專利名稱：一種懸臂式掘進機的位姿測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種煤礦采掘設備的位置和姿態(tài)(以下簡稱位姿)檢測的技術領域，特別是涉及一種懸臂式掘進機的位姿測量系統(tǒng)。
背景技術：
懸臂式掘進機是一種部分斷面掘進機，其結構特點是在回轉座上裝有截割用可伸縮懸臂，在懸臂前端裝有截割頭，通過截割頭的旋轉和懸臂的上、下、左、右擺動，依次破落煤(巖)，根據對截割頭的運動軌跡控制，可截割出梯形、拱形、矩形等斷面的巷道，掘進機同時具有裝載及行走功能。懸臂式掘進機是我國煤巷綜合機械化生產中應用最廣泛的巷道掘進機械裝備。采用懸臂式掘進機在巷道掘進作業(yè)中的一般工藝流程是準備(掘進機行走到位)一割煤(截割)、進料、出煤(渣)一臨時支護一永久支護一下一循環(huán)。人工操作懸臂式掘進機在巷道掘進作業(yè)時，主要依靠激光指向器在巷道斷面上形成的光斑作為參考，通過手動操作控制掘進機截割頭的運動軌跡，從而形成截割斷面。由于工作環(huán)境極其惡劣，影響作業(yè)人員的健康，安全隱患較大，且截割過程中產生的粉塵嚴重影響操作人員的視線，極易造成超挖、欠挖現象，雖然在實際施工時還配備了輔助人員反饋前方截割情況，但效果不理想，截割斷面不規(guī)整，且人員的增加導致安全系數進一步降低，所以在截割作業(yè)時采用可使操作者遠離掘進機的自動控制截割頭運動的模式是發(fā)展方向。若要實現截割頭運動的自動控制，必須確定其運動軌跡，使其所形成的斷面符合設計的要求，首先發(fā)布確定在截割前掘進機姿態(tài)與該點(位置)設計軸線(方向)間的關系(差值)。現有的測量掘進機位置、姿態(tài)的方法均為通過精密的“全站儀類”設備和空間位置參考點測量出截割作業(yè)前掘進機所處的精確空間位置，比較其與設計巷道軸線所經過點的關系(差值)，測得掘進機相對水平面的姿態(tài)參數，與設計中經過該點的軸線方向比較， 求得兩者間的關系(差值)。中國專利文獻公告號為CN201013380Y公開的全自動掘進機，其通過航天導航定位儀，實時監(jiān)測掘進機在慣性空間的絕對位置坐標，對掘進機和截割頭進行控制，實現全自動掘進。該方案的關鍵是要測量出掘進機的精確位置，而煤礦井下惡劣的環(huán)境以及掘進機自身的震動已遠超出了精密的航天儀器的正常工作條件，故無法得到所需的精確結果，造成其可靠性較低，另外，精密航天儀器的造價較高，導致其實施成本較高。中國專利文獻公告號為CN101629807A，公開了一種掘進機機身位姿參數測量系統(tǒng)及方法，該方案采用線狀激光器發(fā)射扇形激光光束，通過兩路光敏元件感應掘進機機身的線性光斑，通過檢測光斑位置，結合已知的光敏元件與掘進機機身位置關系計算得到掘進機的位姿參數。該方法的問題在于并沒有所需的掘進機姿態(tài)與該點設計軸線方向間的關系，而若獲得所需的關系參數必先獲得掘進機的精確空間位置，而該方案中卻沒有進行相應的測量。另由于該方案采樣基準為扇形激光光束，扇形激光光束限制了其工作距離非常有限，需要頻繁調整基準光束位置，施工工作量增加，施工難度較大，影響生產效率，通過兩路光敏元件感應線狀激光的方式也不能限定掘進機截割動作開始前在巷道橫向位置區(qū)域， 且該方案不能測量掘進機在地球絕對坐標系中的位置坐標，不能測量基準參考點距掘進機的距離值，因而也無法得到掘進機的掘進工作量信息。因此，如何徹底解決懸臂式掘進機位姿測量問題并提供一種經濟實用的測量系統(tǒng)，是本領域要解決的技術問題。