CN114689012B - 一种用于竖向掘进机姿态测量的垂直导向***及导向方法 - Google Patents

一种用于竖向掘进机姿态测量的垂直导向***及导向方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于竖向掘进机姿态测量的垂直导向***及导向方法，竖井掘进机上开设有供垂准仪和激光测距仪的发射光线穿过的测量通道，垂准仪的发射方向竖直向下面对激光检测靶，激光测距仪测量导向***工作平台与垂准仪的竖直距离；激光检测靶和抗震检测仪的X轴与陀螺仪上的指北方向一致，以激光检测靶的X轴逆时针旋转90°定义为Y轴，建立垂直导向***的坐标系。本发明通过在竖直掘进机上开辟一个测量通道供垂准仪和激光测距仪的发射光线通过，并使用陀螺仪进行掘进机的自转角测量，既可以测得掘进机始发时的绝对位置，也可以根据陀螺仪上的横摇角和俯仰角实现与抗震倾斜仪的X轴和Y轴俯仰角进行复测。

Description

一种用于竖向掘进机姿态测量的垂直导向***及导向方法
技术领域
本发明涉及一种掘进机，具体涉及一种竖向掘进机。
背景技术
掘进机一般分为水平掘进机和竖井掘进机，在竖井掘进机施工过程中，竖井导向***是用于实时监视硬岩竖向掘进机的位置及姿态的重要***。通过该***可以实时掌握竖向掘进机的位置及姿态，使竖向掘进机能够按照预设线路精确的掘进，确保竖井准确贯通。目前，竖井掘进机的导向***非常少。目前主要有以下掘进机姿态测量技术方案：第一种方案，利用位移测量***测得竖向掘进机轴线水平位移偏移量以及姿态测量***测得竖井掘进机轴线掘进角度偏移量，但未考虑掘进机在实际工作中产生的自转问题，部分设备因没有及时纠正掘进机的自转角度而削弱了其工作性能或者使用寿命，而掘进机的自转角度也影响着水平位移偏移量的测量，按照上述方案测得的水平位移偏移量会出现较大误差。第二种方案，使用双感光靶、双轴倾斜仪获取相关数据并通过计算得出掘进机当前的倾斜俯仰姿态、偏移量和滚动角，但使用双感光靶对其安装同步性要求高，光斑变化的同步性在复杂环境下难以保证，并且未考虑人为安装测量设备的误差最终无法准确的解算出掘进机的偏移量与回滚角。
发明内容
发明目的：提供了一种用于竖向掘进机姿态测量的垂直导向***及导向方法，可补偿安装误差，无需考虑复杂环境等因素，具有普遍适用性。
技术方案：一种用于竖向掘进机姿态测量的垂直导向***，包括置于竖井洞的竖井掘进机、安装在竖井洞洞口的垂准仪、固定在竖井掘进机中的导向***工作平台、设置在竖井掘进机导向***工作平台上的激光检测靶、激光测距仪、陀螺仪、抗震倾斜仪、数据传输单元以及数据处理单元，所述激光检测靶、激光测距仪、陀螺仪、抗震倾斜仪分别与数据传输单元相连，所述数据传输单元连接数据处理单元；
所述竖井掘进机上开设有供垂准仪和激光测距仪的发射光线穿过的测量通道，所述垂准仪的发射方向竖直向下面对激光检测靶，所述激光测距仪测量导向***工作平台与垂准仪的竖直距离；所述激光检测靶和抗震检测仪的X轴与陀螺仪上的指北方向一致，以激光检测靶的X轴逆时针旋转90°定义为Y轴，建立垂直导向***的坐标系。
进一步，所述垂准仪安装在可调节支架上实现水平面上相垂直两个方向的移动。
进一步，所述可调节支架包括固定在洞壁上的背板、贴合背板水平滑动连接的滑动板、一端固定在滑动板上并水平伸出的两个支撑臂以及连接两个支撑臂另一端的固定板，所述支撑臂上均设有滑槽，所述垂准仪的固定螺栓在滑槽中滑动。
进一步，所述可调节支架上还设有面对激光测距仪的反光板。
进一步，所述导向***工作平台为水平设置的，且表面平滑。
一种用于竖向掘进机姿态测量的垂直导向方法，包括以下步骤：
（1）竖井掘进机首次下井时，将陀螺仪的指北方向定义为竖井掘进机初始位置；
（2）由于抗震倾斜仪与垂直导向***的坐标系一致，因此可测得X轴和Y轴方向的俯仰角度，根据X轴与Y轴俯仰角度调整竖向掘进机保持其处于水平状态；
