掘進機自主定位定向系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)計一種巷道掘進領(lǐng)域的掘進機，特別是涉及一種掘進機自主定位定 向系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 掘進機是實現(xiàn)地下巷道掘進工作的核心設(shè)備。在傳統(tǒng)的地下巷道掘進過程中。掘 進機的掘進路線首先由地測部門繪制，根據(jù)安裝在巷道后方的點激光指向儀發(fā)射至巷道前 方巖壁的激光斑的位置，由掘進機駕駛員控制掘進機的掘進方向。由于礦井巷道環(huán)境惡劣， 這種掘進方法不僅效率低，而且精度有限。此外，點激光指向儀固定在巷道后方頂板處，安 裝、拆卸、標定十分麻煩，并且大大增加了礦井工作人員的工作強度及工作危險性。
[0003] 隨著社會的進步，礦井工作人員的安全受到了越來越多的關(guān)注。近年來，一些高等 院校和其他科研機構(gòu)針對巷道無人化掘進問題進行了一定的研究。
[0004][0005][0006][0007][0008][0009] 上述幾種方法有許多共同之處，即先將巷道基準固定在巷道后方。再利用點激光、 線激光、紅外線等進行測量，建立掘進機坐標系與巷道坐標系的幾何關(guān)系，再通過數(shù)學解算 得到掘進機相對于基準的位置關(guān)系。但這些方法都存在很多局限性：
[0010] (1)井下環(huán)境惡劣，粉塵很大，不利于紅外線、激光及可見光的傳輸，從而導致測量 精度低。
[0011] (2)上述幾種方法都需要在巷道后方人工建立基準，當掘進距離超過系統(tǒng)有效測 量范圍時，再次需要對基準進行人工移動和標定。上述這些系統(tǒng)只達到了半自動化水平，礦 井工作人員仍然處于危險中，無法從根本上把勞動力從地下解放出來。
[0012][0013][0014] (1)該系統(tǒng)只能在二維平面上檢測掘進機掘進路線是否為直線，當預設(shè)掘進路線 為弧線時，則系統(tǒng)無法精準確定掘進機掘進機路線與預設(shè)掘進機的偏差，即系統(tǒng)失效。
[0015] (2)在該系統(tǒng)中，節(jié)點與掘進機定位點之間的測距是利用頻率在IGhz以下的無線 電波在不同無線模塊之間的飛行時間與光速的乘積得來。而不同的模塊之間的時鐘存在著 時鐘不同步的問題。由于光速的量級很大，因此微小的時間誤差都將大大影響到測距的精 度。因此該系統(tǒng)的精度很難滿足國家巷道成型標準。
[0016] (3)該系統(tǒng)在掘進機掘進過程中，要在機身上安裝節(jié)點投放裝置并需攜帶大量中 繼節(jié)點。一方面隨著隨著巷道距離的增長，系統(tǒng)成本也隨之大大增加。另一方面，隨著投放 節(jié)點數(shù)量的增多，也大大增加了系統(tǒng)的復雜性和累積誤差。
[0017] (4)由于巷道環(huán)境惡劣，地面凹凸不平，掘進機尾部還要攜帶隨機前行的刮板輸送 機，并且常伴有煤巖垮落。因此，被投放的中繼節(jié)點很容易被掩埋或損壞，并且任意一個中 繼節(jié)點被損壞都將導致整個系統(tǒng)的失效，因此該方法不具有較高實用性。
[0018] 鑒于以上實用新型的種種缺陷，為了實現(xiàn)掘進機的完全自主掘進作業(yè)，將礦井工 作人員徹底從地下巷道的繁重危險的工作中解救出來，經(jīng)過不斷的研究及設(shè)計，并經(jīng)反復 試驗及改進后，終于創(chuàng)設(shè)出確具實用價值的本實用新型。 【實用新型內(nèi)容】
