CN114689045A - 一种掘进机定位导航系统以及定位导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种掘进机定位导航系统，包括全站仪和惯性导航系统，所述全站仪进行高精度位置角度测量，所述惯性导航系统进行高精度姿态航向测量；所述定位导航系统还包括反光棱镜，所述惯性导航系统设置在掘进机上，所述全站仪设置在距离掘进机5m～20m的煤矿巷道内，所述反光棱镜设置在所述掘进机后部，并且所述全站仪能够实时测量所述反光棱镜。本发明实施例提供的掘进机定位导航系统，采用全站仪与光纤捷联惯性导航系统进行组合导航方式进行掘进机定位；充分结合全站仪及惯性导航系统的工作原理特性，结合掘进机掘进工艺，进行导航系统工作流程设定，充分保证掘进机精准定位。
Description
技术领域
本发明涉掘进机的定位导航技术领域，尤其涉及一种掘进机定位导航系统以及定位导航方法。
背景技术
悬臂式掘进机是目前煤矿井下应用最多的巷道掘进装备，随着煤矿智能化的的建设，掘进机精准定位在煤矿井下恶劣环境下面临诸多难题，目前井下采用的一些定位方式，如全站仪、惯性导航、激光、里程计、UWB，均存在环境适应能力差和精度误差偏大等问题，一些组合定位方式如全站仪与惯性导航、惯性导航和UWB等方式均不能完成精准定位的目标。
近年来，一些高等院校和其他科研机构针对巷道掘进智能化的定位导航问题进行了一定的研究。
公开号“CN105178967A”专利名称为“掘进机自主定位定向系统及方法”，该专利利用可编程控制器、定位基站、陀螺仪、倾角传感器、机身定位匣。定位基站群相对于巷道坐标系位置已知，当掘进机行进时使用超宽带无线电脉冲测距法解算掘进机位姿参数。当掘进机停止时通过陀螺仪及倾角传感器对掘进机位姿参数进行矫正。从而实现掘进机定位定向。
公开号“CN111273270A”专利名称为“一种掘进机定位定向方法”，该专利用掘进机后方的巷道内设置有测距板，掘进机上设置有三维雷达和倾角测量仪，三维雷达朝向测距板，利用三维雷达实时获取巷道环境的点云数据，用倾角测量仪实时测量掘进机的机身倾角，对点云数据和机身倾角进行数据融合和提取，得到掘进机的相对定位。
公开号为“CN101975063A”专利名称为“掘进机激光引导定位定向装置及方法”。该专利利用巷道激光指向仪，在掘进机悬臂上安装激光接收器，通过激光指向仪发射的光斑在激光接收器上的位置来判断悬臂的位置，通过悬臂油缸及悬臂倾角传感器推导出掘进机的位姿信息。
公开号为“CN102589514A”专利名称为“掘进机位姿参数测量装置及其方”。该专利利用激光指向仪、及掘进机机身上安装的两个可摇摆矩形光传感器来计算掘进机的位姿。
底板不平与粉尘环境影响光线传输，掘进工作中机身振动强烈随着运行时间增长造成惯性单元漂移、误差增大，履带打滑造成里程计误差等问题，UWB在掘进工作面保证定位精度移动设立多站点存在很多不便，这些方法均存在局限性，人工建立基准需要不断进行移动标定，仍需要人工操作，系统整体还不能实现掘进的精准定位。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种掘进机定位导航系统以及定位导航方法。
本发明实施例的第一方面提供一种掘进机定位导航系统，包括：
全站仪(1)和惯性导航系统(2)，所述全站仪(1)进行高精度位置角度测量，所述惯性导航系统(2)进行高精度姿态航向测量；
所述定位导航系统还包括反光棱镜(3)，所述惯性导航系统(2)设置在掘进机(4)上，所述全站仪(1)设置在距离掘进机5m～20m的煤矿巷道内，所述反光棱镜(3)设置在所述掘进机(4)后部，并且所述全站仪(1)能够实时测量所述反光棱镜(3)。
优选地，
所述定位导航系统还包括综合信息处理装置及显控设备(5)，所述全站仪(1)和所述惯性导航系统(2)均通过所述综合信息处理装置及显控设备(5)进行信息处理和信息显示。
优选地，
所述惯性导航系统(2)包括三轴光纤陀螺仪组合(21)、石英加速度计(22)、直流电源(23)、I/F转换电路(24)和导航计算机(25)。
优选地，
所述惯性导航系统(2)完成掘进机(4)的姿态和位置计算，所述全站仪(1)用以完成绝对位置测量和实时跟踪所述掘进机(4)上的反光棱镜(3)。