（3）在竖向掘进机处于水平状态下，调整垂准仪，使其发射的激光束正好打在激光检测靶的正中心；
（4）在初始时刻，获取激光检测靶上光斑的中心坐标为，抗震倾斜仪的X轴俯仰角和Y轴俯仰角分别为/>和/>，陀螺仪测得的竖向掘进机的自转角为/>、横摇角度和俯仰角度/>，激光测距仪测得到反光板的距离为/>，其中/>，/>；
根据初始时刻下的X轴俯仰角和Y轴俯仰角可以得到掘进机在水平状态下光斑的坐标：，/>，即获得水平状态下的坐标为/>；
根据陀螺仪初始状态下的数据，求解出初始时刻的自转角度误差为：
；进而得到初始时刻掘进机的偏移量误差为：
，/>；
（5）导向***连续工作时刻，获取垂准仪打在激光检测靶上的光斑中心坐标为，获取抗震倾斜仪在该时刻下X轴和Y轴的俯仰角度分别为/>，/>，获取陀螺仪的在该时刻下测得的竖向掘进机的自转角为/>，获取激光测距仪在该时刻下测得距离反光板的距离为/>； />为初始时刻下激光检测靶上光斑中心坐标的水平投影坐标，为测量时刻激光标靶上光斑中心坐标的水平投影坐标，/>是掘进机在无偏移量情况下激光检测靶上的光斑中心坐标的水平投影坐标：
①由陀螺仪获取的当前转动角度、横摇角度/>和俯仰角度/>，补偿自转角误差值，可以测得掘进机实际自转角为/>；
②该时刻下，或/>则判定陀螺仪或者抗震倾斜仪出现故障，需进行设备校验；
③根据抗震倾斜仪的X轴俯仰角和Y轴俯仰角可以计算出掘进机水平状态下的光斑中心坐标投影，其中/>，/>；
④则水平状态下光斑中心无偏移量坐标为，可由以/>为圆心，/>为半径的圆与过/>直线相交所得：
解得与圆相交的两个点和/>；
⑤由于在掘进机掘进过程中对其俯仰姿态、自转角和偏移量进行实时测量，则有变化量非常小，则有，/>舍弃；
⑥那么由和/>可以得到当前测量时刻掘进机与初始时刻掘进机的偏移量为：/>，/>，补偿偏移量误差得到该时刻掘进机实际偏移量为：/>,/>；
⑦获取该时刻下激光测距仪的测得到反光板的距离为，则直至该时刻竖向掘进机掘进井深为：/>。
由以上本发明的方案可见，本发明通过在竖直掘进机上开辟一个测量通道供垂准仪和激光测距仪的发射光线通过，并使用陀螺仪进行掘进机的自转角测量，既可以测得掘进机始发时的绝对位置，也可以根据陀螺仪上的横摇角和俯仰角实现与抗震倾斜仪的X轴和Y轴俯仰角进行复测，如果实测过程中两者俯仰角度数据相差超过预设值，则判定陀螺仪或者倾斜仪出现故障，并及时报警检修。因此，本发明无需考虑复杂环境等因素，安装要求低，适合更加复杂的工况环境，具有普遍适用性，补偿了人工安装调试等因素造成的误差，测量结果更加准确可靠。
附图说明
图1为本发明垂直导向***的结构示意图；
图2为可调节支架的结构示意图；
图3为导向***坐标系示意图；
图4为本发明垂直导向方法流程图；
图5为导向***工作时光斑中心坐标投影示意图。
具体实施方式
一种用于竖向掘进机姿态测量的垂直导向***，如图1所示，包括在竖井洞11中工作的竖井掘进机12、垂准仪2、反光板1、激光检测靶3、激光测距仪4、抗震倾斜仪5、陀螺仪6、数据传输单元7、数据处理单元8。
竖井洞11的洞口设有一个可调节支架9，垂准仪2和反光板1均安装在可调节支架9上。如图2所示，可调节支架9包括背板91、滑动板92、两个支撑臂93、固定板94。背板91一面固定在洞壁上，另一面与滑动板92滑动连接。具体的，滑动板92上设有两个滑槽，背板91上具有相适配的两个螺栓，通过螺栓对应在滑槽中的移动实现滑动板92沿洞壁的水平滑动。两个水平伸出的支撑臂93一端固定在滑动板92上，另外一端通过固定板94固定连接，固定板94用于维持两支撑臂93之间的距离不变及保持稳定。支撑臂93上均设有滑槽，垂准仪的固定螺栓在滑槽中滑动。因此，通过滑动板92的移动及垂准仪在支撑臂93滑槽中的移动，垂准仪2可实现平面上相垂直的两个方向上的移动，用于调节其发出的光斑位置。