[0019] 技術(shù)問題：本實用新型的主要目的在于，針對目前礦井巷道綜掘工作面實際情況 及現(xiàn)有掘進機定位及定向技術(shù)的種種缺陷。提出一種掘進機自主定位定向系統(tǒng)及方法，主 要包括掘進機三維坐標自主定位技術(shù)，機身位姿參數(shù)自主定向技術(shù)，基準自主前移及自主 標定技術(shù)。旨在實現(xiàn)在整個巷道掘進過程中無需人工參與，掘進機可自主進行定位定向。
[0020] 技術(shù)方案：本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的：該定位系統(tǒng)包括：可編程計算機控 制器；尋北儀；傾角傳感器；4個自行走式定位基站；7個自帶銣原子鐘的超寬帶無線電模 塊，其中3個超寬帶無線電模塊固定在掘進機機身定位匣中，其余4個分別安裝在4個自行 走式定位基站上。4個自行走式定位基站位于掘進機后方，作為掘進機定位定向的基準。定 位基站相對于巷道起始點的三維坐標已知，由地測人員在巷道掘進開始之前進行測量。
[0021] 所述的掘進機自主定位定向系統(tǒng)，其特征是：所述的自行走式定位基站由輪式行 走裝置；5路紅外測距儀；單片機；步進電機；帶有高精度銣原子鐘的超寬帶無線電模塊； 本安電池構(gòu)成。各模塊通過接口電路與單片機相連接并可進行實時通信，由本安電池進行 供電。
[0022] 所述的掘進機自主定位定向系統(tǒng)，其特征是：所述的超寬帶無線電模塊由脈沖電 路；通信電路；天線；高精度銣原子鐘構(gòu)成；脈沖電路信號經(jīng)天線可發(fā)射3. 4-10. 6Ghz量級 的高頻率無線電脈沖。通信電路可對無線電信號進行調(diào)制解調(diào)，從而實現(xiàn)多個無線電模塊 之間的雙向通信。高精度如原子鐘可實時記錄脈沖發(fā)射時刻和接收時刻。
[0023] 所述的掘進機自主定位定向系統(tǒng)，其特征是：可編程計算機控制器、陀螺尋北儀、2 個傾角傳感器安裝在掘進機機身電控箱內(nèi)。陀螺尋北儀及傾角傳感器通過接口電路與可編 程計算機控制器相連接，并可實現(xiàn)實時通信。
[0024] 所述的掘進機自主定位定向系統(tǒng)，其特征是：所述的掘進機機身定位匣包括超寬 帶無線電模塊1個；液壓減震油缸3個；傘形橡膠保護盔1個。超寬帶無線電模塊固定在掘 進機機身表面，三個液壓減震油缸均勻分布在超寬帶無線電模塊，減震油缸一端固定在掘 進機機身表面，另一端連接傘形橡膠保護盔。
[0025] 所述的掘進機自主定位定向系統(tǒng)，其特征是：所述的掘進機機身定位匣共有3個， 每個匣內(nèi)安裝一個超寬帶無線電模塊，通過接口電路與電控箱內(nèi)的可編程計算機控制器相 連接，并實現(xiàn)實時通信。
[0026] 所述的掘進機自主定位定向系統(tǒng)的掘進機自主定位定向方法是：
[0027] (1)巷道掘進機開始前，掘進機及定位基站群相對于巷道起始點位置的坐標關(guān)系 由地測部門進行測量。當巷道掘進開始后，定位基站群保持靜止，與此同時，掘進機按照預 設(shè)掘進機路線向前掘進。
[0028] (2)當掘進機坐標與位姿信息發(fā)生變化時，啟動安裝在定位基站群的超寬帶無線 電模塊。對安裝在掘進機機身定位匣中的超寬帶無線電模塊依次發(fā)射不同脈位的高頻率超 寬帶無線電脈沖信號，不同脈位的脈沖信號代表不同的定位基站。當脈沖發(fā)射的瞬間，由模 塊內(nèi)的高精度銣原子鐘記錄下發(fā)射時刻。當機身無線電模塊收到來自定位基站的脈沖信號 時，立刻向定位基站反射一個帶有自身脈位信息脈沖信號。當定位基站收到來自機身無線 電模塊的脈沖信號的瞬間，由高精度銣原子鐘記錄下接收時刻。而銣原子鐘內(nèi)接收時刻與 發(fā)射時刻的差值即電磁波在兩個模塊之間兩次飛行的時間。
[0029] (3)經(jīng)過安裝在定位基站中的單片機處理，將時間信息換算為距離信息，再經(jīng)過通 信電路發(fā)射到掘進機電控箱內(nèi)可編程計算機控制器中。根據(jù)不同無線電模塊