本發(fā)明專利涉及自動化掘進(jìn)裝備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

我國是煤炭的開采與消費(fèi)大國，煤礦建設(shè)及煤炭開采過程中都面臨對隧道或巷道的掘進(jìn)問題；同時(shí)，在公路、鐵路、隧道工程、水電工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中也存在大量的隧洞掘進(jìn)要求。

上述工程中使用懸臂式掘進(jìn)機(jī)是常見的施工方式之一。懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為一種高效的采掘機(jī)械，廣泛應(yīng)用于巷道和隧道的挖掘。由于掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境差，危險(xiǎn)性大，人工操作局限性很大，其自動化作業(yè)是發(fā)展的必然趨勢。

要想實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動化作業(yè)，首先要解決的就是在巷道或隧道中對掘進(jìn)機(jī)精確定位和定姿等問題；目前，已有很多文獻(xiàn)提出了掘進(jìn)機(jī)位姿檢測的方法，但是由于巷道掘進(jìn)工程中的復(fù)雜環(huán)境和掘進(jìn)機(jī)工作的惡劣條件，很多定位方法都存在一定的局限性，尤其是在彎曲巷道施工中，大多數(shù)的定位方法都無法使用，不僅無法為掘進(jìn)機(jī)的自動控制提供條件，而且限制了巷道或隧道設(shè)計(jì)時(shí)的多樣性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于彎道施工的掘進(jìn)定位系統(tǒng)及方法技術(shù)，既能夠在直線巷道中使用，又能夠在彎曲巷道中使用，通過組合定位方法實(shí)時(shí)精確的對掘進(jìn)機(jī)在巷道中的六自由度位姿參數(shù)進(jìn)行解算，解決了掘進(jìn)機(jī)在巷道或隧道中的精確定位和定姿問題，為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動化作業(yè)提供了必要條件。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種用于彎道施工的掘進(jìn)定位系統(tǒng)，包括掘進(jìn)模塊、智能全站儀模塊、反射平面裝置、通信與控制模塊、捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊、雙軸傾角傳感器模塊和掘進(jìn)定位棱鏡模塊；所述通信與控制模塊、捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊、雙軸傾角傳感器模塊和定位棱鏡模塊同時(shí)設(shè)置在掘進(jìn)模塊上，所述智能全站儀模塊設(shè)置在掘進(jìn)模塊后方，所述反射平面機(jī)構(gòu)位于掘進(jìn)模塊和智能全站儀模塊之間；

所述掘進(jìn)定位棱鏡模塊包括共線設(shè)置的前定位棱鏡組件和后定位棱鏡組件；

所述反射平面裝置包括控制器、行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)、激光反射平面組件、反射平面定位棱鏡組件和全站儀后視棱鏡組件；所述的回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝在行走機(jī)構(gòu)上，所述反射平面定位棱鏡組件設(shè)置在回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)上；所述控制器設(shè)置在反射平面裝置內(nèi)部，用于控制行走機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，并實(shí)時(shí)存儲激光反射平面相對于行走機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的，所述反射平面定位棱鏡組件包括至少3組360°棱鏡；所述全站儀后視棱鏡組件包括2組關(guān)于行走機(jī)構(gòu)對稱設(shè)置的360°棱鏡。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的，一種用于彎道施工的掘進(jìn)定位方法包括以下步驟：

a．掘進(jìn)模塊在巷道內(nèi)工作時(shí)，首先由智能全站儀在可視距離內(nèi)直接對掘進(jìn)模塊定位；

b.當(dāng)智能全站儀模塊對掘進(jìn)機(jī)定位棱鏡由于巷道彎曲等非視距原因無法有效定位時(shí)，將反射平面裝置設(shè)置在掘進(jìn)模塊與智能全站儀之間的彎曲巷道內(nèi),并固定；

c.由智能全站儀模塊對反射平面裝置的定位棱鏡進(jìn)行定位，從而得到反射平面裝置在巷道中的六自由度位姿參數(shù)，激光反射平面組件相對于反射平面裝置行走機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度由控制器實(shí)時(shí)解算，故激光反射平面組件在巷道中可由已知的平面方程表示；通過鏡面反射原理，當(dāng)智能全站儀測量計(jì)算得到掘進(jìn)定位棱鏡模塊的坐標(biāo)后，求該點(diǎn)相對于激光反射平面組件的對稱點(diǎn)，即為掘進(jìn)定位棱鏡模塊在巷道中的實(shí)際三維坐標(biāo)；