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題在于提供一種可靠性較好的、經濟實用的懸臂式掘進機位的姿測量系統(tǒng)，以完成懸臂式掘進機機身位姿參數的絕對測量，解決井下掘進機位姿測量無核心設備可用的關鍵問題。為解決上述技術問題，本實用新型的懸臂式掘進機的位姿測量系統(tǒng)的包括發(fā)出紅外測距激光和用于提供巷道掘進方向的可見激光的激光指向測距儀1、設于掘進機上且與掘進機機身軸線平行的光測角儀2 ；光測角儀2包括平行于掘進機基準平面設置的傾角傳感器10。工作時，激光指向測距儀1分別發(fā)出可見激光與紅外測距激光，所述可見激光經光測角儀2中的凸透鏡11在其焦平面成像，由所述可見激光在該焦平面上的像點坐標得到光測角儀2的光軸相對于所述可見激光的方向角α ‘和俯仰角β'，也即掘進機機身軸線相對于所述可見激光的方向角和俯仰角，通過所述傾角傳感器可得到掘進機機身相對于水平面的橫滾角Y，進而通過該橫滾角Y對所述方向角α ‘和俯仰角β ‘進行修正，從而得出掘進機相對所述可見激光的方向角α、俯仰角β及相對水平面橫滾角Y，即得到掘進機的姿態(tài)信息；然后，通過所述測距激光得到激光指向測距儀1與掘進機機身的間距，結合激光指向測距儀1所在點的位置坐標、所述可見激光的光束發(fā)射角度參數可得到掘進機的位置坐標，從而完成了掘進機的位置、姿態(tài)信息的測量。激光指向測距儀1同時提供其作為巷道設計基準的可見激光束指向、測量掘進機 4與空間位置參考點間距離以及向光測角儀輸出空間位置參考點坐標、基準指向激光光束方向參數的三大功能。進一步，所述激光指向測距儀1設于用于控制激光指向測距儀1的朝向的調整機構3上，激光指向測距儀1包括激光指向器5、激光測距傳感器6、以及與激光指向器5和激光測距傳感器6相連的控制電路7 ；所述光測角儀2還包括設于所述凸透鏡11的焦平面上的面陣光敏元件9、與該面陣光敏元件9相連的用于檢測所述可見激光在該焦平面上的像點坐標的A/D轉換及數據處理模塊8 ；所述傾角傳感器10將測得的數據傳傳輸至A/D 轉換及數據處理模塊8。作為最優(yōu)的方案，所述激光指向測距儀1與光測角儀2之間通過所述可見激光進行光數字通信，以使激光指向測距儀1將測得的激光指向測距儀1與掘進機機身的距離、激光指向測距儀1所在點的位置坐標、所述可見激光的光束發(fā)射角度參數發(fā)送至光測角儀2， 光測角儀2結合所述掘進機相對所述可見激光的方向角α、俯仰角β及相對水平面橫滾角 Y，得出掘進機的位置坐標。進一步，所述光測角儀2在進行角度測量和光數字通信時，共用所述面陣光敏元件9。進一步，所述光測角儀還包括設于所述凸透鏡11外圍的光電引導靶標13，當所述可見激光照射到光電引導靶標13上，A/D轉換及數據處理模塊8可通過掃描光電引導靶標13上的光敏元件得到所述可見激光照射的部位并輸出所述可見激光所在位置的數據信息，以供掘進機駕駛員參考并調整掘進機4機身位姿，以使所述凸透鏡11始終能接收所述可見激光。本實用新型利用已有的激光指向光束，該光束提供了巷道中各點(位置)的設計方向，通過光學測量方式直接獲得掘進機機身軸線方向與設計基準軸線方向之間的關系即方向角、俯仰角、掘進機機身與地平面間橫滾角；通過測量掘進機與空間參考點間的距離， 及將空間參考點坐標、設計基準軸線方向的數字化后，求得掘進機的位置坐標參數。用此方法在每次截割動作開始前對掘進機位姿信息的測量，即可求得符合要求的截割軌跡，實現對截割頭運動的自動控制。