[发明专利]一种地下巷道掘进装备实时定位系统及方法

权利要求书

1.一种地下巷道掘进装备实时定位系统，其特征在于，包括后视棱镜、定位棱镜、全站仪、测站点棱镜、吊篮和惯性测量单元；后视棱镜和吊篮安装在巷道的顶板上；定位棱镜和惯性测量单元安装在掘进装备上，吊篮位于后视棱镜与掘进装备之间，吊篮内设有全站仪和测站点棱镜。

2.一种地下巷道掘进装备实时定位方法，采用了如权利要求1所述的实时定位系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过全站仪设站的方式获得全站仪和大地的坐标转换关系；

步骤二：用全站仪测掘进装备上定位棱镜的坐标，获得定位棱镜在全站仪坐标系下的坐标，通过坐标转换关系算出定位棱镜在大地坐标系下的坐标；

步骤三：结合定位棱镜在掘进装备上固定的安装位置，定位棱镜坐标与掘进装备中心点坐标之间的平移关系，算出掘进装备中心点在大地坐标系下的坐标(X₀,Y₀,Z₀)；

步骤四：通过安装在掘进装备上的惯性测量单元，获得掘进装备的俯仰角、横滚角和偏航角。

3.根据权利要求2所述的一种地下巷道掘进装备实时定位方法，其特征在于，步骤一具体是：使用全站仪测量分别测出后视棱镜坐标P_后(X_后，Y_后，Z_后)及测站点棱镜坐标P_测(X_测，Y_测，Z_测)；将吊篮内的全站仪调平，获取后视棱镜在全站仪坐标系下的原始测量数据P1(水平角、垂直角、斜距)；

结合P_测、P_后、P1，通过全站仪设站的方式找出地理坐标系与全站仪坐标系之间的关系，首先计算P_测到P_后两点连线的方位角A、地理坐标系与全站仪坐标系X轴的夹角θ,即绕Z轴旋转角度θ＝A-HA，地理坐标系和全站仪坐标系的旋转矩阵T_(地到站)，将全站仪原始数据转换为笛卡尔直角坐标：

(HA,VA,SD)→(X_站，Y_站，Z_站)

HD＝SD*Sin(VA)；

X_站＝HD*Cos(HA)；

Y_站＝HD*Sin(HA)；

Z_站＝SD*Cos(VA)；

得到地理坐标系与全站仪坐标系的关系为：

(X_地，Y_地，Z_地)＝T_(地到站)*(X_站，Y_站，Z_站)

其中，HA为水平角，VA为垂直角，HD为平距，SD为斜距。

4.根据权利要求3所述的一种地下巷道掘进装备实时定位方法，其特征在于，所述惯性测量单元内含有三个单轴加速度计和三个单轴激光陀螺仪；三个单轴加速度计提供掘进装备在行驶工作过程中在X、Y、Z轴三个相交垂直方向上实时的加速度a_x、a_y、a_z；三个单轴激光陀螺仪用于测量围绕着X、Y、Z三个轴的角加速度α_β、α_α、α_γ。

5.根据权利要求4所述的一种地下巷道掘进装备实时定位方法，其特征在于，通过对三个加速度a_x、a_y、a_z二次积分，得到X、Y、Z轴方向上的位移ΔX、ΔY、ΔZ，进而得到行驶过程中，掘进装备相对于大地坐标系的坐标(X₀+ΔX,Y₀+ΔY,Z₀+ΔZ)。

6.根据权利要求4或5所述的一种地下巷道掘进装备实时定位方法，其特征在于，通过对三个角加速度α_β、α_α、α_γ二次积分，得到掘进装备围绕着X、Y、Z三个轴的角度偏移量(Δβ、Δα、Δγ)；进而得到行驶过程中，掘进装备的实时姿态角度为(β₀+Δβ,α₀+Δα,γ₀+Δγ)。