[发明专利]一种掘进机绝对空间位姿检测装置与方法

说明书

本发明公开了一种掘进机绝对空间位姿检测装置与方法，由捷联惯导位姿检测方法和视觉位姿检测方法复合而成：使用捷联惯导位姿检测方法实时获取悬臂式掘进机主体的位姿信息，每间隔t时长使用视觉位姿检测方法获取一次悬臂式掘进机主体的位姿信息，然后使用最优估计方法对两种位姿检测方法得到的位姿信息进行异步融合，得到精准的位姿信息，同时更新捷联惯导位姿检测方法的初值；当视觉位姿检测方法获取的激光图像清晰度低于设定阈值时，调整激光图像发生源的位置。本发明适用于巷道中掘进机绝对空间位姿检测，能够实时检测掘进机机体六自由度位姿状态信息，精度高，可靠性好，为实现掘进机的自动化、智能化作业提供条件。

技术领域

本发明涉及一种掘进机绝对空间位姿检测装置与方法，属于自动化掘进技术。

背景技术

我国是煤矿的开采与消费大国，与此同时我国对公路、铁路、隧道工程、水电工程等基础设施建设要求不断增强，这些工程中都面临对隧道或巷道的掘进，悬臂式掘进机是一种常见的采掘机械，广泛应用于巷道和隧道的挖掘。因掘进机工作环境差，危险性大，人工操作局限性很大，故掘进机的自动化作业是发展的必然趋势。我国在掘进机的自动化工作上起步较晚，虽然也取得了长足发展，形成了一部分半自动化掘进工作面，但是还不能适应我国煤炭安全高效生产的需要，存在掘进机定位精度低、巷道断面自动成形质量差、系统可靠性低、工人劳动强度大等问题。为了进一步提高掘进机的自动化水平，首先需要解决掘进机机体的精确定位问题，一些文献资料中提出了掘进机机体定位的方法，但是在井下的复杂环境中，很多定位方法都存在一定的局限性，或者定位精度达不到要求，无法为掘进机的自动控制提供条件。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种掘进机绝对空间位姿检测装置与方法，能够精确检测掘进机的六自由度位姿参数，且实时性好、抗干扰性强、可靠性高，能够为掘进机的自动控制提供条件。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种掘进机绝对空间位姿检测装置，包括激光发射模块、图像获取模块、捷联惯导模块和数据处理与控制模块，激光发射模块固定于坐标已知的悬臂式掘进机主体的后方巷道中间位置，图像获取模块、捷联惯导模块和数据处理与控制模块固定在悬臂式掘进机主体上；激光发射模块用于产生激光图像，图像获取模块用于获取激光图像，捷联惯导模块用于提供导航信息，数据处理与控制模块根据激光图像与导航信息解算出悬臂式掘进机六自由度的位姿状态。

具体的，所述激光发射模块包括激光发射器安装架、点激光发射器和扇面激光发射器，点激光发射器和扇面激光发射器均为本安隔爆型激光发射器，点激光发射器和扇面激光发射器通过激光发射器安装架固定于坐标已知的悬臂式掘进机主体的后方巷道中间位置；所述扇面激光发射器布置在巷道横截面的中部位置，扇面激光发射器发射出的激光平行于巷道地面；点激光发射器的数量为三个，分布在扇面激光发射器的两侧，其中一侧安装两个，另一侧安装一个，位于同一侧的两个点激光发射器的连线垂直于扇面激光发射器，位于同一侧的两个点激光发射器中的一个与另一侧的一个点激光发射器的高度相同，三个点激光发射器发射出的激光均平行于巷道中轴线。

具体的，所述数据处理与控制模块包括嵌入式微处理器和PLC控制器，嵌入式微处理器和PLC控制器分别集成安装在隔爆箱内，通过隔振器固定在悬臂式掘进机主体上；所述捷联惯导模块安装在隔爆箱内，通过隔振器固定在悬臂式掘进机主体上；所述嵌入式微处理器对导航信息进行实时解算，得到悬臂式掘进机的六自由度位姿参数，同时对激光图像进行包括图像处理、特征提取、坐标运算、位姿求解在内的运算，得到悬臂式掘进机前进方向位置之外的五自由度位姿状态。

所述嵌入式微处理器分别与人机界面和PLC控制器进行通信，一方面可以将位姿信息等传送给人机界面进行远程监控，另一方面可以将位置信息传送给PLC控制器，便于PLC控制器根据位姿信息进行相应的调整与控制。