CN109696126B - 测量掘进机位姿的*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量掘进机姿态的***。所述***包括：激光发射装置，包括用于向激光标靶发射激光的多个激光器所形成的激光器阵列；激光器云台，安装在掘进机上，用于驱动激光发射装置进行姿态调整，以使得激光器阵列上的激光器将光发射到激光标靶上；激光标靶，布置在掘进机的外部，并检测激光器照射在自身上的光斑；处理器，根据在激光标靶上的光斑所形成的图案和激光器所形成的图案，确定掘进机的位姿。

Description

测量掘进机位姿的***
技术领域
本发明属于煤矿掘进机自动化技术领域，具体涉及掘进机的位置和姿态(即，位姿)的实时测量方法。
背景技术
目前，无人化开采是煤炭行业发展的方向和目标，其装备的自动化、智能化和机器人化是无人化的基础和前提。巷道掘进是煤炭开采的重要环节，掘进质量的好坏直接决定着煤炭安全及生产效率。掘进机是巷道掘进的关键装备之一。在综合机械化掘进作业中，掘进机位姿的测量是控制掘进机智能行进，实现无人化掘进的重要环节之一，是实现煤炭无人化开采的的最前端，即感知阶段。研究掘进机位姿自动测量方法，能够实现掘进机在综掘巷道位姿的自动测量，从而为实现无人掘进提供可能性。
专利号为CN104729501A，授权公开日为2015年06月24日的发明专利“基于旋转扇面激光的悬臂式掘进机位姿测量方法”，该专利方案的设计提出了一种基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量***，即将该***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(位置和位姿)数据。该方法通过机载激光器的坐标转换实现了掘进机位姿的测量，但是其需要三个激光接收器，并且三个激光接收器的位置都得已知，激光接收器的移站和定位比较复杂，工况适应性较差。
专利号为CN105203099A，授权公开日为2015年12月30日的发明专利“基于iGPS的掘进机单站位姿测量方法”，该专利方案的设计提出了一种基于iGPS的掘进机单站位姿测量方法，安装单站多点分时测量平台至掘进工作面后方巷道顶板适宜位置处，机载接收器及任务处理器均固定安装在掘进机机身上。各个机载接收器接收不同位置处发射站发出的光信号并转化为电信号传至任务处理器，最后由解算计算机求解出各个机载接收器在全局坐标系中的位置坐标实现空间定位，再通过已知的各个机载接收器位置坐标计算得出掘进机机身的姿态参数。但是该方法需要在掘进机后方多点布站和定位，同样存在移站复杂的问题，并且多点布站会使发射站定位时的累积误差增加。
鉴于以上不足，需要一种减少布站次数和降低测量成本，更便捷的完成掘进机的位姿测量的技术。
发明内容
本发明在于提供一种便捷的低成本的测量掘进机位姿的***。
根据本发明的一方面，提供一种测量掘进机位姿的***，所述***包括：激光发射装置，包括用于向激光标靶发射激光的多个激光器所形成的激光器阵列；激光器云台，安装在掘进机上，用于驱动激光发射装置进行姿态调整，以使得激光器阵列上的激光器将光发射到激光标靶上；激光标靶，布置在掘进机的外部，并检测激光器照射在自身上的光斑；处理器，根据在激光标靶上的光斑所形成的图案和所述多个激光器所形成的图案，确定掘进机的位姿。
可选地，处理器根据在激光标靶上的光斑所形成的图案和激光器所形成的图案，确定激光发射装置在激光标靶坐标系下的第一位姿；根据第一位姿、作为激光发射装置与掘进机之间的相对位姿的第二位姿、激光标靶在现实世界的第三位姿，确定掘进机在现实世界的位姿。
可选地，处理器根据所述多个激光器在激光标靶上形成的光斑在激光标靶坐标系下坐标和所述多个激光器在激光发射装置坐标系下的坐标，确定激光发射装置在激光标靶坐标系下的第一位姿。
