CN115060161A - 掘进机智能定位定姿装置及其控制方法 - Google Patents

掘进机智能定位定姿装置及其控制方法 Download PDF

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CN115060161A
CN115060161A CN202210611907.6A CN202210611907A CN115060161A CN 115060161 A CN115060161 A CN 115060161A CN 202210611907 A CN202210611907 A CN 202210611907A CN 115060161 A CN115060161 A CN 115060161A
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庞义辉
任世华
王晨
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Tiandi Science and Technology Co Ltd
CCTEG Coal Mining Research Institute
General Coal Research Institute Co Ltd
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Tiandi Science and Technology Co Ltd
CCTEG Coal Mining Research Institute
General Coal Research Institute Co Ltd
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Abstract

本申请公开了一种掘进机智能定位定姿装置及其控制方法，该装置包括：固定保护壳、旋转底座、旋转台、第一旋转角度传感器、两个固定耳板、激光测距发射器、旋转轴、第二旋转角度传感器、水平基准部件、信号接收标靶，其中，旋转台绕垂直轴进行相应角度的旋转，第一旋转角度传感器对旋转台的旋转角度进行监测，激光测距发射器通过旋转轴与固定耳板连接，通过旋转轴进行旋转，第二旋转角度传感器设置于旋转轴内，对旋转轴的旋转角度进行监测；信号接收标靶设置于掘进机后方巷道的上部位置，接收激光测距发射器发射的激光信号。该装置结构简单，数据采集方便，可以更加便捷和准确的测量掘进机的位置和姿态。

Description

掘进机智能定位定姿装置及其控制方法
技术领域
本申请涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及一种掘进机智能定位定姿装置及其控制方法。
背景技术
煤矿智能化是煤炭工业实现高质量发展的核心技术支撑，而掘进工作面智能化是进行煤矿智能化建设的重要组成部分。智能化掘进要求掘进机能够实现自主行走和智能自适应截割等，而掘进机的精准定姿、定位是实现掘进机智能自适应截割等智能化掘进操作的基础。
相关技术中，掘进机生产制造企业主要采用全站仪、激光标靶、超宽带(UWB)和惯导***等对掘进机进行位置和姿态的确定，但上述方法需要多种测量设备进行配合，并对采集的数据进行时间轴统一及融合分析，存在操作复杂、数据融合分析难度大、定位与定姿精度低、需要频繁进行校对调整等问题。举例而言,相关技术中采用了基于三激光标靶的掘进机机身位姿确定方法，该方法主要通过构建三激光点标靶图像，然后采用机器视觉的方法建立掘进机的机身位姿解算模型，从而确定掘进机的位置与姿态，但由于井下光线较差，该方法仍然存在操作流程复杂、数据处理难度大等问题。相关技术中还提出了悬臂式掘进机截割头空间定位方法，该方法采用惯性导航、全站仪等对掘进机进行定姿定位，该方法属于传统方法，存在解算数据量大、操作较复杂、定位与定姿精度低等问题。相关技术中还提出了基于激光位姿靶和机器视觉的特定空间测量方法及***，通过测定激光位姿靶的中心线、坐标与各测量相机的相对位置关系，对掘进机的空间位姿进行解算，但该方法各测量相机的相对位置很难精准获取，且井下环境对机器视觉有一定影响,导致定位与定姿精度仍然较低。
