[发明专利]基于旋转扇面激光的悬臂式掘进机位姿测量方法

摘要

本发明涉及一种用于煤矿掘进工作面的悬臂式掘进机位姿测量方法，充分利用基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量系统，即将该系统的扇面激光发射端安装在悬臂式掘进机机身上，扇面激光接收端（包含3个不共线的扇面激光接收器）固定安装在已经由悬臂式掘进机掘出的煤巷后方，扇面激光接收器相对于空间大地坐标系的坐标值由其它测量方式测得。由扇面激光发射端测得扇面激光接收器相对于发射端的坐标值，再通过相应的坐标转换，计算出悬臂式掘进机上固定三点（不共线）相对于空间大地坐标系的三维坐标值。若已知空间刚体上固定三点（不共线）相对于空间大地坐标系的三维坐标值，可计算出该空间刚体的位姿（位置和姿态）数据。

主权项

一种用于煤矿掘进工作面的悬臂式掘进机位姿测量方法，其特征在于位姿测量过程包含以下步骤：(1)将扇面激光发射端安装到悬臂式掘进机上，使其与悬臂式掘进机固连。扇面激光接收端安装到已成型的巷道中，即3个不共线的扇面激光接收器。(2)由扇面激光发射端构建一坐标系，称为机身坐标系(O‑XYZ)。扇面激光发射端由高精度滑台、高精度转台、扇面激光发射器、起始基准组成，设扇面激光发射器初始位置旋转轴为Z轴，高精度滑台移动方向为X轴。(3)由激光接收端，即3个不共线的扇面激光接收器构建一坐标系，称为巷道坐标系(O′‑X′Y′Z′)。(4)在悬臂式掘进机处于截割状态时，扇面激光发射器在高精度滑台和转台的作用下，在两个位置(初始位置和移动位置)发射出三束扇面激光交汇到一点。依次测得3个扇面激光接收器在机身坐标系(O‑XYZ)的三维坐标值，即(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)。(5)如图1所示，由3个扇面激光接收器的三维坐标值计算得巷道坐标系(O′‑X′Y′Z′)相对于机身坐标系(O‑XYZ)的各变换参数。T1为巷道坐标系(O′‑X′Y′Z′)的X′轴在机身坐标系(O‑XYZ)下的方向向量，T2、T3分别为Y′、Z′轴的方向向量，x0为巷道坐标系(O′‑X′Y′Z′)的原点在机身坐标系(O‑XYZ)下的坐标。从而获得平移矩阵D1和旋转矩阵R1。(6)用矿用激光全站仪测得3个扇面激光接收器相对于空间大地坐标系的三维坐标值，同样按照上述方法求得巷道坐标系(O′‑X′Y′Z′)与空间大地坐标系的平移矩阵D2和旋转矩阵R2，以及巷道坐标系原点在大地坐标系下的坐标(a，b，c)。(7)将扇面激光发射端上固定三点，即机身坐标系(O‑XYZ)上不共线固定3点变换至空间大地坐标系中，假设所取三点坐标分别为(100，0,0)、(0,100,0)、(0，0，100)，单位为mm。以(100,0,0)为例，变换公式如下：(X,Y,Z,1)＝(100，0，0,1)·D1·R1·D2·R2(X，Y，Z)即为机身坐标系中(100，0,0)在空间大地坐标系中的坐标值，依照上述公式分别求出(0,100,0)、(0，0，100)进行坐标系变换后的坐标值。由于扇面激光发射端与悬臂式掘进机固联，故扇面激光发射端上固定三点就是悬臂式掘进机上固定三点。(8)根据悬臂式掘进机上不共线固定三点相对于空间大地坐标系的三维坐标值，即可表示悬臂式掘进机在空间大地坐标系内的位置和姿态情况，由此实现对悬臂式掘进机的定位和姿态测量，为其进一步掘进提供精确数据。