CN104536008B - 一种凿岩台车炮孔激光测距定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光测量领域，涉及一种凿岩台车炮孔激光测距定位方法。本发明中提供的凿岩台车炮孔激光测距定位方法所用的装置包括工业激光测距传感器、激光靶标、高精度全方位云台和触摸屏PLC一体机。本发明提供的凿岩台车炮孔激光测距定位方法应用于矿山钻爆法中凿岩台车炮孔定位。本发明的优势在于：定位过程不受巷道实际断面情况影响，精确定位炮孔位置，操作简单，工作效率高。

Description

一种凿岩台车炮孔激光测距定位方法

技术领域

本发明属于激光测量领域，特别涉及一种凿岩台车炮孔激光测距定位方法。

背景技术

钻爆法是矿山生产中一种常用的方法，炮孔定位和钻探是该方法重要工序，目前常用的炮孔钻探主要由凿岩台车来完成。

一般情况下，根据炮孔工程设计图，工作人员将炮孔位置用红色油漆标定在矿道断面上，然后操作凿岩台车进行炮孔钻探。由于矿道断面凹凸不平，断面状态十分复杂，影响炮孔位置精度，且费时费力。

曹仕杰在文献“基于单片机的隧道掘进激光定位仪[J].经营管理者,2010(17)”中提出了一种激光定位方法。该方法首先测量激光发生器到定位断面的距离，再根据实际孔位置与激光束支架上对应孔位置，通过比例关系计算出激光束支架面的移动距离，单片机控制激光束支架移动达到定位的目的。然而，实际定位断面参差不齐，状态十分复杂，定位误差较大，直接影响炮孔位置精度。

发明内容

本发明提出了一种凿岩台车炮孔激光测距定位方法，应用于矿山钻爆法中凿岩台车炮孔定位。

本发明的技术方案：

凿岩台车炮孔激光测距定位方法所用的装置包括工业激光测距传感器、激光靶标、高精度全方位云台和触摸屏PLC一体机。

工业激光测距传感器包括激光发射器、激光接收器以及信号处理电路，工业激光测距传感器通过发射激光来指定炮孔位置，并接收来自激光靶标反射的激光信号实现激光测距，工业激光测距传感器通过数据接口与触摸屏PLC一体机相联，该工业激光测距传感器安装于高精度全方位云台上，实现工业激光测距传感器的水平和竖直方向转动；激光靶标安装于凿岩台车推进梁前端的支架上，用于接收激光信号并对其进行反射；高精度全方位云台悬挂固定于凿岩台车操作室顶棚的中轴线正下方，其内部有控制水平方向和竖直方向两个步进电机，高精度全方位云台与触摸屏PLC一体机相联，用于接收触摸屏PLC一体机的控制信号，通过控制高精度全方位云台的水平方向和竖直方向两个步进电机的转动进而控制工业激光测距传感器转动；触摸屏PLC一体机安装于凿岩台车操作室的正前方，根据炮孔设计图控制高精度全方位云台带动工业激光测距传感器转动，计算和显示测距信息以便于对凿岩台车的钻臂进行调整；炮孔设计图是根据巷道走向及***理论设计的炮孔位置图。

(1)凿岩台车车体定位时，调整车体使车体的轴线与矿山巷道顶部的地测线相重合；在矿山巷道断面上，确定炮孔设计原点与激光在巷道断面垂直投射点之间的偏差，以激光发射器为原点建立激光坐标系，各坐标值加上或减去上述的偏差，使设计的炮孔转换到激光坐标系中。

(2)根据触摸屏PLC一体机上的炮孔设计图选择任意待钻炮孔，根据该炮孔中心点的坐标、激光靶标与凿岩台车钻杆中心的偏置距离，计算出激光在水平方向和竖直方向的偏转角度α与β，如图2所示，计算公式为：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{x}{l}---\left(1\right)$

$\mathrm{\β}=\arcsin \frac{y}{\sqrt{x^2+y^2+l^2}}---\left(2\right)$

其中，x代表炮孔在激光坐标系下的横坐标；y代表炮孔在激光坐标系下的纵坐标；l代表激光发射器到虚拟定位面之间的垂直距离；虚拟定位面为垂直于巷道地测轴线的平面，位于凿岩台车车体与巷道断面之间。

触摸屏PLC一体机将水平方向和竖直方向的偏转角α与β转化成脉冲信号，将脉冲信号输送到高精度全方位云台，由高精度全方位云台带动激光发射器在水平方向和竖直方向偏转相应角度。控制凿岩台车的钻臂移动，使凿岩台车推进梁前端的激光靶标靠近激光发射器发射出的激光束，激光靶标接收并返回激光信号，激光接收器接收信号后进行测量激光发射器到激光靶标的距离L，将该距离转换成激光靶标到激光发射器的垂直距离l′,转换公式为：

$l^{\′}=\frac{L\·\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\β}}}---\left(3\right)$

(3)将激光靶标到激光发射器的垂直距离l′与所设置的虚拟定位面到激光发射器的垂直距离进行比较。调整凿岩台车的钻臂，直至激光靶标与虚拟定位面重合，此时凿岩台车钻杆中心位置即为待钻炮孔的实际位置。

本发明的优势在于：定位过程不受巷道实际断面情况影响，精确定位炮孔位置，操作简单，工作效率高。

附图说明

图1为本发明炮孔定位流程图。

图2某炮孔空间示意图。

图中：1虚拟定位面；O激光发射器原点。

具体实施方式

以下结合本发明的技术方案和附图进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明所用的定位设备包括工业激光测距传感器、激光靶标、高精度全方位云台和触摸屏PLC一体机。凿岩台车为掘进式凿岩台车。