可选地，激光器阵列中的激光器的数量大于2，激光器阵列中的激光器的位置不共线。
可选地，激光标靶包括：感光传感器阵列，检测所述多个激光器在激光标靶上形成的光斑的坐标；第一通信模块，发送检测的坐标，其中，所述***还包括布置在掘进机上的第二通信模块，第二通信模块将从第一通信模块接收的检测的坐标发送给处理器。
可选地，当激光标靶检测到的光斑的数量小于激光器阵列所包括的激光器的数量时，激光器云台改变激光发射装置的姿态，使得激光器阵列中的所有激光器将光发射到激光标靶上。
可选地，处理器控制激光器云台驱动激光发射装置来跟踪激光标靶，使得激光器阵列中的所有激光器将光发射到激光标靶上。
可选地，激光器云台包括：承载体，用于安装激光发射装置；驱动轴，驱动承载体进行俯仰姿态的改变；旋转主体，驱动承载体进行偏航姿态的改变；底座，结合到掘进机；驱动装置，驱动驱动轴和旋转主体进行旋转。
本发明的另一方面提供一种具有上述测量掘进机位姿的***的掘进机。
根据本发明的测量掘进机位姿的***，打破了现有测量技术中单时多接收器多点布站和单接收器分时多点布站的技术缺陷，实现了单时单接收器单点布站，简化了测量***的结构，提高了激光标靶移站布站的效率。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的测量掘进机位姿的***的示意图；
图2是根据本发明的实施例的激光器云台。
图中标记如下：
1：掘进机坐标系
2：激光发射装置坐标系
3：激光发射装置
4：激光标靶坐标系
5：激光标靶
6：激光器云台
7：掘进机
8、9、11、12：激光器
10：承载体
13：驱动轴
14：旋转主体
15：底座
具体实施方式
下面结合附图详细说明根据本发明的。实施例的测量掘进机位姿的***。
清楚、说明的方便，附图可不按比例绘制，并且附图中元件、部件、零件的相对大小、比例和描绘可被夸大。
图1是根据本发明的实施例的测量掘进机位姿的***的示意图。
如图1所示，根据本发明的实施例的测量掘进机位姿的***包括激光发射装置3、激光器云台6、激光标靶5、处理器(未示出)。
激光发射装置3包括用于向激光标靶5发射激光的多个激光器所形成的激光器阵列。激光器阵列中的激光器的数量大于2，激光器阵列中的所述多个激光器的位置不共线。换言之，所述多个激光器的位置的连线不能是直线。
激光器云台6安装在掘进机7上，用于驱动激光发射装置3进行姿态调整，以使得激光器阵列上的激光器将光发射到激光标靶5上。
激光标靶5布置在掘进机7的外部，并检测激光器照射在自身上的光斑。
激光标靶5可包括感光传感器阵列，以检测所述多个激光器在激光标靶上形成的光斑的坐标。感光传感器阵列可包括多个感光传感器，其中感测到光斑的感光传感器的位置即是光斑的坐标位置。
处理器根据在激光标靶5上的光斑所形成的图案和激光器所形成的图案，确定掘进机7的位姿。
具体地说，处理器根据在激光标靶5上的光斑所形成的图案和激光器所形成的图案，确定激光发射装置3在激光标靶坐标系4(O'X'Y'Z')下的第一位姿。具体地说，在激光标靶5上的光斑所形成的图案相对于多个激光源(即，激光器阵列中的所述多个激光器)的位置所形成的图案的畸变体现了激光标靶5与光源之间的相对位姿。因此，在确定了在激光标靶5上的光斑所形成的图案和激光器所形成的图案的情况下，可以根据在激光标靶5上的光斑所形成的图案、形成光斑的光源所形成的图案(即，激光器阵列中的所述多个激光器所形成的图案)、激光标靶5与光源之间的相对位姿之间的关系，来确定激光发射装置3与激光标靶5之间的相对位姿(例如，上面的第一位姿)。
下面示出计算激光发射装置3与激光标靶5之间的相对位姿的一个示例。
激光器位置在激光发射装置坐标系2下的坐标为(xi,yi,zi)，i＝1,2,3,…；光斑在激光标靶坐标系4下的坐标为(x′i,y′i,z′i)，i＝1,2,3,…；(a,b,c)是激光发射装置坐标系2的原点在激光标靶坐标系4中的坐标，(α,β,γ)是激光发射装置坐标系2在激光标靶坐标系4中的姿态角。这三者之间的关系公式为：