d.當(dāng)掘進(jìn)模塊前進(jìn)足夠遠(yuǎn)的距離，使用激光反射平面機(jī)構(gòu)也因超出視距范圍而不能對掘進(jìn)定位棱鏡模塊進(jìn)行有效定位時(shí)，則需要智能全站儀的快速移站操作，此時(shí)反射平面裝置的位姿參數(shù)仍然是已知的，即全站儀后視棱鏡組件在巷道中的三維坐標(biāo)是已知的；將智能全站儀移動到掘進(jìn)模塊與反射平面裝置之間的合適位置，使用后視法通過全站儀后視棱鏡組件對智能全站儀進(jìn)行定位，然后將反射平面裝置移動到掘進(jìn)模塊與智能全站儀之間的合適位置，并固定；

e.重復(fù)步驟c至步驟d，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)彎曲巷道掘進(jìn)過程中掘進(jìn)模塊的實(shí)時(shí)精確定位；

f．當(dāng)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入直線巷道施工，不需要反射平面裝置就能夠?qū)蜻M(jìn)模塊進(jìn)行有效的組合定位。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的，所述定位方法采用智能全站儀模塊與捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊結(jié)合的組合定位方式，智能全站儀模塊通過對掘進(jìn)定位棱鏡模塊進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算，能夠得到掘進(jìn)模塊的位置參數(shù)與機(jī)體方向角參數(shù)，再通過雙軸傾角傳感器模塊得到機(jī)體的橫滾角與俯仰角，即可得到掘進(jìn)模塊六自由度位姿參數(shù)，另外，使用捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊也能實(shí)時(shí)解算掘進(jìn)模塊六自由度位姿參數(shù)，將兩種定位數(shù)據(jù)進(jìn)行異步融合，即可實(shí)現(xiàn)組合定位。

作為本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)的，當(dāng)需要布置反射平面裝置時(shí)，將其布置在掘進(jìn)模塊與智能全站儀模塊之間的彎曲巷道的外側(cè)，并距離智能全站儀最遠(yuǎn)的位置，并且，所述的激光反射平面組件需要根據(jù)掘進(jìn)模塊的位置調(diào)整相對于反射平面裝置機(jī)體的旋轉(zhuǎn)角度，從而盡量增加智能全站儀模塊單次移站時(shí)的彎道定位距離。

由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：

既能夠在直線巷道中使用，又能夠在彎曲巷道中使用，通過組合定位方法實(shí)時(shí)精確的對掘進(jìn)機(jī)在巷道中的六自由度位姿參數(shù)進(jìn)行解算，解決了掘進(jìn)機(jī)在巷道或隧道中的精確定位和定姿問題，為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動化作業(yè)提供了必要條件。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明：

圖1是本發(fā)明掘進(jìn)定位系統(tǒng)布置示意圖；

圖2是本發(fā)明懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明反射平面機(jī)構(gòu)三維示意圖；

圖4是本發(fā)明鏡面反射定位方法原理示意圖；

圖5是本發(fā)明掘進(jìn)機(jī)彎道施工時(shí)最遠(yuǎn)有效定位距離示意圖；

圖6是本發(fā)明激光反射平面角度變化時(shí)對系統(tǒng)的影響示意圖。

圖中：1、懸臂式掘進(jìn)機(jī)；1.1、通信與控制系統(tǒng)；1.2、捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊；1.3、雙軸傾角傳感器；1.4、掘進(jìn)機(jī)定位棱鏡；2、反射平面機(jī)構(gòu)；2.1、行走機(jī)構(gòu)；2.2、回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置；2.3、步進(jìn)電機(jī)；2.4、激光反射平面；2.5、反射平面機(jī)構(gòu)定位棱鏡；2.6、全站儀后視棱鏡；3、智能全站儀；4、巷道；5、煤巖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1至圖4所示的適用于彎道施工的掘進(jìn)機(jī)定位系統(tǒng)，包括懸臂式掘進(jìn)機(jī)1、反射平面機(jī)構(gòu)2與智能全站儀3。懸臂式掘進(jìn)機(jī)1上布置安裝有通信與控制系統(tǒng)1.1、捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊1.2、雙軸傾角傳感器1.3以及兩個(gè)掘進(jìn)機(jī)定位棱鏡1.4;捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊1.2與通信與控制系統(tǒng)1.1連接，雙軸傾角傳感器1.3也與通信與控制系統(tǒng)1.1連接;兩個(gè)掘進(jìn)機(jī)定位棱鏡1.4為360°棱鏡，安裝在掘進(jìn)機(jī)中心線上，一前一后布置。