综合上述分析可知，相关技术中掘进机定姿、定位装置主要采用多种设备进行相互校准和标定，存在操作复杂、数据融合分析难度大、定位与定姿精度低、需要频繁进行校对调整等问题，亟需进行改善。
发明内容
本申请的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
为此，本申请的第一个目的在于提出一种掘进机智能定位定姿装置。单一的采用该定位定装置即可以对掘进机的空间位置和姿态进行确定,该装置结构简单、数据采集方便、测量精度高，较好的解决了传统定位定姿装置存在操作复杂、数据计算量大和定位与定姿的精度低等诸多问题。
本申请的第二个目的在于提出一种掘进机智能定位定姿装置的控制方法。
本申请的第三个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种掘进机智能定位定姿装置，该装置包括：固定保护壳、旋转底座、旋转台、第一旋转角度传感器、两个固定耳板、激光测距发射器、旋转轴、第二旋转角度传感器、水平基准部件、信号接收标靶，其中，
所述旋转底座与所述固定保护壳固定连接；
所述旋转台与所述旋转底座连接，用于绕所述旋转台的垂直轴进行相应角度的旋转；
所述第一旋转角度传感器设置于所述旋转台内，用于对所述旋转台的旋转角度进行监测；
所述两个固定耳板分别固定于所述旋转台上表面的两侧；
所述激光测距发射器通过所述旋转轴与所述固定耳板连接，通过所述旋转轴进行相应角度的旋转，所述激光测距发射器用于向所述信号接收标靶发射激光信号；
所述第二旋转角度传感器设置于所述旋转轴内，用于对所述旋转轴的旋转角度进行监测；
所述水平基准部件固定设置于所述固定保护壳的内侧面，用于对所述旋转台和所述旋转轴的初始旋转位置进行标定；
所述固定保护壳、所述旋转底座、所述旋转台、所述第一旋转角度传感器、所述固定耳板、所述激光测距发射器、所述旋转轴、所述第二旋转角度传感器、所述水平基准连接构成掘进机位姿感知装置；
所述信号接收标靶设置于掘进机后方巷道的上部位置，用于接收所述激光测距发射器发射的激光信号，以基于所述激光信号的相关信息对所述掘进机进行定位定姿。
另外，本申请实施例的掘进机智能定位定姿装置还具有如下附加的技术特征：
可选地，在一些实施例中，掘进机位姿感知装置固定设置在所述掘进机的后部中间位置，所述第一旋转角度传感器和所述第二旋转角度传感器的初始值预先标定。
可选地，在一些实施例中，信号接收标靶的两侧边到所述巷道两侧壁面的距离相等，所述信号接收标靶具体用于对所述激光测距发射器发射的激光信号的落点位置进行感知。
为实现上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种掘进机智能定位定姿装置的控制方法，该掘进机智能定位定姿装置是上述第一方面的掘进机智能定位定姿装置，该方法包括：
将掘进机位姿感知装置安装在掘进机的后部中间位置，将信号接收标靶设置于所述掘进机后方巷道的上部位置；
针对所述信号接收标靶建立空间坐标系，并对第一旋转角度传感器和第二旋转角度传感器的初始值进行标定；
开启激光测距发射器，获取激光信号在所述信号接收标靶上的初始落点A，并控制旋转台进行相应角度的旋转，获取所述激光测距发射器测得的最短距离对应的第一落点B，通过所述第一旋转角度传感器监测所述激光测距发射器由所述初始落点A至第一落点B的旋转角度θ；
固定所述旋转台，沿着使所述激光测距发射器测量的距离值逐渐增大的方向，控制旋转轴旋转10°至15°，获取所述旋转轴旋转后激光信号在所述信号接收标靶上的最终落点C；
获取所述激光测距发射器测得的信号发射点S分别与所述初始落点A之间的第一距离、与所述第一落点B之间的第二距离和与所述第二落点C之间的第三距离，并结合所述初始落点A、所述第一落点B和所述第二落点C的坐标值，基于三角函数关系计算所述激光测距发射器在所述信号接收标靶上的垂直投影点T的位置坐标，以及所述信号发射点与所述垂直投影点T之间的第四距离；
根据所述垂直投影点T的位置坐标和所述第四距离确定所述掘进机在所述空间坐标系下的位置坐标，并以所述空间坐标系各个平面内的偏斜角度为所述掘进机的姿态信息。
另外，本申请实施例的掘进机智能定位定姿装置的控制方法还具有如下附加的技术特征：
可选地，在一些实施例中，针对所述信号接收标靶建立空间坐标系，包括：以所述信号接收标靶的下侧边缘线的中点为原点、垂直巷道水平地面的方向为z轴方向、垂直于巷道侧面的方向为x轴方向和巷道中心线方向为y轴方向建立所述空间坐标系。
