本實(shí)用新型屬于掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

掘進(jìn)機(jī)是主要的隧道和礦井地下掘進(jìn)機(jī)械，在我國用于煤礦巷道的掘進(jìn)施工。隨著高產(chǎn)高效的煤礦施工技術(shù)的推進(jìn)，也要求井下綜掘設(shè)備不斷改進(jìn)提高，將自動(dòng)化、信息化和無人化逐漸應(yīng)用于綜掘設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高效、安全巷道。此外，隨著城市空間的利用和地下交通的發(fā)展，掘進(jìn)機(jī)得到越來越廣泛的作用。掘進(jìn)機(jī)在行進(jìn)過程中，需要確定掘進(jìn)機(jī)的空間位置和掘進(jìn)機(jī)機(jī)體的實(shí)時(shí)姿態(tài)，在截割過程中，由于受到截割阻力，機(jī)體會(huì)發(fā)生移位和扭轉(zhuǎn)，為了控制截割斷面成形質(zhì)量，需要實(shí)時(shí)定位掘進(jìn)機(jī)機(jī)體位置和姿態(tài)。

在隧道礦井等復(fù)雜環(huán)境下，無法接收到有效的GPS信號(hào)。無法適應(yīng)目前的掘進(jìn)機(jī)機(jī)體定位需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為了適應(yīng)目前隧道礦井等復(fù)雜環(huán)境下，掘進(jìn)機(jī)機(jī)體位置和姿態(tài)的定位，現(xiàn)提供基于無線傳感的掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。

基于無線傳感的掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，包括：多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)1、多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)電路2和協(xié)調(diào)器3；傳感器節(jié)點(diǎn)1包括：加速度計(jì)1-1、陀螺儀1-2和無線收發(fā)電路1-3；

傳感器節(jié)點(diǎn)1用于實(shí)時(shí)采集掘進(jìn)機(jī)在每個(gè)坐標(biāo)軸下的比力和角速度，

多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)1和多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)電路2之間通過天線實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，

多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)電路2和協(xié)調(diào)器3之間通過天線實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，

加速度計(jì)1-1的信號(hào)輸出端和陀螺儀1-2的信號(hào)輸出端同時(shí)連接無線收發(fā)電路1-3的信號(hào)輸入端。

由于慣性傳感器具有自主性、隱蔽性等特點(diǎn)，不向外輻射能量，也不需要接收外部信息，適用于井下掘進(jìn)過程導(dǎo)航。本實(shí)用新型通過慣性敏感元件獲得掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)和位置信息，通過無線傳感技術(shù)送入控制中心主站，進(jìn)行監(jiān)測(cè)和反饋，有利于控制掘進(jìn)機(jī)巷道斷面截割的成形質(zhì)量，也是掘進(jìn)機(jī)無人化發(fā)展的一個(gè)基礎(chǔ)。

在應(yīng)用時(shí)，在巷道掘進(jìn)監(jiān)測(cè)體系中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)由終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)用來進(jìn)行數(shù)據(jù)參量采集，采用加速度傳感器、陀螺儀傳感器，分別測(cè)量載體的角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)信息，通過無線收發(fā)模塊上傳。路由節(jié)點(diǎn)電路用于拓展網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)數(shù)碼，搜索可用的網(wǎng)絡(luò)，并轉(zhuǎn)發(fā)接收到的數(shù)據(jù)；協(xié)調(diào)器用來創(chuàng)建無線zigbee網(wǎng)絡(luò)，查找和加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并與上位機(jī)通信。本實(shí)用新型適用于煤礦巷道的掘進(jìn)施工。

附圖說明

圖1為基于無線傳感的掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為傳感器節(jié)點(diǎn)的電路圖；

圖3為路由節(jié)點(diǎn)電路圖；

圖4為協(xié)調(diào)器電路圖；

圖5為RS232串口通信電路圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：參照?qǐng)D1具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于無線傳感的掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，包括：多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)1、多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)電路2和協(xié)調(diào)器3；傳感器節(jié)點(diǎn)1包括：加速度計(jì)1-1、陀螺儀1-2和無線收發(fā)電路1-3；

傳感器節(jié)點(diǎn)1用于實(shí)時(shí)采集掘進(jìn)機(jī)在每個(gè)坐標(biāo)軸下的比力和角速度，

多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)1和多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)電路2之間通過天線實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，

多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)電路2和協(xié)調(diào)器3之間通過天線實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，

加速度計(jì)1-1的信號(hào)輸出端和陀螺儀1-2的信號(hào)輸出端同時(shí)連接無線收發(fā)電路1-3的信號(hào)輸入端，

加速度計(jì)1-1為ADXL345加速度計(jì)，陀螺儀1-2為L(zhǎng)3G462A陀螺儀。

終端傳感器節(jié)點(diǎn)用來采集掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息，由加速度計(jì)傳感器、陀螺儀傳感器和無線收發(fā)電路構(gòu)成。