本實用新型的特點是充分利用已有的激光指向光束，避開了需精確測量掘進機位置，而目前無在掘進工作面條件下可用的精密測量儀器的難題；其次，所有測量設備的誤差與距離無關；再之，該方法對其測量儀器的精度要求遠遠小于位置測量對儀器的精度要求， 便于在其惡劣工作環(huán)境條件下的實現。本實用新型進一步要解決的技術問題在于提供一種懸臂式掘進機的位置、姿態(tài)參數的在線測量的系統(tǒng)，得到實時的掘進機位置、姿態(tài)參數，為懸臂式掘進機的全自動掘進提供數據支持。激光指向測距儀由煤礦地測部門安裝于巷道頂或巷道壁等固定位置，包括激光指向器、激光測距傳感器、控制電路及調整機構。激光指向器發(fā)出的可見激光光束是巷道掘進的方向基準，確定了掘進機截割時應處的位置區(qū)域，激光指向器激光光束內還含有調制信號，包括激光指向測距儀端的數據信息，光測角儀通過解調光信號實現兩者之間的數字傳輸。激光測距傳感器與激光指向器平行安裝，保證出射激光光束平行，激光測距傳感器可測量其距掘進機機身的距離值，距離值參與計算掘進機的位置參數，通過距離值還可計算得到掘進機的工作量信息，如班進尺、日進尺、月進尺等。控制電路含輸入、輸出、數據處理及通訊模塊等，系統(tǒng)使用之前，應寫實激光指向測距儀所在點的位置坐標、激光指向器激光光束的發(fā)射角度并輸入至控制電路?？刂齐娐房梢钥刂萍す鉁y距傳感器工作狀態(tài)、讀取激光測距傳感器測量數據并處理、顯示數據，輸入的數據信息也可通過顯示模塊顯示，將數據信息匯總后通過調制激光信號傳輸。調整機構可四自由度調節(jié)，實現上下、左右方向的移動與轉動，通過調整機構調整激光光束的出射角度，以符合規(guī)劃設計的巷道掘進方向，調整到位后通過鎖緊裝置鎖緊即可。光測角儀包括凸透鏡、面陣光敏元件、A/D轉換及數據處理模塊、傾角傳感器、光電引導靶標及鋼化玻璃。光測角儀安裝在掘進機機身合適位置，光軸與掘進機機身軸線平行，凸透鏡所在面朝向激光指向測距儀所在方向，用于接收來自激光指向測距儀的激光光束，激光光束通過凸透鏡成像在焦平面處面陣光敏元件上，光敏元件將其像點的光信號轉換成電信號，經A/D轉換及數據處理模塊采集處理后計算得到像點在焦平面上的位置坐標，而凸透鏡焦距已知，則由凸透鏡成像規(guī)律可計算得到光測角儀光軸與激光光束之間的方向角α、俯仰角β。由于光測角儀光軸與掘進機機身軸線之間的為已知的平行關系，則α> β即為掘進機機身軸線與激光光束之間的方向角、俯仰角。A/D轉換及數據處理模塊還可通過面陣光敏元件解調激光光束信號，得到激光指向測距儀端的數據信息，結合光測角儀內傾角傳感器測量得到掘進機相對于地球平面的橫滾角Y，即可得到掘進機的絕對位置、姿態(tài)參數。光電引導靶標安裝在凸透鏡外圍，若可見激光光束照射到靶標上，A/D轉換及數據處理模塊可采集并上傳光束照射形成光斑的位置信息，以便調整掘進機位姿至合適范圍。所述懸臂式掘進機位姿測量系統(tǒng)中，所述的激光指向測距儀可替代傳統(tǒng)的激光指向器，也可以與激光指向器同時使用，但應保證有且僅有激光指向測距儀的可見激光光束通過光測角儀凸透鏡成像，且兩者之間的激光指示方向應一致，是巷道掘進的方向基準。激光指向測距儀中的激光指向器工作距離區(qū)間為15-600米，且在此工作區(qū)間范圍內激光光束直徑不大于40mm。激光指向器還帶調制功能，調制頻率> 100KHZ。