本发明实施例第二方面提供了一种掘进机的定位导航方法，使用以上所述的掘进机定位导航系统进行定位导航。
所述定位导航方法包括以下步骤：
S1：所述全站仪设置在距离所述掘进机10m-15m处，利用已知位置点进行全站仪的自主设站，自主设站完成后，使用所述全站仪测量所述惯性导航系统的精确初始位置；
S2：掘进机静止时，掘进机发动机未启动，惯性导航系统上电，输入位置信息，进行对准20min，对准完成后自动进行导航，并且惯性导航系统进行自动零速判断和修正；同时，所述全站仪实时跟踪定位掘进机上的反光棱镜；
S3：掘进机在工作过程中，所述惯性导航系统实时测量掘进机的航向、姿态和速度，同时全站仪测量掘进机的位置，并且所述惯性导航系统将测得的信息和所述全站仪测得的信息发送至所述综合信息处理装置及显控设备进行数据融合并显示在显控装置上；
S4：掘进机在完成截割一个断面后进行巷道支护，此时所述惯性导航系统进行自动零速修正，并且惯性导航系统利用全站仪进行位置修正；
S5：掘进机掘进工作完成一个班组或截割达到5m～6m后，惯性导航系统和全站仪均断电；然后将全站仪人工向前移动至距掘进机10m处，重复步骤S1～S4。
优选地，
步骤S1中，全站仪的自主设站方法为：全站仪采用后视交汇方法利用已知位置P1、P2和P3进行自主设站，完成对全站仪自身位置的定位；
步骤S3中，全站仪测量掘进机的位置，测量方法包括：
(1)全站仪航向矫正：采用全站仪自身定位结果和已知位置点进行航向矫正，在保证测量精度前提下，通视距离选用50m及以上的点进行航向矫正，
(2)全站仪定位掘进机位置：全站仪实时跟踪测量掘进机上的反光棱镜，实时计算掘进机的坐标从而测量掘进机的位置。
优选地，
所述步骤S2中，其中全站仪实时跟踪定位掘进机上的反光棱镜包括以下步骤：
步骤一，反光棱镜搜索过程：首先进行反光棱镜搜索过程，如果在全站仪的望远镜市场内未发现反光棱镜，全站仪的望远镜则在全站仪的马达的驱动下按照螺旋式或矩形式连续搜索反光棱镜，一旦探测到反光棱镜，望远镜立即停止搜索，即刻进入步骤二；
步骤二，反光棱镜锁定跟踪：反光棱镜锁定跟踪是一种自动反馈过程；当反光棱镜移动时，全站仪的控制系统试图使测量值偏差最小，则通过控制电路来确定全站仪马达转动的电流，驱动轴系让望远镜锁定跟踪反光棱镜。
本发明实施例第三方面提供了一种掘进机定位导航系统，其特征在于：包括全站仪和位姿传感器系统，所述位姿传感器系统为惯性导航系统、激光雷达系统、里程计系统或UWB定位传感器的任意一种。
本发明实施例提供的技术方案中，采用全站仪与光纤捷联惯性导航系统进行组合导航方式进行掘进机定位；充分结合全站仪及惯性导航工作原理特性，结合掘进机掘进工艺，进行导航系统工作流程设定：系统准备阶段完成全站仪自主设站，工作中惯性导航系统上电对准，完成修正，全站仪跟踪掘进机上反光棱镜，掘进阶段通过惯性导航系统实时测量航向姿态和速度，全站仪测量掘进机位置，利用支护阶段惯性导航系统进行自动零速修正，同时利用全站仪进行位置修正，保证掘进机精准定位。
附图说明
图1为本发明实施例中一种掘进机定位导航系统布局示意图；
图2为本发明实施例中一种掘进机定位导航系统惯性导航工作原理示意图；
图3为本发明实施例中一种掘进机定位导航方法全站仪后视定位解算原理图；
1-全站仪；2-惯性导航系统；3-反光棱镜；4-掘进机；5-综合信息处理装置及显控设备；21-三轴光纤陀螺仪组合；22-石英加速度计；23-直流电源；24-I/F转换电路；25-导航计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-2，本发明实施例中一种掘进机定位系统一个实施例：
本发明提供的一种掘进机定位导航系统，结合惯性导航系统2具备的高精度姿态航向测量功能和全站仪1的高精度位置角度测量功能。
掘进机4工作中属于长时间、短距离非连续运动，惯性导航系统2利用自身的陀螺和加速度计进行自主对准和导航，并能结合掘进机4的启停信号自主判断掘进机的动态进行自动零速修正；掘进机非连续性运行为惯性导航系统采用自动零速修正提供了条件，掘进机利用间歇性的停车时刻修正速度和位置误差，修正惯性器件的常值误差。惯性导航系统是否零速采用掘进机的启停信号和加速度计输出进行判断。