可选地，在一些实施例中，对第一旋转角度传感器和第二旋转角度传感器的初始值进行标定，包括：将所述掘进机置于水平地面，使固定保护壳的上表面与水平地面平行且所述固定保护壳的左右侧面与掘进机长度方向的垂直剖面平行；控制旋转台和旋转轴进行相应角度的旋转，使所述激光测距发射器发射的激光与水平基准对准；维持所述旋转台的状态，将所述旋转轴旋转180°，将所述第一旋转角度传感器4和所述第二旋转角度传感器当前的角度值标定为所述初始值。
可选地，在一些实施例中，通过以下公式计算所述信号发射点与所述垂直投影点T之间的第四距离：
Figure BDA0003673280670000041
其中，lST是第四距离，lBT是第一落点B与垂直投影点T之间的距离，lSB是第二距离，lBC是第一落点B与第二落点C之间的距离，lSC是第三距离。
可选地，在一些实施例中，通过以下公式确定所述掘进机在所述空间坐标系下的位置坐标：
Figure BDA0003673280670000042
其中，xT为垂直投影点T在x轴的值，zT为为垂直投影点T在z轴的值。
可选地，在一些实施例中，以所述空间坐标系各个平面内的偏斜角度为所述掘进机的姿态信息，包括：
确定所述初始落点A和所述第一落点B的连线，与x轴的第一夹角β，并通过以下公式确定所述信号发射点S和所述第一落点B的连线，与所述信号发射点S和所述垂直投影点T的连线之间的第二夹角γ：
Figure BDA0003673280670000043
以所述旋转角度θ为x轴与y轴所在平面内的偏斜角度，以第一夹角β为x轴与z轴所在平面内的偏斜角度，并以所述第二夹角γ为y轴与z轴所在平面内的偏斜角度。
为实现上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第二方面实施例中任一所述的掘进机智能定位定姿装置的控制方法。
本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
本申请通过在掘进机上安装掘进机位姿感知装置，并在巷道安装信号接收标靶，便可以对掘进机的位置与姿态信息进行监测，避免了设置多种测量设备进行协作检测，省去了对采集的多种数据进行融合分析等处理步骤，降低了数据处理难度和操作复杂程度，节省了掘进机智能定位定姿的成本，具有结构简单、数据采集方便、数据计量小和测量精度高等显著优点，较好的解决了传统掘进机的定位定姿方案中存在的操作复杂、数据融合分析难度大、定位定姿精度低和需要频繁进行校对调整等问题。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例提出的一种掘进机智能定位定姿装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提出的一种具体的掘进机智能定位定姿装置的结构示意图；
图3为本申请实施例提出的一种激光测距发射器在信号接收标靶上的激光信号落点的示意图；
图4为本申请实施例提出的一种掘进机智能定位定姿装置的控制方法的流程图。
图5为本申请实施例提出的一种具体的测量确定的掘进机姿态信息的示意图；
图6为本申请实施例提出的一种激光信号在信号接收标靶上的垂直投影的三角关系的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的掘进机智能定位定姿装置及其控制方法。
图1为本申请实施例提出的一种掘进机智能定位定姿装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括：固定保护壳1、旋转底座2、旋转台3、第一旋转角度传感器4、两个固定耳板5、激光测距发射器6、旋转轴7、第二旋转角度传感器8、水平基准部件9、信号接收标靶10。其中，第二旋转角度传感器8和水平基准部件9图1中未示出。为了更加清楚的描述上述各部件的连接关系和设置方式，下面结合图1和图2进行详细说明。
其中，旋转底座2与1固定保护壳固定连接。
旋转台3与旋转底座2连接，用于绕旋转台3的垂直轴进行相应角度的旋转。旋转台3可以绕自身的垂直轴进行360°旋转，在实际测量过程中，旋转台3可以根据测量需要旋转相应的角度。
第一旋转角度传感器4设置于所述旋转台内，用于对旋转台3的旋转角度进行监测。