激光指向測距儀中激光測距傳感器采用紅外激光光源測量，量程為15-600米，測量精度士 1米。安裝完成后即可自動測量其距掘進機機身的距離值，測量得到的數據傳輸至激光指向測距儀內控制電路，由控制電路識別并處理數據，得到距掘進機機身的距離值， 控制電路將得到的距離值、角度值、位置信息等組合成一幀完整的數據由可見激光光束發(fā)送至光測角儀端。所述懸臂式掘進機位姿測量系統(tǒng)中，所述的光測角儀安裝在掘進機機身，安裝時保證光測角儀光軸與掘進機機身軸線平行，對安裝造成的平行度誤差，可通過更高精度的量具對其標校。具體做法為在掘進機機身安裝固定光測角儀，在掘進機后方安裝激光指向測距儀，調整激光指向測距儀位置及激光光束出射角度，并用更高級別儀器標定，使激光指向測距儀可見激光光束與掘進機機身軸線平行且激光光束經過光測角儀凸透鏡成像，光測角儀記錄此時像點位置，即為系統(tǒng)測量的相對零點。光測角儀內凸透鏡與面陣光敏元件組成一組光學成像系統(tǒng)，凸透鏡直徑為200mm， 焦距f已知，通過檢測焦平面處可見激光光束像點坐標即可計算出激光光束與凸透鏡成像系統(tǒng)光軸之間的方向角、俯仰角，由于光測角儀光軸與掘進機機身軸線之間為已知的平行關系，則可得到掘進機機身軸線與激光光束之間的方向角、俯仰角。光測角儀內面陣光敏元件及光電引導靶標內的光敏元件具有較強的抗干擾能力， 只對某一波段范圍的可見光敏感，當且僅當照射在光敏元件上的光波長在光敏元件敏感區(qū)間內且光強超過一定值時，光電轉換元件才產生感應電流，產生的感應電流大小與照射光強的能量在一定范圍內成正比，直至飽和。針對光敏元件的這一特性，研究實施了帶自識別功能的加權平均算法，算法保證系統(tǒng)能濾除可能存在的系統(tǒng)外光源干擾，準確識別像斑位置，計算像斑“重心”坐標，得到測量結果，這一算法的實施使得系統(tǒng)對激光光源的識別能力大為增強，得到可信度、精確度高的數據信息。系統(tǒng)測量方向角α、俯仰角β的量程為士 5°，測量誤差<0.5°。懸臂式掘進機掘進巷道寬度為5米左右，相對于掘進機2. 2-3米的機身寬度，超過5°的方向角、俯仰角偏差已經非常明顯，故對方向角、俯仰角的測量量程在士5°即可滿足實際使用需要；又因掘進機懸臂的長度一般不超過10m，0. 5°的測量誤差在斷面上產生的與基準的偏差ΔΧ為10XSin0.5° = 0.087^(m)，因截割過程中引起煤自行塌落產生的偏差遠大于0. 08726米，故0. 08726米的偏差對施工結果的影響較小，且這一偏差不會在掘進機的多次作業(yè)循環(huán)中產生累積而影響巷道的走向，其結果是影響巷道
6壁的平整度。光測角儀內傾角傳感器水平安裝在光測角儀底部，可測量光測角儀相對于大地水平面的橫滾角。由于光測角儀水平安裝在掘進機機身，因而傾角傳感器也即測量掘進機相對于大地水平面的橫滾角，其為掘進機機身與大地水平面之間在機身左右方向的絕對夾角，橫滾角測量量程為士45°，測量精度為士0.05°。光測角儀內A/D轉換及數據處理模塊采用基于Cortex-M3內核的LPC1765芯片， 輔以相應的外圍電路組成，芯片主頻100MHZ，滿足本系統(tǒng)數據采集需求。光測角儀內鋼化玻璃安裝在光測角儀的最前端，用于保護光測角儀內設備，且能使激光光束能透過玻璃照射在凸透鏡或者光電引導靶標上。本實用新型懸臂式掘進機位姿測量系統(tǒng)與現有技術相比，具有特征鮮明的獨創(chuàng)性、明顯的優(yōu)點及出色的效果。由以上所述技術方案，本實用新型提供的懸臂式掘進機位姿測量系統(tǒng)，可提高懸臂式掘進機的技術進步性、實用性，并具有產業(yè)化的推廣使用價值，其至少具有如下優(yōu)點(1)本實用新型充分利用已有的激光指向光束，避開了需精確測量掘進機位置，而目前無在掘進工作面條件下可用的精密測量儀器的難題，克服了掘進機位姿測量無核心設備可用的關鍵問題。