竖井掘进机12的内部设有一个水平的表面平滑的导向***工作平台13，激光检测靶3、激光测距仪4、抗震倾斜仪5和陀螺仪6设置在导向***工作平台13上。垂准仪2的光线发射方向竖直向下面对激光检测靶3，激光测距仪4的激光发射方向竖直向上面对反光板1，反光板1可增强激光散射光束，实现远距离测量，可测得导向***工作平台13到反光板1的距离。从竖井掘进机12的上表面到导向***工作平台13开设有一个测量通道10，供垂准仪2和激光测距仪4的光线从中穿过。
激光检测靶3、激光测距仪4、陀螺仪6、抗震倾斜仪5分别与数据传输单元7相连，数据传输单元7连接数据处理单元8。在本实施例中，数据传输单元7为Moxa服务器，激光检测靶3、激光测距仪4、陀螺仪6、抗震倾斜仪5通过RS485转网口实现数据像上端传输；数据处理单元8为PC，PC与Moxa服务器相连，将接收的数据进行计算处理获取掘进机12实时的俯仰姿态、自转角度以及偏移量，并显示到垂直导向***监控界面上。
激光检测靶3的X轴与陀螺仪6上的指北方向一致，以激光检测靶3的X轴逆时针旋转90°定义为Y轴，建立垂直导向***的坐标系，如图3所示。抗震倾斜仪5的X轴与陀螺仪6的指北方向保持一致，以抗震倾斜仪5的X轴逆时针旋转90°定义为Y轴，即与上述定义的垂直导向***的坐标系保持一致，可测得X轴和Y轴方向的俯仰角。
一种用于竖向掘进机姿态测量的垂直导向方法，如图4所示，包括以下步骤：
（1）竖井掘进机12首次下井时，将陀螺仪6的指北方向定义为竖井掘进机12初始位置；
（2）获取已安装在***工作平台13上的抗震倾斜仪5的X轴与Y轴方向的俯仰角度，根据X轴与Y轴俯仰角度调整竖向掘进机12保持其处于水平状态；
（3）在竖向掘进机12处于水平状态下，前后左右移动垂准仪2在可调节支架9上的位置，使其发射的激光束正好打在激光检测靶3的正中心；
（4）在初始时刻，获取激光检测靶3上光斑的中心坐标为，抗震倾斜仪5的X轴俯仰角和Y轴俯仰角分别为/>和/>，陀螺仪6测得的竖向掘进机12的自转角为/>、横摇角度/>和俯仰角度/>，激光测距仪4测得到反光板1的距离为/>，其中/>，/>；
根据初始时刻下的X轴俯仰角和Y轴俯仰角可以得到掘进机12在水平状态下光斑的坐标：；
陀螺仪6可以检测掘进机12的自转角度，根据陀螺仪6初始状态下的数据，求解出初始时刻的自转角度误差为：；进而得到初始时刻掘进机12的偏移量误差为：/>，/>；
（5）导向***连续工作时刻，获取垂准仪2打在激光检测靶3上的光斑中心坐标为，获取抗震倾斜仪5在该时刻下X轴和Y轴的俯仰角度分别为/>，/>，获取陀螺仪6的在该时刻下测得的竖向掘进机12的自转角为/>，获取激光测距仪4在该时刻下测得距离反光板1的距离为/>； 图5中/>为初始时刻下激光检测靶上光斑中心坐标的水平投影坐标，/>为测量时刻激光标靶上光斑中心坐标的水平投影坐标，/>是掘进机在无偏移量情况下激光检测靶上的光斑中心坐标的水平投影坐标：
①由陀螺仪6获取的当前转动角度、横摇角度/>和俯仰角度/>，补偿自转角误差值，可以测得掘进机12实际自转角为/>；
②该时刻下，或/>则判定陀螺仪6或者抗震倾斜仪5出现故障，将数据返回给PC端提示人工进行设备校验；
③根据抗震倾斜仪5的X轴俯仰角和Y轴俯仰角可以计算出掘进机12水平状态下的光斑中心坐标投影，其中/>，/>；
④则水平状态下光斑中心无偏移量坐标为，可由以/>为圆心，/>为半径的圆与过/>直线相交所得：：
解得与圆相交的两个点和/>；
⑤由于在掘进机12掘进过程中对其俯仰姿态、自转角和偏移量进行实时测量，则有变化量非常小，则有，则/>舍弃；
⑥那么由和/>可以得到当前测量时刻掘进机与初始时刻掘进机的偏移量为：/>，/>，补偿偏移量误差得到该时刻掘进机实际偏移量为：/>,/>；
⑦获取该时刻下激光测距仪4的测得到反光板1的距离为，则直至该时刻竖向掘进机12掘进井深为：/>。

Claims (5)