两个固定耳板5分别固定于旋转台3上表面的两侧，两个固定耳板5的参数可以一致，且可以关于激光测距发射器6对称设置。
如图2所示，激光测距发射器6通过旋转轴7与两个固定耳板5连接，通过旋转轴进行相应角度的旋转，即激光测距发射器6可以在旋转轴的带动下，围绕旋转轴7进行360°旋转。激光测距发射器6用于向信号接收标靶10发射激光信号。
继续参照如图2所示，第二旋转角度传感器8设置于旋转轴7内，用于对旋转轴7的旋转角度进行监测。
水平基准部件9固定设置于固定保护壳1的内侧面，用于对旋转台3和旋转轴7的初始旋转位置，即初始角度进行标定。
由此，固定保护壳1、旋转底座2、旋转台3、第一旋转角度传感器4、固定耳板5、激光测距发射器6、旋转轴7、第二旋转角度传感器8、水平基准部件9按上述连接方式进行连接，形成掘进机位姿感知装置。
信号接收标靶10设置于掘进机后方巷道的上部位置，用于接收激光测距发射器6发射的激光信号，以便于后续基于激光信号的相关信息对掘进机进行定位定姿。
在本申请一个实施例中，实际进行测量时，将掘进机位姿感知装置固定设置在掘进机的后部中间位置，且第一旋转角度传感器4和第二旋转角度传感器8的初始值预先标定。
具体而言，将掘进机位姿感知装置(即通过上述连接方式连接的部件1至部件9)固定在掘进机的后部中间位置，该后部中间位置是指位于掘进机的后部，且位于掘进机宽度方向的中间位置，将掘进机位姿感知装置固定于掘进机的后部中间位置后，方便由激光测距发射器6向信号接收标靶10发射信号。并且，预先按照相关标定方法对第一旋转角度传感器和第二旋转角度传感器的初始值进行标定，在测量前先根据预先标定的初始值分别对第一旋转角度传感器4和第二旋转角度传感器8进行调整。
在本申请一个实施例中，信号接收标靶的两侧边到巷道两侧壁面的距离相等，信号接收标靶具体用于对激光测距发射器发射的激光信号的落点位置进行感知。
具体而言，如图3所示，信号接收标靶10的两侧边到巷道30两侧壁面的距离相等，且信号接收标靶10的表面铺有感光传感器，当进机位姿感知装置20发出的激光束打在信号接收标靶10的表面时，可以感知激光束的落点位置，比如，图3中的落点A和落点B的位置信息。
进而，该掘进机智能定位定姿装置可以根据不同的激光信号的落点信息和激光信号的距离信息进行计算，从而对掘进机进行定位定姿。
综上所述，本申请实施的掘进机智能定位定姿装置，通过在掘进机上安装掘进机位姿感知装置，并在巷道安装信号接收标靶，便可以对掘进机的位置与姿态信息进行监测，避免了设置多种测量设备进行协作检测，该装置结构简单，数据采集方便并且对掘进机的位置和姿态测量的精度较高。
为了更加清楚的说明的通过该掘进机智能定位定姿装置对掘进机的位置和姿态进行测量的具体实现过程，下面以本申请实施例中提出的一种掘进机智能定位定姿装置的控制方法进行详细说明。该方法应用于上述实施例中的掘进机智能定位定姿装置，即该掘进机智能定位定姿装置的控制方法所针对的掘进机智能定位定姿装置，即是上述实施中所述掘进机智能定位定姿装置，装置中包括的部件和各部件的连接方式如上述实施例所述，此处不再赘述。
图4为本申请实施例提出的一种掘进机智能定位定姿装置的控制方法的流程图，如图4所示，该方法包括以下步骤：
步骤S401：将掘进机位姿感知装置设置在掘进机的后部中间位置，将信号接收标靶设置在掘进机后方巷道的上部位置。
本步骤中，掘进机位姿感知装置和信号接收标靶具体的设置方式可参照上述装置实施例中的描述，此处不再赘述。
步骤S402：针对信号接收标靶建立空间坐标系，并对第一旋转角度传感器和第二旋转角度传感器的初始值进行标定。
在本申请一个实施例中，针对信号接收标靶建立空间坐标系，包括：以信号接收标靶的下侧边缘线的中点为原点、垂直巷道水平地面的方向为z轴方向、垂直于巷道侧面的方向为x轴方向和巷道中心线方向为y轴方向建立空间坐标系。
具体而言，如图3所示，以信号接收标靶10的下侧边缘线的中点为原点O，垂直方向为z轴方向，垂直于巷道侧面的方向为x轴方向，巷道水平地面的中心线方向为y轴方向的方式建立坐标系，通过建立的空间坐标系，便于后续对掘进机的空间坐标位置、姿态进行标定。
进一步的，对第一旋转角度传感器和第二旋转角度传感器的初始值进行标定。在本申请一个实施例中，对旋转角度传感器的初始值进行标定包括以下步骤：