加速度計(jì)1-1用于檢測(cè)載體的比力，陀螺儀1-2用于采集載體的角速度。

ADXL345是美國模擬器件公司推出的加速度計(jì)，采用多晶硅表面微機(jī)械處理技術(shù)，能夠敏感三軸方向運(yùn)動(dòng)比力，再通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過濾波和控制邏輯后，通過SPI和I2C數(shù)字輸出。最大量程范圍可達(dá)±16g，其高分辨率為3.9mg/LSB，可測(cè)量0.25°的傾角變化。角速度測(cè)量采用意法半導(dǎo)體公司的L3G462A陀螺儀。L3G462A是低功耗三軸角速率傳感器，采用MEMS技術(shù)，由一個(gè)敏感元件和IC集成電路接口組成，通過三個(gè)模擬輸出端口能夠提供測(cè)量角速率。

本實(shí)用新型的發(fā)明點(diǎn)在于電路的結(jié)構(gòu)，不涉及實(shí)用新型保護(hù)課題問題。

具體實(shí)施方式二：參照?qǐng)D2具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的基于無線傳感的掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，無線收發(fā)電路1-3包括：CC2530芯片、電容C11、電容C12、電容C13、電容C14、電容C15、電容C16、電容C17、電容C18、電容C19、電容C10、電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電感L11、電感L12、放大器AD1、放大器AD12、放大器AD13、晶振Y1和晶振Y2；

ADXL345加速度計(jì)的4號(hào)引腳、5號(hào)引腳和電容C11的一端同時(shí)連接電源地，

ADXL345加速度計(jì)的6號(hào)引腳和電容C11的另一端同時(shí)連接電阻R11的一端，電阻R11的另一端接+3.3V電源，

ADXL345加速度計(jì)的7號(hào)引腳連接CC2530芯片的P1_3引腳，ADXL345加速度計(jì)的8號(hào)引腳連接CC2530芯片的P1_4引腳，ADXL345加速度計(jì)的9號(hào)引腳連接CC2530芯片的P1_6引腳，ADXL345加速度計(jì)的12號(hào)引腳連接CC2530芯片的P1_7引腳，ADXL345加速度計(jì)的13號(hào)引腳連接CC2530芯片的P2_0引腳，ADXL345加速度計(jì)的14號(hào)引腳連接CC2530芯片的P2_1引腳，

CC2530芯片的DCOUPL引腳連接電容C12的一端，電容C12的另一端接電源地，

CC2530芯片的P2_3引腳和P2_4引腳分別連接晶振Y1的兩端，

CC2530芯片的RBISA引腳連接電阻R12的一端，電阻R12的另一端接電源地，

CC2530芯片的XOSC_Q0引腳和XOSC_Q1引腳分別連接晶振Y2的兩端，

CC2530芯片的RF_N引腳連接電容C14的一端，CC2530芯片的RF_P引腳連接電容C13的一端，

電容C14的另一端同時(shí)連接電容C16的一端和電感L12的一端，電容C13的另一端同時(shí)連接電容C15的一端和電感L11的一端，電感L11的另一端和電容C16的另一端同時(shí)連接電容C17的一端，電容C17的另一端接天線，電容C15的另一端和電感L12的另一端同時(shí)接地，

L3G462A陀螺儀的4號(hào)引腳連接放大器AD12的正向輸入端，L3G462A陀螺儀的7號(hào)引腳、放大器AD12的正極和電容C19的一端同時(shí)連接+3.3V電源，電容C19的另一端接電源地，

放大器AD12的反向輸入端同時(shí)連接放大器AD12的輸出端和電阻R14的一端，

CC2530芯片的P0_2引腳連接電阻R14的另一端，CC2530芯片的P0_1引腳連接電阻R13的一端，CC2530芯片的P0_0引腳連接電阻R15的一端，

放大器AD13的反向輸入端和放大器AD13的輸出端同時(shí)連接電阻R15的另一端，

放大器AD11的反向輸入端和放大器AD11的輸出端同時(shí)連接電阻R13的另一端，

L3G462A陀螺儀的5號(hào)引腳連接放大器AD13的正向輸入端，L3G462A陀螺儀的6號(hào)引腳連接放大器AD11的正向輸入端，

放大器AD11的正極和電容C18的一端同時(shí)連接+3.3V電源，放大器AD13的正極和電容C10的一端同時(shí)連接+3.3V電源，

電容C18的另一端和電容C10的另一端均接電源地。

每個(gè)軸均配備獨(dú)立輸出，集成低和高通濾波器，可提供精確的角速度,并實(shí)現(xiàn)Embedded自檢。模擬接口的反應(yīng)速度非?？?，其穩(wěn)定性為±0.04dps/℃，靈敏度達(dá)到±0.017％/℃，具有低噪聲0.017dps/Hz，供電電壓范圍寬，電壓范圍為2.4至3.6V，能工作在省電和睡眠模式，具有高抗沖擊能力。