Figure BDA0001979469430000041
其中，
Figure BDA0001979469430000051
这里，处理器可根据所述多个激光器在激光标靶5上形成的光斑在激光标靶坐标系4下坐标表示的图案和所述多个激光器在激光发射装置坐标系2(OXYZ)下的坐标表示的图案，确定激光发射装置3在激光标靶坐标系4下的第一位姿。
随后，处理器可根据第一位姿、作为激光发射装置3与掘进机7之间的相对位姿的第二位姿、激光标靶5在现实世界的第三位姿，确定掘进机7在现实世界的位姿。
激光器云台6安装固定在掘进机7上，并且驱动激光发射装置3进行姿态调整。因此，可以确定出激光发射装置3相对于激光器云台6的姿态变化，从而可确定出激光发射装置3与掘进机7之间的相对位姿(第二位姿)，例如，可表示为：激光发射装置3在掘进机坐标系1(O"X"Y"Z")下的位姿，或者掘进机7在激光发射装置坐标系2下的位姿。
在已知掘进机7与激光发射装置3之间的相对位姿、激光发射装置3与激光标靶5之间的相对位姿、激光标靶5在现实世界的位姿的情况下，可确定出掘进机7在现实世界的位姿。
在一个实施例中，激光标靶5还包括第一通信模块，发送检测的光斑所形成的图案(例如，光斑的坐标)。在此情况下，所述***还包括布置在掘进机7上的第二通信模块，第二通信模块将从第一通信模块接收的检测的坐标发送给处理器。
处理器布置在掘进机7上或掘进机7的外部(例如，布置在另一终端(例如，智能手机、台式机、平板电脑、以及其他电子终端))中。
在检测掘进机7的位姿时(例如，周期性或非周期性地检测)，首先处理器判断激光标靶5检测到的光斑的数量。当激光标靶5检测到的光斑的数量小于激光器阵列所包括的激光器的数量时，处理器控制激光器云台6改变激光发射装置3的姿态，使得激光器阵列中的所有激光器将光发射到激光标靶5上(即，对靶)。
在一个实施例中，为了防止因为某些个激光器脱靶导致重新对靶导致的时间浪费，当激光器阵列中的所有激光器对靶时后，随着掘进机7的位姿的改变追踪激光标靶5，使得激光器阵列中的所有激光器始终保持对靶。
在一个示例中，为了保留尽可能大的控制裕度，每当光斑的图案的中心或重心偏离激光标靶的中心时，处理器控制激光器云台6改变激光发射装置3的姿态，使得光斑的图案的中心或重心与激光标靶5的中心重合。
图2是根据本发明的实施例的激光器云台。
如图2所示，激光器云台包括承载体10、驱动轴13、旋转主体14、底座15、驱动装置(未示出)。
承载体10用于安装激光发射装置3。如图2所示，包括四个激光器8、9、11、12的激光发射装置3安装在激光器云台6的承载体10上。
驱动轴13驱动承载体10进行俯仰姿态的改变。承载体10通过激光器云台6的驱动轴13进行俯仰姿态的改变，从而带动激光发射装置3进行俯仰姿态的改变。
旋转主体14驱动承载体10进行偏航姿态的改变。激光器云台6的旋转主体14可进行左右旋转，从而带动激光发射装置3进行偏航姿态的改变。此时，驱动轴13可经由轴承结合到旋转主体14。旋转主体14安装在底座15上。
激光器云台6通过底座15固定在掘进机7上。驱动轴13和旋转主体14在驱动装置(例如，电动机)的驱动下旋转。
本发明的激光器云台6不限于图2所示的激光器云台，其他可以驱动激光发射装置3进行姿态改变的激光器云台也是可行的。例如，驱动轴13可经由轴承结合到底座15，旋转主体14可位于在承载体10中；再例如，考虑到进行对靶跟踪时的方便，激光器云台6还可增加使得激光发射装置3进行滚转姿态的改变的机构。
本发明还提供一种具有上述测量掘进机姿态的***的掘进机。此时，根据本发明的测量掘进机姿态的***可作为掘进机的一部分集成到掘进机。