反射平面機(jī)構(gòu)2包括行走機(jī)構(gòu)2.1、回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置2.2、步進(jìn)電機(jī)2.3、激光反射平面2.4、反射平面機(jī)構(gòu)定位棱鏡2.5以及全站儀后視棱鏡2.6；回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置2.2安裝在車體上，由步進(jìn)電機(jī)2.3提供動力，帶動激光反射平面2.4旋轉(zhuǎn)；反射平面機(jī)構(gòu)2內(nèi)安裝有控制器，能夠控制行走機(jī)構(gòu)2.1的運(yùn)動與步進(jìn)電機(jī)2.3的運(yùn)動，并時(shí)刻存儲由于步進(jìn)電機(jī)2.3的運(yùn)動導(dǎo)致的激光反射平面2.4相對于反射平面機(jī)構(gòu)2機(jī)體的旋轉(zhuǎn)角度；反射平面機(jī)構(gòu)定位棱鏡2.5與全站儀后視棱鏡2.6結(jié)構(gòu)相同，都為360°棱鏡，前者有3個(gè)，不共線布置，用于反射平面機(jī)構(gòu)2的定位，后者有2個(gè)，用于全站儀移站時(shí)全站儀3的定位。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)1在彎曲巷道工作時(shí)，智能全站儀3只能在一小段距離內(nèi)對掘進(jìn)機(jī)定位；當(dāng)智能全站儀3與掘進(jìn)機(jī)定位棱鏡1.4由于非視距原因無法有效定位時(shí)，則將反射平面機(jī)構(gòu)2放置在掘進(jìn)機(jī)1與智能全站儀3之間的合適位置處，由智能全站儀3對3個(gè)反射平面機(jī)構(gòu)定位棱鏡2.5進(jìn)行定位，從而得到反射平面機(jī)構(gòu)2在巷道4中的六自由度位姿參數(shù)。

由于激光反射平面2.4相對于反射平面機(jī)構(gòu)2機(jī)體的旋轉(zhuǎn)角度可實(shí)時(shí)解算，故激光反射平面2.4在巷道4中可由已知的平面方程表示，通過鏡面反射原理，當(dāng)智能全站儀3測量計(jì)算得到掘進(jìn)機(jī)定位棱鏡1.4的坐標(biāo)后，求該點(diǎn)相對于激光反射平面2-4的對稱點(diǎn)，即為實(shí)際的掘進(jìn)機(jī)定位棱鏡1.4在巷道4中的三維坐標(biāo)。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)工作了足夠遠(yuǎn)的距離，使用反射平面機(jī)構(gòu)2也會由于非視距不能對掘進(jìn)機(jī)定位棱鏡1.4進(jìn)行有效定位時(shí)，則需要智能全站儀3的快速移站操作，將智能全站儀3移動到掘進(jìn)機(jī)1與反射平面機(jī)構(gòu)2之間的合適位置，此時(shí)反射平面機(jī)構(gòu)2的位姿參數(shù)仍然是已知的，即全站儀后視棱鏡2.6在巷道中的三維坐標(biāo)是已知的，使用后視法通過全站儀后視棱鏡2.6對智能全站儀3進(jìn)行定位，然后將反射平面機(jī)構(gòu)2移動到懸臂式掘進(jìn)機(jī)1與智能全站儀3之間的合適位置。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)1的定位采用組合定位方式，智能全站儀3通過對兩個(gè)掘進(jìn)機(jī)定位棱鏡1.4進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算，能夠得到掘進(jìn)機(jī)1的位置參數(shù)與機(jī)體方向角參數(shù)，使用雙軸傾角傳感器1.3得到機(jī)體的橫滾角與俯仰角，即可得到掘進(jìn)機(jī)六自由度位姿參數(shù)，另外，使用捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊1.2也能實(shí)時(shí)解算掘進(jìn)機(jī)1六自由度位姿參數(shù)；其中智能全站儀定位方法定位精度高，沒有累計(jì)誤差，但是定位耗時(shí)長，實(shí)時(shí)性不好，而捷聯(lián)慣導(dǎo)定位方法實(shí)時(shí)性好，但是存在累計(jì)誤差，長時(shí)間定位精度差，使用組合定位方式，將兩種定位數(shù)據(jù)進(jìn)行異步融合，發(fā)揮兩種定位方法的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，提高定位精度與定位實(shí)時(shí)性。

