CN113252044A - 一种掘进装备机身偏差计算方法 - Google Patents

一种掘进装备机身偏差计算方法 Download PDF

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张婷
陈宁
田原
索艳春
董孟阳
李涛
郭皇煌
贾曲
马亚丽
李瑞媛
常映辉
冀鹏飞
吕继双
邢晨
郝明锐
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Abstract

本发明公开了一种掘进装备机身偏差计算方法，能够实时计算得出装备机身相对巷道设计中线的偏差，以大地坐标系为基准，不需进行多坐标系的转换，基于三维几何空间进行计算，较为简单。另外，本发明的方法与装备机型及结构无关，不需考虑装备的机械结构，通用性强、适用性广。通过实时的偏差计算结果，掌握装备机身在巷道中的偏差，有利于操作人员远程获取装备的位置数据。

Description

一种掘进装备机身偏差计算方法
技术领域
本发明涉及井下掘进技术领域，具体为一种掘进装备机身偏差计算方法。
背景技术
掘进装备作为综掘机械化生产过程中的一种重要采掘装备，广泛应用于煤矿巷道开采和公路隧道等工程建设中。据统计，我国煤矿掘进工作面超过两万个，且掘进工作面危险高、粉尘大，不利于掘进工人的生产劳动和安全健康。随着计算机技术、环境感知技术、数据融合技术及智能算法的普及应用，掘进装备的远程控制及工作面无人化成为未来发展的必然要求。
要实现掘进装备的远程控制及工作面无人化，需要准确获取掘进装备在巷道中的实时位置，并能检测出掘进装备在巷道中机身的偏移情况，掌握掘进装备在巷道中的行驶轨迹，并将实际行驶轨迹与设定路线进行对比，指导并控制掘进装备的运行方向及动作。
现有的掘进装备定位技术及方法主要集中在掘进装备机身及截割头的定位，并未获取装备机身的实时偏差信息，进而无法判断装备在巷道运行过程中相对巷道设计中线的偏移程度，无法确定装备实际行驶轨迹与设定路线的偏差情况。同时，现有的掘进装备定位技术及方法需涉及大地坐标系、机身坐标系、巷道坐标系等多坐标系之间的转换，转换过程繁杂且需要装备机身的详细设计参数。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种掘进装备机身偏差计算方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种掘进装备机身偏差计算方法，包括：
设置惯性导航单元和全站仪单元；其中，所述惯性导航单元固定设置于所述采掘装备机身；所述全站仪单元包括全站仪和四个棱镜；全站仪设置于巷道内采掘装备行进方向后方，四个棱镜中，三个为用于确定全站仪三维坐标的后方交会棱镜，另一个为用于确定采掘装备三维位置的坐标目标棱镜；
在巷道内选定坐标原点，构建东北天坐标系，将三个后方交会棱镜设置于所述东北天坐标系下三个已知点位置，根据全站仪后方交会原理，确定全站仪位置的三维坐标；
采掘装备运行过程中，通过惯性导航单元实时测得俯仰角和方向角，根据俯仰角和方向角，确定目标棱镜在采掘装备位置变化前后的位置坐标值，进而通过位置改变量计算采掘装备进深。
其中，根据俯仰角和方向角，确定目标棱镜在采掘装备位置变化前后的位置坐标值的步骤中，包括步骤：
东北天坐标系中，设东方向为X轴，北方向为Y轴，天方向为Z轴，设采掘装备前进方向为D，将前进方向D在东北天坐标系下进行投影，即分别在XOY平面、YOZ平面投影，获得前进方向D的方向向量；
已知前进方向D上一点，结合D的方向向量，建立前进方向D的直线方程；通过前进方向D且平行于Z轴方向，建立平面Q的方程，则机身偏差为机身目标棱镜从P1位置移动至P2位置时到平面Q的距离差，此距离基于大地坐标系的计算，且为绝对距离。
其中，后方交会棱镜的设置方式为：安装并固定于全站仪后方的开阔位置，不被遮挡，保证与全站仪通视，放置后方交会棱镜时，将其中两个后方交会棱镜安装沿巷道行进方向的于一侧，另一个后方交会棱镜安装于另一侧。
其中，目标棱镜安装于采掘装备机身后方位置，不被遮挡，保证与全站仪通视。
