[发明专利]一种采煤机绝对位姿检测系统及方法

权利要求书

1.一种采煤机绝对位姿检测系统，在回采工作面时，对主要由采煤机(1)、刮板机(2)和液压支架(3)构成的三机配套开采装备中的采煤机(1)的绝对位姿进行检测；其特征在于：通过捷联惯导模块进行航位推算位姿检测，通过激光发射装置(4)、激光接收装置和智能全站仪(5)进行激光位姿检测；通过智能全站仪(5)检测激光发射装置(4)在矿山绝对坐标系中的位姿参数，结合采煤机(1)在激光发射装置坐标系中的位姿参数和激光发射装置(4)在矿山绝对坐标系中的位姿参数，得到采煤机(1)在矿山绝对坐标系中的位姿参数，将该结果作为激光位姿检测结果；，通过嵌入式控制器Ⅱ对捷联惯导模块的导航信息进行解算，获得采煤机(1)在矿山绝对坐标系中的位姿参数，将该结果作为捷联惯导位姿检测结果；然后通过最优估计算法对两种位姿检测结果进行异步融合，得到精确的采煤机(1)的绝对位姿；

所述激光发射装置(4)包括车体、步进电机(4-5)、行走机构(4-1)、曲柄摇杆机构(4-2)、舵机(4-3)、激光发射器(4-4)和嵌入式控制器Ⅰ，步进电机为隔爆型步进电机，激光发射器(4-4)为本安隔爆型扇面激光发射器；步进电机(4-5)、行走机构(4-1)和曲柄摇杆机构(4-2)安装在车体上，通过步进电机(4-5)驱动曲柄摇杆机构(4-2)动作，舵机(4-3)与激光发射器(4-4)安装在摇杆的顶端，由舵机(4-3)带动激光发射器(4-4)在±45°范围内回转扫描；嵌入式控制器Ⅰ经隔爆处理后固定在车体上，嵌入式控制器Ⅰ向步进电机(4-5)和舵机(4-3)提供控制指令，并解算激光发射器(4-4)在激光发射装置坐标系中的三维坐标及其所发射的扇面激光的法向量；

所述激光接收装置包括三个激光接收器和嵌入式控制器Ⅱ，三个激光接收器不共线地固定在采煤机(1)上，且三个激光接收器均能够接收到激光发射器(4-4)所发射的扇面激光，嵌入式控制器Ⅱ经隔爆处理后固定在采煤机(1)上，嵌入式控制器Ⅱ同时与激光接收器和嵌入式控制器Ⅰ通信连接，结合每个激光接收器的接收信号、激光发射器(4-4)在激光发射装置坐标系中的三维坐标及其所发射的扇面激光的法向量，解算出每个激光接收器在激光发射装置坐标系中的坐标，进而解算出采煤机(1)在激光发射装置坐标系中的位姿参数。

2.根据权利要求1所述的采煤机绝对位姿检测系统，其特征在于：所述智能全站仪(5)与激光发射装置(4)设置在同一巷道中，嵌入式控制器Ⅲ经隔爆处理后固定在智能全站仪(5)上，嵌入式控制器Ⅲ同时与智能全站仪(5)和嵌入式控制器Ⅰ通信连接，在激光发射装置(4)上合理位置设置定位棱镜。

3.根据权利要求1所述的采煤机绝对位姿检测系统，其特征在于：所述捷联惯导模块经隔爆处理后固定在采煤机(1)上，嵌入式控制器Ⅱ同时与捷联惯导模块通信连接。

4.根据权利要求2所述的采煤机绝对位姿检测系统，其特征在于：所述嵌入式控制器Ⅰ、嵌入式控制器Ⅱ和嵌入式控制器Ⅲ之间的通信方式为超宽带无线通信，嵌入式控制器Ⅰ和嵌入式控制器Ⅱ时钟同步。

5.一种基于权利要求1～4所述的任一采煤机绝对位姿检测系统的方法，其特征在于：以采煤机(1)在刮板机(2)上的运动方向为轴向，液压支架(3)的推溜方向为径向，该方法具体包括如下步骤：

(a)系统开机初始化后，移动激光发射装置(4)，使其对准采区，并固定，保证激光发射器(4-4)所发射的扇面激光能够扫描到采煤机(1)，同时采煤机(1)上的捷联惯导模块实时工作，由嵌入式控制器Ⅱ解算采煤机(1)在矿山绝对坐标系中的位姿参数；

(b)激光发射装置(4)停止运动后，由嵌入式控制器Ⅰ向嵌入式控制器Ⅲ发送信号，然后嵌入式控制器Ⅲ控制智能全站仪(5)工作，并将智能全站仪(5)获取到的激光发射装置(4)在矿山绝对坐标系中的位姿参数发送给嵌入式控制器Ⅰ；

(c)嵌入式控制器Ⅰ控制步进电机(4-5)和舵机(4-3)工作，使得激光发射器(4-4)至少在三个不同位置发射出不同角度的回转扇面激光，并且扇面激光在激光发射装置坐标系中的法向量实时可解、激光发射器(4-4)在激光发射装置坐标系中的坐标实时可解；三个激光接收器每次接收到的激光信号，均由嵌入式控制器Ⅱ将对应的激光接收器ID号以及接收时间发送给嵌入式控制器Ⅰ，嵌入式控制器Ⅰ结合每个激光接收器的接收信号、激光发射器(4-4)在激光发射装置坐标系中的三维坐标及其所发射的扇面激光的法向量、激光发射装置(4)在矿山绝对坐标系中的位姿参数，解算出采煤机(1)在矿山绝对坐标系中的位姿参数，作为激光位姿检测结果；

(d)嵌入式控制器Ⅱ根据捷联惯导位姿检测结果与激光位姿检测结果，进行数据处理和异步融合，得到精确的采煤机(1)的绝对位姿，将该绝对位姿发送到人机界面进行远程监控，发送到开采装备控制器对采煤机(1)进行自动控制；

(e)循环步骤(c)～(d)，直到采煤机(1)完成一次轴向截割；

(f)采煤机(1)在刮板机(2)上径向进给，由嵌入式控制器Ⅱ向嵌入式控制器Ⅰ发送信号，控制激光发射装置(4)向前移动平均推溜距离，并固定；

(g)循环步骤(b)～(f)，即可实现采煤机(1)连续开采过程中的实时位姿检测。