1.一种用于竖向掘进机姿态测量的垂直导向方法，该方法用于垂直导向***，其特征在于：该垂直导向***包括置于竖井洞的竖井掘进机、安装在竖井洞洞口的垂准仪、固定在竖井掘进机中的导向***工作平台、设置在竖井掘进机导向***工作平台上的激光检测靶、激光测距仪、陀螺仪、抗震倾斜仪、数据传输单元以及数据处理单元，所述激光检测靶、激光测距仪、陀螺仪、抗震倾斜仪分别与数据传输单元相连，所述数据传输单元连接数据处理单元；
所述竖井掘进机上开设有供垂准仪和激光测距仪的发射光线穿过的测量通道，所述垂准仪的发射方向竖直向下面对激光检测靶，所述激光测距仪测量导向***工作平台与垂准仪的竖直距离；所述激光检测靶和抗震检测仪的X轴与陀螺仪上的指北方向一致，以激光检测靶的X轴逆时针旋转90°定义为Y轴，建立垂直导向***的坐标系；
所述垂直导向方法，包括以下步骤：
（1）竖井掘进机首次下井时，将陀螺仪的指北方向定义为竖井掘进机初始位置；
（2）由于抗震倾斜仪与垂直导向***的坐标系一致，因此可测得X轴和Y轴方向的俯仰角度，根据X轴与Y轴俯仰角度调整竖向掘进机保持其处于水平状态；
（3）在竖向掘进机处于水平状态下，调整垂准仪，使其发射的激光束正好打在激光检测靶的正中心；
（4）在初始时刻，获取激光检测靶上光斑的中心坐标为，抗震倾斜仪的X轴俯仰角和Y轴俯仰角分别为/>和/>，陀螺仪测得的竖向掘进机的自转角为/>、横摇角度/>和俯仰角度/>，激光测距仪测得到反光板的距离为/>，其中/>，/>；
根据初始时刻下的X轴俯仰角和Y轴俯仰角可以得到掘进机在水平状态下光斑的坐标：，/>，即获得水平状态下的坐标为/>；
根据陀螺仪初始状态下的数据，求解出初始时刻的自转角度误差为：
；进而得到初始时刻掘进机的偏移量误差为：
，/>；
（5）导向***连续工作时刻，获取垂准仪打在激光检测靶上的光斑中心坐标为，获取抗震倾斜仪在该时刻下X轴和Y轴的俯仰角度分别为/>，/>，获取陀螺仪的在该时刻下测得的竖向掘进机的自转角为/>，获取激光测距仪在该时刻下测得距离反光板的距离为/>；为初始时刻下激光检测靶上光斑中心坐标的水平投影坐标，/>为测量时刻激光标靶上光斑中心坐标的水平投影坐标，/>是掘进机在无偏移量情况下激光检测靶上的光斑中心坐标的水平投影坐标：
①由陀螺仪获取的当前转动角度、横摇角度/>和俯仰角度/>，补偿自转角误差值，可以测得掘进机实际自转角为/>；
②该时刻下，或/>则判定陀螺仪或者抗震倾斜仪出现故障，需进行设备校验；
③根据抗震倾斜仪的X轴俯仰角和Y轴俯仰角可以计算出掘进机水平状态下的光斑中心坐标投影，其中/>，/>；
④则水平状态下光斑中心无偏移量坐标为，可由以/>为圆心，/>为半径的圆与过/>直线相交所得：
；
解得与圆相交的两个点和/>；
⑤由于在掘进机掘进过程中对其俯仰姿态、自转角和偏移量进行实时测量，则有变化量非常小，则有，/>舍弃；
⑥那么由和/>可以得到当前测量时刻掘进机与初始时刻掘进机的偏移量为：/>，/>，补偿偏移量误差得到该时刻掘进机实际偏移量为：,/>；
⑦获取该时刻下激光测距仪的测得到反光板的距离为，则直至该时刻竖向掘进机掘进井深为：/>。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述垂准仪安装在可调节支架上实现水平面上相垂直两个方向的移动。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述可调节支架包括固定在洞壁上的背板、贴合背板水平滑动连接的滑动板、一端固定在滑动板上并水平伸出的两个支撑臂以及连接两个支撑臂另一端的固定板，所述支撑臂上均设有滑槽，所述垂准仪的固定螺栓在滑槽中滑动。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述可调节支架上还设有面对激光测距仪的反光板。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述导向***工作平台为水平设置的，且表面平滑。
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