区别于现有技术，本发明提供的一种掘进装备机身偏差计算方法，能够实时计算得出装备机身相对巷道设计中线的偏差，以大地坐标系为基准，不需进行多坐标系的转换，基于三维几何空间进行计算，较为简单。另外，本发明的方法与装备机型及结构无关，不需考虑装备的机械结构，通用性强、适用性广。通过实时的偏差计算结果，掌握装备机身在巷道中的偏差，有利于操作人员远程获取装备的位置数据。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明提供的一种掘进装备机身偏差计算方法的掘进装备机身目标棱镜测量流程示意图。
图2为本发明提供的一种掘进装备机身偏差计算方法的全站仪测量掘进装备目标棱镜的示意图。
图3为本发明提供的一种掘进装备机身偏差计算方法的掘进装备机身偏差计算过程示意图。
图4为本发明提供的一种掘进装备机身偏差计算方法的前进方向在XOY平面的投影示意图。
图5为本发明提供的一种掘进装备机身偏差计算方法的前进方向在XOY平面的投影示意图。
图2中：1为掘进装备，1(1)为装备机身在初始时刻的位置，1(2)为机身在前进方向上行走下一时刻的位置，2为棱镜，2(1)为棱镜安装在机身右侧时在初始时刻的位置，2(2)为棱镜安装在机身右侧时在前进方向上行走下一时刻的位置，2(3)为棱镜安装在机身左侧时在初始时刻的位置，2(4)为棱镜安装在机身左侧时在前进方向上行走下一时刻的位置，3为全站仪。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参阅图1和图2，本发明提供了一种掘进装备机身偏差计算方法，包括：
设置惯性导航单元和全站仪单元；其中，所述惯性导航单元固定设置于所述采掘装备机身；所述全站仪单元包括全站仪和四个棱镜；全站仪设置于巷道内采掘装备行进方向后方，四个棱镜中，三个为用于确定全站仪三维坐标的后方交会棱镜，另一个为用于确定采掘装备三维位置的坐标目标棱镜；
后方交会棱镜的设置方式为：安装并固定于全站仪后方的开阔位置，不被遮挡，保证与全站仪通视，放置后方交会棱镜时，将其中两个后方交会棱镜安装沿巷道行进方向的于一侧，另一个后方交会棱镜安装于另一侧。目标棱镜安装于采掘装备机身后方位置，不被遮挡，保证与全站仪通视。
在巷道内选定坐标原点，构建东北天坐标系，将三个后方交会棱镜设置于所述东北天坐标系下三个已知点位置，根据全站仪后方交会原理，确定全站仪位置的三维坐标；
采掘装备运行过程中，通过惯性导航单元实时测得俯仰角和方向角，根据俯仰角和方向角，确定目标棱镜在采掘装备位置变化前后的位置坐标值，进而通过位置改变量计算采掘装备进深。
其中，根据俯仰角和方向角，确定目标棱镜在采掘装备位置变化前后的位置坐标值的步骤中，包括步骤：
东北天坐标系中，设东方向为X轴，北方向为Y轴，天方向为Z轴，设采掘装备前进方向为D，将前进方向D在东北天坐标系下进行投影，即分别在XOY平面、YOZ平面投影，获得前进方向D的方向向量；
已知前进方向D上一点，结合D的方向向量，建立前进方向D的直线方程；通过前进方向D且平行于Z轴方向，建立平面Q的方程，则机身偏差为机身目标棱镜从P1位置移动至P2位置时到平面Q的距离差，此距离基于大地坐标系的计算，且为绝对距离。
偏差计算方法以大地坐标系(东北天坐标系)为基准，全站仪与棱镜的位置坐标均以大地坐标系进行计算，建立大地坐标系的三维坐标方向，设东方向为X轴，北方向为Y轴，天方向为Z轴。确定大地坐标系坐标轴方向后，由于后方交会棱镜的三维坐标已知由矿方给出，通过全站仪与后方三棱镜进行后方交会，可确定全站仪在大地坐标系下准确的测站坐标(XT，YT，ZT)。根据全站仪的工作原理，将全站仪对准装备机身的目标棱镜，搜索并锁定成功目标棱镜后，对目标棱镜进行测量，可获得装备机身精确的三维坐标，即机身在大地坐标系下的坐标值(XP1，YP1，ZP1)、(XP2，YP2，ZP2)。
掘进装备在巷道运行过程中，由于受煤层分布的影响，机身会产生上坡、下坡、左偏、右偏等姿态的变化，机身相对XOY平面的上下偏差角度为俯仰角，设为α，机身相对YOZ平面的左右偏差角度为方向角，设为β。在装备运行过程中，由于惯性导航单元与机身固连，惯性导航单元的测量值即为机身的姿态角度，可测量得到附仰角、方向角、横滚角，由于机身角度主要为上下附仰和左右偏角，横滚角较小，此处只考虑俯仰角和方向角，横滚角忽略不计。在装备运行过程中，俯仰角和方向角均可测，为已知量。全站仪测量装备机身目标棱镜的位置坐标，由于在运行过程中装备位置的不断变化，目标棱镜的位置也不断改变，通过测量两个目标棱镜的位置改变量计算装备机身偏差。
