[发明专利]巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统及导航定位方法

说明书

本发明公开了巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统，三维激光扫描雷达固定安装在捷联惯导系统顶部，标记板安装在三维激光扫描雷达的侧面，标记板三维激光扫描雷达在同一高度，二者的相对位置固定不变；捷联惯导系统固定安装在底板上；激光雷达处理器与三维激光扫描雷达连接；捷联惯导系统处理器与捷联惯导系统连接；总处理器分别与捷联惯导系统处理器及激光雷达处理器连接；存储通信模块与总处理器连接。本发明无需另外设置无线通信定位基站，一旦正常启动，不再需要人为参与，便可实现掘进机的自主导航定位。

技术领域

本发明涉及掘进机技术领域，尤其涉及巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统及导航定位方法。

背景技术

巷道掘进机的精确导向问题是巷道施工的关键问题，导向定位系统的精度直接影响施工质量和施工效率。巷道掘进工作环境恶劣，危险性大，人工操作局限性大，为了减小掘进机操作人员的工作量，掘进机逐步向自动化转化。掘进机自主导航是掘进机自动化的关键技术，国内相关企业和科研机构一直致力于掘进机自动导航定位技术的研究。

如公开号为CN102419433A，名为“一种掘进机定位系统”的专利申请文件以及公开号为CN105298509A，名为“一种掘进机姿态定位系统”的专利申请文件中，通过安装在掘进机上的无线信号收发器与安装在巷道内的多个个无线信号发射器，运用GPS无线定位原理对掘进机进行定位。公开号为CN106225779A，名为“基于三激光标记点图像的掘进机定位系统及导航定位方法”的专利申请文件中，通过安装在掘进机上的摄像仪对三角激光标记仪产生的激光点进行识别，达到掘进机姿态测量的目的。公开号为CN104296733A，名为“掘进机激光定位装置及掘进机”的专利申请文件中，通过在巷道内安装激光发射器，并在掘进机上安装激光定位传感器。通过分析激光定位传感器信号来推算掘进机的位置信息，实现导航。公开号为CN105178967A，名为“掘进机自主定位定向系统及方法”的专利申请文件中，通过在巷道内布置4个基站机器人，建立定位基站群，基站机器人可自主移动避障，利用陀螺寻北仪在固定点逐次寻北来定向，无线基站实现对掘进机的定位。

在以上专利申请文件中，都需要在巷道中设置固定或者可移动的参考标记或者基站，需要人工固定参考标记或者通过多个无线定位基站机器人、通过点测来参与掘进机导航过程，仍然存在工作效率低、速度慢、维护困难、实时连续测量受限等问题，无法实现掘进机完全的自主连续导航定位定向。

申请内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：在无需设置固定参考标记或者多个可移动的无线定位基站基础上，无需人为参与掘进机导航过程的前提下，实现掘进机完全的实时连续自主定位定向。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

巷道掘进机的实时连续自主定位定向系统，包括定位装置、标记板及客户端，所述定位装置包括底板、捷联惯导系统、三维激光扫描雷达、激光雷达处理器、捷联惯导系统处理器、总处理器、掘进机控制器及存储通信模块，定位装置通过底板安装在掘进机的后方，定位装置用于测量掘进机已挖掘部分的空间位置，其中：

三维激光扫描雷达固定安装在捷联惯导系统顶部，标记板安装在三维激光扫描雷达的侧面，标记板三维激光扫描雷达在同一高度，二者的相对位置固定不变，标记板用于作为三维激光扫描雷达测量时的参考标记，三维激光扫描雷达能够同时采集巷道点云信息及标记板点云信息；

捷联惯导系统固定安装在底板上，捷联惯导系统用于采集掘进机的加速度及角速度信息；

激光雷达处理器与三维激光扫描雷达连接，激光雷达处理器用于将三维激光扫描雷达得到的巷道点云信息和标记板点云信息进行滤波并提取点云几何特征；

捷联惯导系统处理器与捷联惯导系统连接，捷联惯导系统处理器用于将捷联惯导系统采集的加速度及角速度信息通过滤波和姿态更新计算得到第一姿态变换矩阵；