全站仪激光定位的精度在厘米级，但由于场景限制，导致在掘进过程中无法全程工作，在支护或者掘进的间隙能够实现定位，对惯性导航系统的导航结果进一步优化，达到厘米级定位结果。掘进机定位导航系统布局见图1
全站仪采用巷道吊装的安装方式，全站仪采用后视交汇测量法(测试原理如图3所示)，根据已知位置点(至少3个，图1中的P1、P2、P3三点)，测量全站仪自身位置和航向校准；利用准确的全站仪自身位置和航向实时跟踪计算掘进机车身上固定位置的反光棱镜3，全站仪输出信号包括航向角、俯仰角、测距，综合信息处理装置通过几何关系计算得到反光棱镜3位置的测量坐标Pg(Xg，Yg，Zg)。反光棱镜装在掘进机后部高处与掘进机车身固连，避免运动过程中遮挡，可装在掘进机电气设备箱上部，并需准确测量出棱镜中心点距离惯性导航中心点的三向杆臂参数。
惯性导航系统由三轴光纤陀螺仪组合21、石英加速度计22、直流电源23、I/F转换电路24、导航计算机25组成。直流电源将供电电源转换成惯性导航系统的二次电源，给分部件供电。惯性导航系统工作时，三轴光纤陀螺仪敏感载体角运动，输出与载体运动角速率成比例的数字信号；三个正交配置的加速度计敏感载体的线加速度，输出与其成比例的电流信号，电流信号经过I/F转换电路转换为频率信号输入导航计算机。导航计算机完成陀螺仪、加速度计、自动零速判断和匹配、系统误差补偿计算、导航解算，并以规定的周期对外发送实时的速度、位置、姿态等导航信息。惯性导航工作原理图见图2。
实施例2
上面对本发明实施例中的一种掘进机定位导航系统进行了描述，下面对本发明实施例中的一种掘进机定位导航方法进行描述，请参阅图3，本发明实施例中一种掘进机定位导航方法一个实施例：采用上述掘进机定位导航系统对掘进机进行定位导航；
全站仪实时跟踪测量掘进机上反光棱镜目标，主要分为反光棱镜搜索和反光棱镜锁定跟踪两步。
反光棱镜搜索过程：首先进行反光棱镜搜索过程，在全站仪的望远镜视场内未发现反光棱镜，望远镜在全站仪的马达的驱动下按螺旋式或矩形式连续搜索反光棱镜。一旦探测到棱镜，望远镜马上停止搜索，即刻进入反光棱镜跟踪过程。
反光棱镜锁定跟踪：反光棱镜跟踪基本是一种自动反馈过程。当反光棱镜移动时，全站仪控制系统试图使测量值偏差最小，则通过控制电路来确定马达转动的电流，驱动轴系让望远镜锁定跟踪反光棱镜。反光棱镜跟踪在整个测量过程中是连续进行的，具有消除重叠抖动和预测保持功能。
全站仪定位解算定位坐标系：X方向—南北方向，北向为正；Y方向—东西方向东向为正；Z方向—高低方向，向下为正；坐标零点(0,0,0)为煤矿巷道起始点。
全站仪定位导航步骤:
(1)全站仪自主设站：全站仪井下利用已知位置点(P1、P2、P3)进行自主设站，采用后视交汇方法，原理见图3，完成对全站仪自身位置的定位，起始位置需要井下测绘大队给出准确位置。至少采用3个已知位置点进行测量，角度在30°到120°。
(2)全站仪航向校正：采用全站仪自身定位结果和已知位置点进行航向校正(校准全站仪航向与井下航向的安装误差)，保证测量精度前提下，通视距离选用50m以上的点进行航向校正。
(3)全站仪定位掘进机位置：全站仪实时跟踪测量掘进机的反光棱镜，实时计算掘进机的坐标。
掘进机定位导航工作流程
(1)全站仪设站距离掘进机10-15m处，利用已知点进行全站仪的自主设站，自主设站完成后，利用全站仪测量惯性导航系统的精确初始位置。
(2)掘进机静止，未启动掘进机发动机，惯性导航系统上电，输入位置信息，进行对准20min，对准完成后自动进行导航，并进行自动零速判断和修正，全站仪实时跟踪定位掘进机上的反光棱镜；
(3)掘进机在工作过程中，惯性导航系统实时测量掘进机的航向、姿态和速度，全站仪测量掘进机位置，两个设备将信息发送至综合信息处理装置及显控设备，进行数据融合并显示在显控装置上。
(4)掘进机在完成截割一个断面后进行巷道支护，此时惯性导航系统进行自动零速修正，并利用全站仪位置进行位置修正。
(5)掘进工作完成一个班组后或截割达到5-6m后，惯性导航系统断电，全站仪断电。将全站仪向前移动至距掘进机10m处，完成设站工作。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种掘进机定位导航系统，包括全站仪(1)和惯性导航系统(2)，其特征在于：所述全站仪(1)进行高精度位置角度测量，所述惯性导航系统(2)进行高精度姿态航向测量；