工业激光测距传感器安装于高精度全方位云台之上，高精度全方位云台悬挂固定于凿岩台车操作室顶棚中轴线正下方，与触摸屏PLC一体机相联，工业激光测距传感器通过数据接口与触摸屏PLC一体机相联；激光靶标安装于凿岩台车推进梁前端的支架上，激光靶标中心与凿岩台车钻杆中心在竖直方向的偏置距离为10cm。

图1为本发明炮孔定位流程图。首先进行凿岩台车车体定位，使凿岩台车车体的轴线与巷道顶部的地测线相重合；然后在巷道断面内，确定炮孔设计原点与激光在巷道断面垂直投射点之间的偏差，以激光发射器为原点建立激光坐标系，并将设计炮孔转换到激光坐标系中。操作人员根据巷道断面与凿岩台车位置确定虚拟定位面，如附图2，本具体实施例中，取激光发射器到虚拟定位面的垂直距离l＝10m。

操作人员选择一待钻炮孔M，该炮孔在激光坐标系中的位置为(2m，1.5m，10m),如图2所示，计算得到激光发射器在水平和竖直方向的偏转角度α与β,根据公式(1)、(2)计算得：α＝11.309°，β＝8.367°。触摸屏PLC一体机将水平和竖直方向的偏转角α与β转化成脉冲信号，输出给高精度全方位云台，控制激光发射器在水平和竖直方向偏转相应角度，激光发射器发出的激光光束指向待钻炮孔；操作人员移动凿岩台车钻臂，使凿岩台车推进梁前端的激光靶标靠近激光束，激光靶标接收并返回激光信号，激光接收器接收信号后进行测距，得到凿岩台车推进梁前端激光靶标到激光发射器的距离L＝10.2m，由公式(3)计算得激光靶标到激光发射器的垂直距离l′＝0.970L＝9.894m，如图2所示。控制凿岩台车钻臂进行调整，直至激光靶标与虚拟定位面重合即l′＝10m时，可确定出待钻炮孔的位置。

Claims (1)

1.一种凿岩台车炮孔激光测距定位方法，其特征在于，

凿岩台车炮孔激光测距定位方法所用的装置包括工业激光测距传感器、激光靶标、全方位云台和触摸屏PLC一体机；

工业激光测距传感器包括激光发射器、激光接收器以及信号处理电路，工业激光测距传感器通过发射激光来指定炮孔位置，并接收来自激光靶标反射的激光信号实现激光测距，工业激光测距传感器通过数据接口与触摸屏PLC一体机相联，该工业激光测距传感器安装于全方位云台上，实现工业激光测距传感器的水平和竖直方向转动；激光靶标安装于凿岩台车推进梁前端的支架上，用于接收激光信号并对其进行反射；全方位云台悬挂固定于凿岩台车操作室顶棚的中轴线正下方，其内部有控制水平方向和竖直方向两个步进电机，全方位云台与触摸屏PLC一体机相联，用于接收触摸屏PLC一体机的控制信号，通过控制全方位云台的水平方向和竖直方向两个步进电机的转动进而控制工业激光测距传感器转动；触摸屏PLC一体机安装于凿岩台车操作室的正前方，根据炮孔设计图控制全方位云台带动工业激光测距传感器转动，计算和显示测距信息以便于对凿岩台车的钻臂进行调整；炮孔设计图是根据巷道走向及***理论设计的炮孔位置图；

步骤如下：

(1)凿岩台车车体定位时，调整车体使车体的轴线与矿山巷道顶部的地测线相重合；在矿山巷道断面上，确定炮孔设计原点与激光在巷道断面垂直投射点之间的偏差，以激光发射器为原点建立激光坐标系，各坐标值加上或减去上述的偏差，使设计的炮孔转换到激光坐标系中；

(2)根据触摸屏PLC一体机上的炮孔设计图选择任意待钻炮孔，根据该炮孔中心点的坐标、激光靶标与凿岩台车钻杆中心的偏置距离，计算出激光在水平方向和竖直方向的偏转角度α与β，计算公式为：

$\mathrm{\α}=arctan\frac{x}{l}---\left(1\right)$

$\mathrm{\β}=arcsin\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2+l^2}}---\left(2\right)$

其中，x代表炮孔在激光坐标系下的横坐标；y代表炮孔在激光坐标系下的纵坐标；l代表激光发射器到虚拟定位面之间的垂直距离；虚拟定位面为垂直于巷道地测轴线的平面，位于凿岩台车车体与巷道断面之间；

触摸屏PLC一体机将水平方向和竖直方向的偏转角α与β转化成脉冲信号，将脉冲信号输送到全方位云台，由全方位云台带动激光发射器在水平方向和竖直方向偏转相应角度；控制凿岩台车的钻臂移动，使凿岩台车推进梁前端的激光靶标靠近激光发射器发射出的激光束，激光靶标接收并返回激光信号，激光接收器接收信号后进行测量激光发射器到激光靶标的距离L，将该距离转换成激光靶标到激光发射器的垂直距离l′，转换公式为：

$l^{\′}=\frac{L\·cos\mathrm{\α}}{\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\β}}}---\left(3\right)$

(3)将激光靶标到激光发射器的垂直距离l′与所设置的虚拟定位面到激光发射器的垂直距离进行比较；调整凿岩台车的钻臂，直至激光靶标与虚拟定位面重合，此时凿岩台车钻杆中心位置即为待钻炮孔的实际位置。