當(dāng)懸臂式掘進(jìn)機(jī)1開掘直線巷道與彎曲巷道組合的巷道時(shí)，其一般工作流程為：

a．掘進(jìn)機(jī)1首先工作于直線巷道，此時(shí)不需要反射平面機(jī)構(gòu)2就能夠?qū)蜻M(jìn)機(jī)進(jìn)行有效的組合定位，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)剛進(jìn)入彎曲巷道，此時(shí)仍然不需要反射平面機(jī)構(gòu)2；

b．當(dāng)掘進(jìn)機(jī)繼續(xù)開掘，智能全站儀會由于非視距無法對掘進(jìn)機(jī)定位棱鏡1.4進(jìn)行有效定位，則需要將反射平面機(jī)構(gòu)2布置在巷道合適位置，并固定；

c．使用智能全站儀3對反射平面機(jī)構(gòu)2上的反射平面機(jī)構(gòu)定位棱鏡2.5進(jìn)行定位，求得激光反射平面2.4在巷道4中的平面方程，并根據(jù)步進(jìn)電機(jī)2.3的運(yùn)動實(shí)時(shí)更新平面方程，使用鏡面反射方法對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行有效定位，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的六自由度組合定位；

d．掘進(jìn)機(jī)在彎曲巷道中繼續(xù)工作，最終會由于非視距使鏡面反射方法也無法對掘進(jìn)機(jī)有效定位，則需要智能全站儀3的快速移站操作，快速移站后，不需要反射平面機(jī)構(gòu)2也能對掘進(jìn)機(jī)有效定位一段距離；

e．循環(huán)b～d，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)彎曲巷道掘進(jìn)過程中掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)精確組合定位；

f．掘進(jìn)機(jī)完成彎曲巷道，又進(jìn)入直線巷道施工，不需要反射平面機(jī)構(gòu)2就能夠?qū)蜻M(jìn)機(jī)進(jìn)行有效的組合定位。

如圖5所示，當(dāng)需要布置反射平面機(jī)構(gòu)2時(shí)，將其布置在掘進(jìn)機(jī)1與智能全站儀3之間的巷道4外側(cè)，并距離智能全站儀最遠(yuǎn)的位置，此時(shí)，智能全站儀發(fā)射激光與巷道內(nèi)側(cè)壁相切，調(diào)整激光反射平面2.4的角度，使其垂直于過激光反射平面2.4中心點(diǎn)的巷道圓弧半徑，經(jīng)過激光反射平面2.4反射的激光與巷道內(nèi)側(cè)壁相切，這樣能夠達(dá)到掘進(jìn)機(jī)彎道施工時(shí)最遠(yuǎn)的定位距離。

如圖6所示，當(dāng)懸臂式掘進(jìn)機(jī)1與反射平面機(jī)構(gòu)2距離較近，使用圖5中激光反射平面2.4的角度時(shí)，掘進(jìn)機(jī)關(guān)于激光反射平面的對稱點(diǎn)為1'，此時(shí)掘進(jìn)機(jī)與智能全站儀處于非視距狀態(tài)，不能有效定位；適當(dāng)調(diào)整激光反射平面2.4的角度后，掘進(jìn)機(jī)關(guān)于激光反射平面的對稱點(diǎn)為1''，此時(shí)掘進(jìn)機(jī)能夠有效定位。因此，所述的激光反射平面2.4需要根據(jù)掘進(jìn)機(jī)1的位置調(diào)整相對于反射平面機(jī)構(gòu)2機(jī)體的旋轉(zhuǎn)角度，由步進(jìn)電機(jī)2.3的精確控制實(shí)現(xiàn)，從而使掘進(jìn)機(jī)在達(dá)到最遠(yuǎn)定位距離前都能夠由智能全站儀有效定位。

以上僅是本發(fā)明的具體應(yīng)用范例，對本發(fā)明的保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。