首先，将掘进机置于水平地面，将掘进机位姿感知装置设置在掘进机的后部中间位置时，使固定保护壳1的上表面与水平地面平行且固定保护壳1的左右侧面与掘进机长度方向的垂直剖面平行。
然后，控制旋转台3和旋转轴7进行相应角度的旋转，使得旋转后，激光测距发射器6发射的激光与水平基准部件9对准。
最后，维持旋转台3的状态，即保持旋转台3不动，将旋转轴7旋转180°，将当前时刻第一旋转角度传感器4和第二旋转角度传感器8的角度值分别标定为各自的初始值，即初始位置角度。
步骤S403：开启激光测距发射器，获取激光信号在信号接收标靶上的初始落点A，并控制旋转台进行相应角度的旋转，获取激光测距发射器测得的最短距离对应的第一落点B，通过第一旋转角度传感器监测激光测距发射器由初始落点A至第一落点B的旋转角度θ。
在本申请实施例中，开启激光测距发射器6，此时激光束打在信号接收标靶10的落点位置为A，然后对旋转台3进行一定角度旋转，使激光测距发射器6测量的距离值为最小，此时，确定激光束打在所述信号接收标靶10的落点位置为B，采集第一旋转角度传感器4检测到的旋转角度值为θ。
具体而言，如图3所示，在开始进行测量时，先开启激光测距发射器6，此时，激光测距发射器6向信号接收标靶10发射激光束，且将信号接收标靶10接收到的激光束的落点位置标记为A。然后，对旋转台3进行小角度水平旋转，通过比较确定使激光测距发射器6测量的距离值减小的方向，并沿该方向继续旋转，使得激光测距发射器6测得的距离为最短，此时确定信号接收标靶10接收到的激光束的落点位置标记为B。激光测距发射器6由A点转向B点的旋转角度通过所述第一旋转角度传感器4进行监测，旋转角度值记为θ。
需要说明的是，通过空间坐标关系进行分析，θ值即为掘进机沿水平方向的偏离角度，后续需要掘进机沿水平方向进行角度为θ的旋转。
步骤S403：固定旋转台，沿着使激光测距发射器测量的距离值逐渐增大的方向，控制旋转轴旋转10°至15°，获取旋转轴旋转后激光信号在信号接收标靶上的最终落点C。
具体的，继续参照图3所示，固定旋转台3不动，将旋转轴7沿着使激光测距发射器6测量的距离值逐渐增大的方向进行10-15°旋转，具体的旋转角度可以根据实际需要确定。在旋转轴结束旋转后，确定激光束在信号接收标靶10的落点位置为C。
步骤S404：获取激光测距发射器测得的信号发射点S分别与初始落点A之间的第一距离、与第一落点B之间的第二距离和与第二落点C之间的第三距离，并结合初始落点A、第一落点B和第二落点C的坐标值，基于三角函数关系计算激光测距发射器在信号接收标靶上的垂直投影点T的位置坐标，以及信号发射点与垂直投影点T之间的第四距离。
具体的，将激光测距发射器6近似视为从一个信号发射点S发射激光信号，通过激光测距发射器6自身的测距功能，测量信号发射点S与初始落点A之间的第一距离lSA、S点与第一落点B之间的第二距离lSB以及S点与第二落点C之间的第三距离lSC。并且，通过信号接收标靶10对激光束的落点位置的感知功能，确定初始落点A、第一落点B和第二落点C的坐标值，根据平面内两点间的距离公式计算出第一落点B与第二落点C在信号接收标靶10上的距离lBC，A点与B点在信号接收标靶上10的距离lAB。
进一步的，上述各个点连成的边存在空间位置关系，根据上述计算出的各个距离值，通过各个边的三角函数关系可以计算出激光测距发射器6在信号接收标靶10上的垂直投影点T的位置坐标，以及信号发射点S与垂直投影点T之间的第四距离lST。
具体而言，由于lSB为旋转台3进行水平旋转所得的激光测距发射器6与信号接收标靶10的最短距离，因此，如图5所示，激光测距发射器6在所述信号接收标靶10上的垂直投影点T与B点的连线lBT，应垂直于落点A与落点B的连线lAB。
进而可构建如图6所示的三角关系对激光测距发射器6在信号接收标靶10上的垂直投影点T进行求解。由图6可知，各边间的三角函数关系如以下公式所示：
Figure BDA0003673280670000091
式中，lSB、lSC和lBC均为已知值，进而通过以下公式计算第一落点B与垂直投影点T之间的距离lBT，以及信号发射点S与垂直投影点T之间的第四距离求解可得lST：
Figure BDA0003673280670000092
其中，lST是第四距离，lBT是第一落点B与垂直投影点T之间的距离，lSB是第二距离，lBC是第一落点B与第二落点C之间的距离，lSC是第三距离。