具體實(shí)施方式三：參照?qǐng)D3具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的基于無線傳感的掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，路由節(jié)點(diǎn)電路2包括：CC2530芯片、CC2591芯片、電容C21、電容C22、電容C23、電阻R21、電阻R22、電感L21、晶振Y21和晶振Y22；

CC2530芯片的DCOUPL引腳連接電容C21的一端，電容C21的另一端接電源地，

CC2530芯片的P2_3引腳和CC2530芯片的P2_4引腳分別連接晶振Y21的兩端，CC2530芯片的XOSC_Q0引腳和CC2530芯片的XOSC_Q1引腳分別連接晶振Y22的兩端，

CC2530芯片的P1_4引腳連接CC2591芯片的HGM引腳，CC2530芯片的P1_2引腳連接CC2591芯片的EN引腳，CC2530芯片的P0_7引腳連接CC2591芯片的PAEN引腳，

CC2530芯片的RBIAS引腳連接電阻R21的一端，電阻R21的另一端接電源地，

CC2530芯片的RF_N引腳連接CC2591芯片的RF_N引腳，CC2530芯片的RF_P引腳連接CC2591芯片的RF_P引腳，

CC2591芯片的BIAS引腳連接電阻R22的一端，電阻R22的另一端接電源地，

CC2591芯片的ANT引腳連接電感L21的一端，電感L21的另一端同時(shí)連接電容C22的一端和電容C23的一端，電容C22的另一端接天線，電容C23的另一端接電源地。

路由節(jié)點(diǎn)仍然采用CC2530，用CC2530芯片外加低功耗射頻前端CC2591，用來放大輸出功率，其他部分外圍電路同傳感器節(jié)點(diǎn)相同。

具體實(shí)施方式四：參照?qǐng)D4具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的基于無線傳感的掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，協(xié)調(diào)器3包括：CC2530芯片、CC2591芯片、電容C31、電容C32、電容C33、電阻R31、電阻R32、電感L31、晶振Y31、晶振Y32和RS232串口通信電路；

CC2530芯片的DCOUPL引腳連接電容C31的一端，電容C31的另一端接電源地，

CC2530芯片的P2_3引腳和CC2530芯片的P2_4引腳分別連接晶振Y31的兩端，CC2530芯片的XOSC_Q0引腳和CC2530芯片的XOSC_Q1引腳分別連接晶振Y32的兩端，

CC2530芯片的P1_4引腳連接CC2591芯片的HGM引腳，CC2530芯片的P1_2引腳連接CC2591芯片的EN引腳，CC2530芯片的P0_7引腳連接CC2591芯片的PAEN引腳，

CC2530芯片的RBIAS引腳連接電阻R31的一端，電阻R31的另一端接電源地，

CC2530芯片的RF_N引腳連接CC2591芯片的RF_N引腳，CC2530芯片的RF_P引腳連接CC2591芯片的RF_P引腳，

CC2591芯片的BIAS引腳連接電阻R32的一端，電阻R32的另一端接電源地，

CC2591芯片的ANT引腳連接電感L31的一端，電感L31的另一端同時(shí)連接電容C32的一端和電容C33的一端，電容C32的另一端接天線，電容C33的另一端接電源地。

CC2530芯片的0_3引腳和CC2530芯片的0_4引腳均與RS232串口通信電路相連。

協(xié)調(diào)器同樣采用CC2530控制器，與路由節(jié)點(diǎn)基本相同，增加了串口通信電路。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路圖如圖4所示。通訊接口采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232，將各節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過串口上傳到計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式五：參照?qǐng)D5具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式四所述的基于無線傳感的掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，RS232串口通信電路包括：MAX232芯片、電容C41、電容C42、電容C43、電容C44和電容C45；

MAX232芯片的R1IN引腳連接協(xié)調(diào)器3中CC2591芯片的0_4引腳，MAX232芯片的T1OUT引腳連接協(xié)調(diào)器3中CC2591芯片的0_3引腳，

電容C41的兩端分別連接MAX232芯片的1號(hào)引腳和3號(hào)引腳，電容C42的兩端分別連接MAX232芯片的4號(hào)引腳和5號(hào)引腳，

電容C43的一端、電容C44的一端和電容C45的一端同時(shí)接電源地，

電容C43的另一端和MAX232芯片的16號(hào)引腳同時(shí)接+5V電源，

電容C44的另一端與MAX232芯片的2號(hào)引腳相連，

電容C45的另一端與MAX232芯片的6號(hào)引腳相連。