所述定位导航系统还包括反光棱镜(3)，所述惯性导航系统(2)设置在掘进机(4)上，所述全站仪(1)设置在距离掘进机5m～20m的煤矿巷道内，所述反光棱镜(3)设置在所述掘进机(4)后部，并且所述全站仪(1)能够实时测量所述反光棱镜(3)。
2.根据权利要求1所述的一种掘进机定位导航系统，其特征在于：所述定位导航系统还包括综合信息处理装置及显控设备(5)，所述全站仪(1)和所述惯性导航系统(2)均通过所述综合信息处理装置及显控设备(5)进行信息处理和信息显示。
3.根据权利要求1所述的一种掘进机定位导航系统，其特征在于：所述惯性导航系统(2)包括三轴光纤陀螺仪组合(21)、石英加速度计(22)、直流电源(23)、I/F转换电路(24)和导航计算机(25)。
4.根据权利要求1所述的一种掘进机定位导航系统，其特征在于：所述惯性导航系统(2)完成掘进机(4)的姿态和位置计算，所述全站仪(1)用以完成绝对位置测量和实时跟踪所述掘进机(4)上的反光棱镜(3)。
5.一种掘进机的定位导航方法，其特征在于：使用权利要求1～4任一项所述的掘进机定位导航系统进行定位导航。
6.根据权利要求5所述的一种掘进机的定位导航方法，其特征在于：所述定位导航方法包括以下步骤：
S1：所述全站仪设置在距离所述掘进机10m-15m处，利用已知位置点进行全站仪的自主设站，自主设站完成后，使用所述全站仪测量所述惯性导航系统的精确初始位置；
S2：掘进机静止时，掘进机发动机未启动，惯性导航系统上电，输入位置信息，进行对准20min，对准完成后自动进行导航，并且惯性导航系统进行自动零速判断和修正；同时，所述全站仪实时跟踪定位掘进机上的反光棱镜；
S3：掘进机在工作过程中，所述惯性导航系统实时测量掘进机的航向、姿态和速度，同时全站仪测量掘进机的位置，并且所述惯性导航系统将测得的信息和所述全站仪测得的信息发送至所述综合信息处理装置及显控设备进行数据融合并显示在显控装置上；
S4：掘进机在完成截割一个断面后进行巷道支护，此时所述惯性导航系统进行自动零速修正，并且惯性导航系统利用全站仪进行位置修正；
S5：掘进机掘进工作完成一个班组或截割达到5m～6m后，惯性导航系统和全站仪均断电；然后将全站仪人工向前移动至距掘进机10m处，重复步骤S1～S4。
7.根据权利要求6所述的一种掘进机的定位导航方法，其特征在于：步骤S1中，全站仪的自主设站方法为：全站仪采用后视交汇方法利用已知位置P1、P2和P3进行自主设站，完成对全站仪自身位置的定位；
步骤S3中，全站仪测量掘进机的位置，测量方法包括：
(1)全站仪航向矫正：采用全站仪自身定位结果和已知位置点进行航向矫正，在保证测量精度前提下，通视距离选用50m及以上的点进行航向矫正，
(2)全站仪定位掘进机位置：全站仪实时跟踪测量掘进机上的反光棱镜，实时计算掘进机的坐标从而测量掘进机的位置。
8.根据权利要求6所述的一种掘进机的定位导航方法，其特征在于：所述步骤S2中，其中全站仪实时跟踪定位掘进机上的反光棱镜包括以下步骤：
步骤一，反光棱镜搜索过程：首先进行反光棱镜搜索过程，如果在全站仪的望远镜市场内未发现反光棱镜，全站仪的望远镜则在全站仪的马达的驱动下按照螺旋式或矩形式连续搜索反光棱镜，一旦探测到反光棱镜，望远镜立即停止搜索，即刻进入步骤二；
步骤二，反光棱镜锁定跟踪：反光棱镜锁定跟踪是一种自动反馈过程；当反光棱镜移动时，全站仪的控制系统试图使测量值偏差最小，则通过控制电路来确定全站仪马达转动的电流，驱动轴系让望远镜锁定跟踪反光棱镜。
9.一种掘进机定位导航系统，其特征在于：包括全站仪和位姿传感器系统，所述位姿传感器系统为惯性导航系统、激光雷达系统、里程计系统或UWB定位传感器的任意一种。
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2022
- 2022-05-09 CN CN202210500963.2A patent/CN114689045A/zh active Pending
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