更进一步的，将lSA与lSB的夹角记为θ，确定初始落点A和第一落点B的连线(即lAB)，与x轴的第一夹角β，信号发射点S和第一落点B的连线(即lSB)，与信号发射点S和垂直投影点T的连线(即lST)之间的第二夹角γ，其中γ可通过以下公式计算：
Figure BDA0003673280670000093
进而根据计算出的lST和lBT等距离，根据上述空间坐标系中各已知点的位置坐标及上述三角关系，可以确定垂直投影点T的坐标值。
步骤S405：根据垂直投影点T的位置坐标和第四距离确定掘进机在空间坐标系下的位置坐标，并以空间坐标系各个平面内的偏斜角度为掘进机的姿态信息。
在本申请一个实施例中，通过以下公式确定掘进机在空间坐标系下的位置坐标：
Figure BDA0003673280670000094
其中，xT为垂直投影点T在x轴的值，zT为为垂直投影点T在z轴的值，lST为第四距离。
进一步的，以空间坐标系各个平面内的偏斜角度为掘进机的姿态信息，则确定的掘进机的姿态信息为：在x轴与y轴所在平面内的偏斜角度为θ，在x轴与z轴所在平面内的偏斜角度为β，在y轴与z轴所在平面内的偏斜角度为γ。
具体而言，掘进机在x轴的坐标值x＝xT表明掘进机已经偏离了巷道中心线位置，偏离的距离为x轴的坐标值；掘进机在y轴的坐标值表明掘进机与所述信号接收标靶10的距离；掘进机在z轴的坐标值表明掘进机在垂直方向的位置，由此，测量出掘进机当前的位置信息和姿态信息。
需要说明的是，上述计算出的坐标值是掘进机在本申请实施例中建立的xyz空间坐标系中的位置，为提高定位定姿结果的实用性和适用性，在本申请一个实施例中，还可以根据xyz空间坐标系坐标原点O在大地坐标系中的位置，通过坐标变化确定掘进机的绝对位置。并且，还可以根据测量出的掘进机的姿态信息确定后续对掘进机方向的纠偏量。
综上所述，本申请实施的掘进机智能定位定姿装置的控制方法，仅对掘进机智能定位定姿装置一个设备进行控制，避免了设置多种测量设备进行协作检测，省去了对采集的多种数据进行融合分析等处理步骤，降低了数据处理难度和操作复杂程度，节省了掘进机智能定位定姿的成本，减少了定位定姿的数据计量，提高了测量精度。
为了实现上述实施例，本申请还提出一种非临时性计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如本申请前述实施例提出的掘进机智能定位定姿装置的控制方法。
需要说明的是，应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
另外，在本申请的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种掘进机智能定位定姿装置，其特征在于，包括：固定保护壳、旋转底座、旋转台、第一旋转角度传感器、两个固定耳板、激光测距发射器、旋转轴、第二旋转角度传感器、水平基准部件、信号接收标靶，其中，
所述旋转底座与所述固定保护壳固定连接；
所述旋转台与所述旋转底座连接，用于绕所述旋转台的垂直轴进行相应角度的旋转；
所述第一旋转角度传感器设置于所述旋转台内，用于对所述旋转台的旋转角度进行监测；
所述两个固定耳板分别固定于所述旋转台上表面的两侧；
所述激光测距发射器通过所述旋转轴与所述固定耳板连接，通过所述旋转轴进行相应角度的旋转，所述激光测距发射器用于向所述信号接收标靶发射激光信号；
所述第二旋转角度传感器设置于所述旋转轴内，用于对所述旋转轴的旋转角度进行监测；
所述水平基准部件固定设置于所述固定保护壳的内侧面，用于对所述旋转台和所述旋转轴的初始旋转位置进行标定；
所述固定保护壳、所述旋转底座、所述旋转台、所述第一旋转角度传感器、所述固定耳板、所述激光测距发射器、所述旋转轴、所述第二旋转角度传感器、所述水平基准连接构成掘进机位姿感知装置；
所述信号接收标靶设置于掘进机后方巷道的上部位置，用于接收所述激光测距发射器发射的激光信号，以基于所述激光信号的相关信息对所述掘进机进行定位定姿。
2.根据权利要求1所述的掘进机智能定位定姿装置，其特征在于，所述掘进机位姿感知装置固定设置在所述掘进机的后部中间位置，所述第一旋转角度传感器和所述第二旋转角度传感器的初始值预先标定。