(2)本實用新型所有測量設備的誤差與距離無關，且測量誤差不會在掘進機的多次作業(yè)循環(huán)中產生累積而影響巷道的走向，其結果僅影響巷道壁的平整度。(3)本實用新型通過間接測量的方式測量掘進機的位姿參數，其對測量儀器的精度要求遠遠小于直接位姿測量對儀器的精度要求，便于在其惡劣工作環(huán)境條件下的實現。(4)本實用新型創(chuàng)造性的利用凸透鏡成像原理檢測像點位置的方法來測量掘進機機身軸線與巷道基準軸之間的夾角，測量精度< 0. 5°，滿足實際使用需求。(5)本實用新型系統(tǒng)參考點(激光指向測距儀)與被測點(掘進機端光測角儀)之間采用調制激光通訊，光測角儀端面陣光敏元件采用分時復用技術采集像斑坐標、解調光信號。光通訊方式的使用，避免了有線通訊方式通訊電纜的鋪設，射頻通訊方式基站、天線的架設，在采掘工作面，工礦環(huán)境非常復雜，兩端之間鋪設電纜、安置天線等會給施工帶來諸多麻煩與不便；面陣光敏元件分時復用技術的實施，減少系統(tǒng)外圍電路，降低系統(tǒng)成本， 提高系統(tǒng)可靠性。(6)本實用新型內激光指向測距儀同時提供其作為巷道設計基準的可見激光束指向、測量掘進機與空間位置參考點間距離以及向光測角儀輸出空間位置參考點坐標、基準指向激光光束方向參數的三大功能。多功能的實現使得系統(tǒng)使用方便，測量可靠，具有傳統(tǒng)的激光指向器無法比擬的優(yōu)勢。(7)與傳統(tǒng)方式相比，本實用新型自動化水平明顯提高，可減少采掘工作面人數， 降低施工人員的勞動強度，提高煤礦生產人員的安全保障且能實時、在線測量，從而為自動化掘進提供數據支持。同時，系統(tǒng)還可輔助測量出巷道掘進工作量信息，為煤礦日常管理提供方便。綜上所述，本實用新型采用獨創(chuàng)性的技術方案測量懸臂式掘進機位置、姿態(tài)參數， 徹底解決了井下掘進機位姿測量無核心設備可用的關鍵問題，滿足煤礦井下巷道掘進時對掘進機位置、姿態(tài)參數實時測量的需要，并為自動化掘進奠定了良好的基礎。本系統(tǒng)適用于懸臂式掘進機井下煤巷掘進，具有產業(yè)化的推廣使用價值。本系統(tǒng)的測量原理、實施方案未見公開發(fā)表或使用而確屬創(chuàng)新，與已公開的相近專利在測量原理和實施方案上有很大不同，且增進了多項功能，實用性更強，在煤礦采掘設備應用、檢測測量領域有較大進步，推動了行業(yè)的技術創(chuàng)新，具有廣泛利用價值，為一獨創(chuàng)、新穎、實用的新實用新型。上述說明僅是本實用新型技術方案的概述，為使能更進一步了解本實用新型的技術方法，并可依其內容實施，以下配合附圖說明本實用新型的較佳實施案例。

圖1為本實用新型系統(tǒng)框圖；圖2為本實用新型結構組成示意圖；圖3為本實用新型結構組成俯視示意圖；圖4為本實用新型激光指向測距儀組成示意圖；圖5為本實用新型光測角儀組成示意圖；圖6a和圖6b為本實用新型姿態(tài)測量原理圖；圖7為本實用新型位置計算原理圖。圖中的附圖標記1 激光指向測距儀，2 光測角儀，3 調整機構，4 懸臂式掘進機，5 激光指向器，6 激光測距傳感器，7 控制電路，8 :A/D轉換及數據處理模塊，9 面陣光敏元件，10 傾角傳感器，11 凸透鏡，12鋼化玻璃，13 光電引導靶標。
具體實施方式
以下結合附圖，通過具體實施方式
，對測量原理進一步說明，更深入介紹本實用新型的技術手段及功能，但所附圖及具體實施方式