根据本发明的测量掘进机位姿的***，打破了现有测量技术中单时多接收器多点布站和单接收器分时多点布站的技术缺陷，实现了单时单接收器单点布站，简化了测量***的结构，提高了激光标靶移站布站的效率。
虽然上面示出了本发明的实施例，但本领域技术人员应该理解，这些实施例不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测量掘进机位姿的***，其特征在于，所述***包括：
激光发射装置，包括用于向激光标靶发射激光的多个激光器所形成的激光器阵列；
激光器云台，安装在掘进机上，用于驱动激光发射装置进行姿态调整，以使得激光器阵列上的激光器将光发射到激光标靶上；
激光标靶，布置在掘进机的外部，并检测激光器照射在自身上的光斑；
处理器，根据在激光标靶上的光斑所形成的图案和所述多个激光器所形成的图案，确定掘进机的位姿，
其中，处理器根据在激光标靶上的光斑所形成的图案和激光器所形成的图案，确定激光发射装置在激光标靶坐标系下的第一位姿；根据第一位姿、作为激光发射装置与掘进机之间的相对位姿的第二位姿、激光标靶在现实世界的第三位姿，确定掘进机在现实世界的位姿；
激光器阵列中的激光器的数量大于2，激光器阵列中的激光器的位置不共线；
处理器控制激光器云台驱动激光发射装置来跟踪激光标靶，使得激光器阵列中的所有激光器将光发射到激光标靶上，随着掘进机的位姿的改变追踪激光标靶，使得激光器阵列中的所有激光器始终保持对靶；每当光斑的图案的中心或重心偏离激光标靶的中心时，处理器控制激光器云台改变激光发射装置的姿态，使得光斑的图案的中心或重心与激光标靶的中心重合；
其中，在激光标靶上的光斑所形成的图案相对于所述多个激光器的位置所形成的图案的畸变体现了激光标靶与光源之间的相对位姿；
计算激光发射装置与激光标靶之间的相对位姿时，每个激光器位置在激光发射装置坐标系下的坐标为(xi,yi,zi)，光斑在激光标靶坐标系下的坐标为(x′i,y′i,z′i)，(a,b,c)是激光发射装置坐标系的原点在激光标靶坐标系中的坐标，(α,β,γ)是激光发射装置坐标系在激光标靶坐标系中的姿态角，这三者之间的关系公式为：
Figure FDA0002733526730000011
其中，
Figure FDA0002733526730000021
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，处理器根据所述多个激光器在激光标靶上形成的光斑在激光标靶坐标系下坐标和所述多个激光器在激光发射装置坐标系下的坐标，确定激光发射装置在激光标靶坐标系下的第一位姿。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，激光标靶包括：
感光传感器阵列，检测所述多个激光器在激光标靶上形成的光斑的坐标；
第一通信模块，发送检测的坐标，
其中，所述***还包括布置在掘进机上的第二通信模块，第二通信模块将从第一通信模块接收的检测的坐标发送给处理器。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，当激光标靶检测到的光斑的数量小于激光器阵列所包括的激光器的数量时，激光器云台改变激光发射装置的姿态，使得激光器阵列中的所有激光器将光发射到激光标靶上。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，激光器云台包括：
承载体，用于安装激光发射装置；
驱动轴，驱动承载体进行俯仰姿态的改变；
旋转主体，驱动承载体进行偏航姿态的改变；
底座，结合到掘进机；
驱动装置，驱动驱动轴和旋转主体进行旋转。
6.一种具有如权利要求1至5中的任意一项所述的测量掘进机位姿的***的掘进机。
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