掘进装备机身偏差的计算过程如图3所示。设前进方向为D，并假设棱镜安装于机身中线右侧。在三维空间中，如图4和图5，将前进方向D分别在XOY平面、YOZ平面投影，且前进方向D与XOY平面的夹角为俯仰角α，与YOZ平面的夹角为方向角β，获得前进方向D的方向向量
Figure BDA0003083430120000051
通过已知前进方向上一点B(X0，Y0，Z0)，并结合D的方向向量，则有前进方向D的直线方程为
Figure BDA0003083430120000052
通过前进方向D且平行于Z轴方向，建立平面Q的方程，即X-tanβ·Y-X0+tanβ·Y0＝0。则机身偏差为机身目标棱镜从P1(XP1，YP1，ZP1)位置移动至P2(XP2，YP2，ZP2)位置时到平面Q的距离差，此距离基于大地坐标系的计算，且为绝对距离。
棱镜安装于机身中线右侧，此时当机身左偏时，机身偏差a＝|A2P2|-|A1P1|<0；当机身右偏时，机身偏差a＝|A2P2|-|A1P1|>0，即
Figure BDA0003083430120000061
棱镜安装于机身中线左侧，此时当机身左偏时，机身偏差a＝|A1P1′|-|A2P′2|<0；当机身右偏时，机身偏差a＝|A1P1′|-|A2P2′|>0，即
Figure BDA0003083430120000062
区别于现有技术，本发明提供的一种掘进装备机身偏差计算方法，能够实时计算得出装备机身相对巷道设计中线的偏差，以大地坐标系为基准，不需进行多坐标系的转换，基于三维几何空间进行计算，较为简单。另外，本发明的方法与装备机型及结构无关，不需考虑装备的机械结构，通用性强、适用性广。通过实时的偏差计算结果，掌握装备机身在巷道中的偏差，有利于操作人员远程获取装备的位置数据。
以上仅为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所做的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种掘进装备机身偏差计算方法，其特征在于，包括：
设置惯性导航单元和全站仪单元；其中，所述惯性导航单元固定设置于所述采掘装备机身；所述全站仪单元包括全站仪和四个棱镜；全站仪设置于巷道内采掘装备行进方向后方，四个棱镜中，三个为用于确定全站仪三维坐标的后方交会棱镜，另一个为用于确定采掘装备三维位置的坐标目标棱镜；
在巷道内选定坐标原点，构建东北天坐标系，将三个后方交会棱镜设置于所述东北天坐标系下三个已知点位置，根据全站仪后方交会原理，确定全站仪位置的三维坐标；
采掘装备运行过程中，通过惯性导航单元实时测得俯仰角和方向角，根据俯仰角和方向角，确定目标棱镜在采掘装备位置变化前后的位置坐标值，进而通过位置改变量计算采掘装备进深。
2.根据权利要求1所述的掘进装备机身偏差计算方法，其特征在于，根据俯仰角和方向角，确定目标棱镜在采掘装备位置变化前后的位置坐标值的步骤中，包括步骤：
东北天坐标系中，设东方向为X轴，北方向为Y轴，天方向为Z轴，设采掘装备前进方向为D，将前进方向D在东北天坐标系下进行投影，即分别在XOY平面、YOZ平面投影，获得前进方向D的方向向量；
已知前进方向D上一点，结合D的方向向量，建立前进方向D的直线方程；通过前进方向D且平行于Z轴方向，建立平面Q的方程，则机身偏差为机身目标棱镜从P1位置移动至P2位置时到平面Q的距离差，此距离基于大地坐标系的计算，且为绝对距离。
3.根据权利要求1所述的掘进装备机身偏差计算方法，其特征在于，后方交会棱镜的设置方式为：安装并固定于全站仪后方的开阔位置，不被遮挡，保证与全站仪通视，放置后方交会棱镜时，将其中两个后方交会棱镜安装沿巷道行进方向的于一侧，另一个后方交会棱镜安装于另一侧。
4.根据权利要求1所述的掘进装备机身偏差计算方法，其特征在于，目标棱镜安装于采掘装备机身后方位置，不被遮挡，保证与全站仪通视。
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