僅是提供參考與說明，并非用于對本實用新型加以限制。圖1為本實用新型系統(tǒng)框圖，描述了系統(tǒng)涉及的各部件之間的組成關系與內在聯系。圖2為實施本實用新型的懸臂式掘進機位姿測量方法的示意圖，由圖可知，本實施例的懸臂式掘進機的位姿測量系統(tǒng)，包括設于巷道內的用于給出巷道掘進方向的激光指向測距儀1、設于掘進機上且與掘進機機身軸線平行的光測角儀2 ；光測角儀2包括平行于掘進機基準平面設置的傾角傳感器10 ；工作時，激光指向測距儀1分別發(fā)出可見激光與紅外測距激光，所述可見激光經光測角儀2中的凸透鏡11在其焦平面成像，由所述可見激光在該焦平面上的像點坐標得到光測角儀2的光軸相對于激光光束的方向角α'和俯仰角β'，也即掘進機機身軸線相對于激光光束的方向角和俯仰角，通過所述傾角傳感器可得到掘進機機身相對于水平面的橫滾角Y，進而通過該橫滾角Y對所述方向角α ‘和俯仰角β ‘進行修正，從而得出掘進機相對激光光束的方向角α、俯仰角β及相對水平面橫滾角Y ；然后，通過所述測距激光得到激光指向測距儀1與掘進機機身的距離，然后結合激光指向測距儀1的位置坐標、光束發(fā)射角度參數可得到掘進機的位置坐標。所述激光指向測距儀1設于用于控制激光指向測距儀1的朝向的調整機構3上， 激光指向測距儀1包括激光指向器5、激光測距傳感器6、以及與激光指向器5和激光測距傳感器6相連的控制電路7 ；所述光測角儀2還包括設于所述焦平面上的面陣光敏元件9、與該面陣光敏元件9相連的用于檢測所述可見激光在該焦平面上的像點坐標的A/D轉換及數據處理模塊8 ；所述傾角傳感器10將測得的數據傳傳輸至A/D轉換及數據處理模塊8。所述光測角儀還包括設于所述凸透鏡11外圍的光電引導靶標13，當所述可見激光照射到光電引導靶標13上，A/D轉換及數據處理模塊8可通過掃描光電引導靶標13上的光敏元件得到受所述可見激光照射的部位并輸出所述可見激光所在位置的數據信息，以供掘進機駕駛員參考并調整掘進機4機身位姿，以使所述凸透鏡11始終能接收所述可見激光。所述激光指向測距儀1由煤礦地測部門固定在巷道壁或者巷道頂部，固定完成后通過四自由度調整機構3調整激光指向測距儀1的指向，使其與預設的掘進路徑一致， 調整完成后鎖緊，以固定出射方向角，并顯示激光指向測距儀1所在點的經緯度坐標(L0N， LAT)、激光光束在空間坐標系內的方向角α Λ、俯仰角β Λ并將數據輸入至激光指向測距儀 1的主控電路7。由于設計時已保證激光測距傳感器6的測距激光與指向激光光束平行，因而此時激光測距傳感器6已對準掘進機4機身，即可測量得到掘進機4機身至激光指向測距儀1之間的距離值。光測角儀2安裝在掘進機4機身合適位置處，安裝時應使其光軸與掘進機4機身軸線平行且應保證測量時激光指向測距儀1與光測角儀2在巷道橫向位置大致一致。安裝完成后可通過更高精度的量具標定光測角儀2光軸與掘進機4機身軸線之間的平行度誤差，并通過光測角儀2內A/D轉換及數據處理模塊8設置相對零點。圖3為圖2的俯視圖。由圖可知，激光指向測距儀1發(fā)出兩束激光，其中可見激光光束照射在光測角儀2上，不可見激光光束(測距激光)照射在掘進機4機身經反射后返回至激光測距傳感器6。圖4為本實用新型激光指向測距儀1組成示意圖。由圖可知，激光指向器5調焦部分凸出在殼體之外，使用方便，激光測距傳感器6與激光指向器5之間有一定的間距，保證測距激光光束不會照射到光測角儀2鋼化玻璃12上產生鏡面反射，從而保證距離測量功能可靠實現。圖5為本實用新型光測角儀2組成示意圖。光測角儀2內傾角傳感器10水平安裝在光測角儀2底部，面陣光敏元件9安裝在凸透鏡11焦平面處，光電引導靶標13安裝在凸透鏡11外圍。傾角傳感器10、面陣光敏元件9、光電引導靶標13等數據都歸口到A/D轉換及數據處理模塊8，由其統(tǒng)一處理并輸出。圖6為本實用新型的姿態(tài)計算原理圖。如圖6a所示，以凸透鏡11焦點為原點，在其焦平面內建立直角坐標系，設激光光束經凸透鏡11所成像點坐標為P(m，n)，凸透鏡焦距為f，將激光光束看作平行光線并分別投影到水平面及豎直平面內，兩平面相交于光軸所在直線，則凸透鏡成像系統(tǒng)光軸相對于激光光束的方向角α ‘及俯仰角β ‘為