3.根据权利要求1所述的掘进机智能定位定姿装置，其特征在于，所述信号接收标靶的两侧边到所述巷道两侧壁面的距离相等，所述信号接收标靶具体用于对所述激光测距发射器发射的激光信号的落点位置进行感知。
4.一种掘进机智能定位定姿装置的控制方法，其特征在于，所述掘进机智能定位定姿装置是如权利要求1-3任一所述的掘进机智能定位定姿装置，所述控制方法包括以下步骤：
将掘进机位姿感知装置设置在掘进机的后部中间位置，将信号接收标靶设置在所述掘进机后方巷道的上部位置；
针对所述信号接收标靶建立空间坐标系，并对第一旋转角度传感器和第二旋转角度传感器的初始值进行标定；
开启激光测距发射器，获取激光信号在所述信号接收标靶上的初始落点A，并控制旋转台进行相应角度的旋转，获取所述激光测距发射器测得的最短距离对应的第一落点B，通过所述第一旋转角度传感器监测所述激光测距发射器由所述初始落点A至第一落点B的旋转角度θ；
固定所述旋转台，沿着使所述激光测距发射器测量的距离值逐渐增大的方向，控制旋转轴旋转10°至15°，获取所述旋转轴旋转后激光信号在所述信号接收标靶上的最终落点C；
获取所述激光测距发射器测得的信号发射点S分别与所述初始落点A之间的第一距离、与所述第一落点B之间的第二距离和与所述第二落点C之间的第三距离，并结合所述初始落点A、所述第一落点B和所述第二落点C的坐标值，基于三角函数关系计算所述激光测距发射器在所述信号接收标靶上的垂直投影点T的位置坐标，以及所述信号发射点与所述垂直投影点T之间的第四距离；
根据所述垂直投影点T的位置坐标和所述第四距离确定所述掘进机在所述空间坐标系下的位置坐标，并以所述空间坐标系各个平面内的偏斜角度为所述掘进机的姿态信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述针对所述信号接收标靶建立空间坐标系，包括：以所述信号接收标靶的下侧边缘线的中点为原点、垂直巷道水平地面的方向为z轴方向、垂直于巷道侧面的方向为x轴方向和巷道中心线方向为y轴方向建立所述空间坐标系。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对第一旋转角度传感器和第二旋转角度传感器的初始值进行标定，包括：
将所述掘进机置于水平地面，使固定保护壳的上表面与水平地面平行且所述固定保护壳的左右侧面与掘进机长度方向的垂直剖面平行；
控制旋转台和旋转轴进行相应角度的旋转，使所述激光测距发射器发射的激光与水平基准对准；
维持所述旋转台的状态，将所述旋转轴旋转180°，将所述第一旋转角度传感器4和所述第二旋转角度传感器当前的角度值标定为所述初始值。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算所述信号发射点与所述垂直投影点T之间的第四距离：
Figure FDA0003673280660000021
其中，lST是第四距离，lBT是第一落点B与垂直投影点T之间的距离，lSB是第二距离，lBC是第一落点B与第二落点C之间的距离，lSC是第三距离。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过以下公式确定所述掘进机在所述空间坐标系下的位置坐标：
Figure FDA0003673280660000031
其中，xT为垂直投影点T在x轴的值，zT为为垂直投影点T在z轴的值。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述以所述空间坐标系各个平面内的偏斜角度为所述掘进机的姿态信息，包括：
确定所述初始落点A和所述第一落点B的连线，与x轴的第一夹角β，并通过以下公式确定所述信号发射点S和所述第一落点B的连线，与所述信号发射点S和所述垂直投影点T的连线之间的第二夹角γ：
Figure FDA0003673280660000032
以所述旋转角度θ为x轴与y轴所在平面内的偏斜角度，以第一夹角β为x轴与z轴所在平面内的偏斜角度，并以所述第二夹角γ为y轴与z轴所在平面内的偏斜角度。
10.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求4-9中任一所述的掘进机智能定位定姿装置的控制方法。
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