)星、地面控制系統(tǒng)、激光信號(hào)接收器、無線交換機(jī)；至少有一個(gè)激光信號(hào)接收器，激光信號(hào)接收器安裝在移動(dòng)裝置或者人體上；地下掃描衛(wèi)星為多個(gè)，間隔安裝在地下工作面液壓支架的上部，工作時(shí)呈360度發(fā)射激光信號(hào)；無線交換機(jī)設(shè)在地下工作空間壁面順槽內(nèi)，地下掃描衛(wèi)星的輸出端通過光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)與地面控制系統(tǒng)的輸入端連接，激光信息號(hào)接收器與地面控制系統(tǒng)通過無線交換機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下掃描衛(wèi)星高精度跟蹤定位裝置，其特征是:所述的地下掃描衛(wèi)星包括:全反射棱鏡、激光發(fā)射器、分束鏡、角度編碼器、電機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和地面控制系統(tǒng)；激光發(fā)射器位于分束鏡的上部，在分束鏡下部連接有全反射棱鏡，全反射棱鏡安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)軸與電機(jī)的軸連接，在轉(zhuǎn)臺(tái)與電機(jī)之間連接有角度編碼器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下掃描衛(wèi)星高精度跟蹤定位裝置的方法，其特征是:地下掃描衛(wèi)星定位方法:包括如下步驟: 1)基于GPS定位原理，地下掃描衛(wèi)星在地下環(huán)境中利用三角測(cè)量原理建立三維坐標(biāo)體系，地下掃描衛(wèi)星以設(shè)定的角速度旋轉(zhuǎn)，并向周圍360度空間內(nèi)發(fā)射兩扇帶有角度信息的激光掃描面和時(shí)間同步信號(hào)；當(dāng)被測(cè)目標(biāo)即激光信號(hào)接收器接收到地下掃描衛(wèi)星的信號(hào)激光掃描面信號(hào)后，根據(jù)激光掃描面的夾角和角速度、激光脈沖到達(dá)時(shí)間差、頻閃信號(hào)與激光信號(hào)時(shí)間差的信息，確定被測(cè)目標(biāo)與地下掃描衛(wèi)星之間的空間角度信息； 2)通過地下掃描衛(wèi)星定位系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差傳遞數(shù)學(xué)模型，獲取地下掃描衛(wèi)星的方位角和俯仰角在獲取工程中的動(dòng)態(tài)誤差特性，建立其動(dòng)態(tài)不確定度分辨模型，針對(duì)地下掃描衛(wèi)星角度測(cè)量異步性和時(shí)間測(cè)量異步性，采用兩點(diǎn)外推法將獲取的信息同步到一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)角度和時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)的同步，從而揭示采掘作業(yè)約束空間中地下掃描衛(wèi)星定位系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差傳遞規(guī)律。掃描衛(wèi)星系統(tǒng)具有智能化的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)定位能力，通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算與判斷，減小不同的濕度、溫度和粉塵濃度以及時(shí)間誤差的影響，建立約束空間中采掘裝備動(dòng)態(tài)跟蹤定位誤差智能化補(bǔ)償?shù)挠行Т胧? 3)結(jié)合接收器傳送的空間信息與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差，利用地下復(fù)雜條件下地下掃描衛(wèi)星自適應(yīng)快速跟蹤定位有效算法，控制系統(tǒng)根據(jù)四個(gè)角度(aA，aB, bA，bB)和地下掃描衛(wèi)星A與B之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣(RaTa，RbTb)，通過空間角度交會(huì)的原理精確計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)位置P(x，y, z)，解算出地下作業(yè)裝置或人的空間坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)裝置或人的精確定位，同時(shí)與系統(tǒng)所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，對(duì)人員與裝置的位置正確性做出判斷，為地上控制提供依據(jù)； 4)控制系統(tǒng)記錄人員或裝置的現(xiàn)有空間坐標(biāo)后，循環(huán)執(zhí)行步驟(I)- (3)； 5)地下掃描衛(wèi)星按照設(shè)定頻率所反映的角速度呈360度持續(xù)性發(fā)射掃描激光，實(shí)時(shí)高精度把握住地下作業(yè)裝置或人體的位置信息，控制系統(tǒng)建立實(shí)時(shí)位置信息數(shù)據(jù)庫(kù)，利用地下掃描衛(wèi)星自適應(yīng)快速跟蹤定位有效算法解算出作業(yè)裝置的實(shí)時(shí)速度、方向和速率。
【文檔編號(hào)】E21F17/18GK103760517SQ201410016623
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】劉萬里, 楊濱海, 李曉陽, 趙勇濤, 王世博 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)