m
α 二 arctg -
f (1) η,η
P = arctg J 本系統(tǒng)中凸透鏡11焦距f已知，則由式(1)即可求出凸透鏡成像系統(tǒng)光軸與激光光束之間的方向角、俯仰角。而凸透鏡成像系統(tǒng)的光軸與掘進機4機身軸線平行，則可得到激光光束與掘進機4機身軸線之間的方向角、俯仰角。掘進機4機身相對于地面的橫滾角由傾角傳感器10給出。由于掘進機4存在橫滾角Y，導致焦平面XOY坐標軸與實際有效坐標軸X' OY'之間夾角為Y，如圖6b所示，設此夾角導致實際有效像點坐標為(m' ,η')， 由相似三角形及正余弦三角函數的相關定義、公式可得
權利要求1.一種懸臂式掘進機的位姿測量系統(tǒng)，其特征在于包括設于巷道內的用于發(fā)出紅外測距激光和用于提供巷道掘進方向的可見激光的激光指向測距儀(1 )、設于掘進機上且與掘進機機身軸線平行的光測角儀(2);光測角儀(2)包括平行于掘進機基準平面設置的傾角傳感器(10)。
2.根據權利要求1所述懸臂式掘進機的位姿測量系統(tǒng)，其特征在于所述激光指向測距儀(1)設于用于控制激光指向測距儀(1)的朝向的調整機構(3)上，激光指向測距儀(1) 包括激光指向器(5)、激光測距傳感器(6)、以及與激光指向器(5)和激光測距傳感器(6) 相連的控制電路(7);所述光測角儀(2)還包括設于所述凸透鏡(11)的焦平面上的面陣光敏元件(9)、與該面陣光敏元件(9)相連的用于檢測所述可見激光在該焦平面上的像點坐標的A/D轉換及數據處理模塊(8)；所述傾角傳感器(10)將測得的數據傳傳輸至A/D轉換及數據處理模塊 (8)。
3.根據權利要求1所述懸臂式掘進機的位姿測量系統(tǒng)，其特征在于所述光測角儀還包括設于所述凸透鏡(11)外圍的光電引導靶標(13)。
專利摘要本實用新型涉及一種懸臂式掘進機的位姿測量系統(tǒng)，其包括設于巷道內的用于發(fā)出紅外測距激光和用于提供巷道掘進方向的可見激光的激光指向測距儀、設于掘進機上且與掘進機機身軸線平行的光測角儀；光測角儀包括平行于掘進機基準平面設置的傾角傳感器?？梢娂す饨浌鉁y角儀凸透鏡在其焦平面成像，由像點坐標得到光測角儀的光軸相對于激光光束的方向角α′和俯仰角β′，通過平行于掘進機基準平面安裝的傾角傳感器可得到機身相對于水平面的橫滾角γ，進而修正方向角α′、俯仰角β′，完成方向角α、俯仰角β及相對水平面橫滾角γ姿態(tài)參數的測量。由測距激光得到距掘進機機身距離結合激光指向測距儀的位置坐標、光束發(fā)射角度參數可得到掘進機位置坐標。
文檔編號G01C3/00GK202066500SQ201120093449
公開日2011年12月7日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權日2011年3月31日
發(fā)明者周李兵, 張立斌, 朱承建, 楊帆, 王全國, 賀耀宜, 賈洪剛, 趙立廠, 鄧國華, 陸錚, 陳曉晶, 顧巧明 申請人:中煤科工集團常州自動化研究院, 天地(常州)自動化股份有限公司