掘进机行走轨迹测量装置及测量方法与流程

1.本发明属于煤矿掘进机自动化技术领域，具体涉及掘进机轨迹的实时测量方法。


背景技术：

2.掘进机的轨迹追踪是综掘工作面无人化、智能化的关键基础，是实现无人化掘进的基础环节之一，处于实现煤炭无人化开采的最前端的感知阶段，研究掘进机位置的自动测量方法，能够实现掘进机在综掘作业的自动测量，从而为实现无人掘进提供可能。因此，为了实现定向掘进，保证煤矿的预期规划，对掘进机的轨迹进行测量极其重要。
3.近年来，国内许多专家和学者针对掘进机在煤巷的位姿检测及导航做了很多研究，目前掘进机位姿检测大致可以分为：
①
基于惯性导航技术的位姿检测方法，该方法通过惯性原理，利用三轴加速度计和三轴陀螺仪获得掘进机的加速度与角速度，对其关于时间积分得到掘进机的位置与姿态信息；
②
基于全站仪的位姿检测方法，该方法利用光的反射原理，通过检测安装在机身不同位置上的多个棱镜的空间位置计算出掘进机在巷道中的位置与姿态；
③
基于视觉测量的位姿检测方法，该方法通过在掘进机机身或掘进机后方巷道放置激光点，利用视觉感知激光点的相对位置，从而结算处掘进机的位置和姿态；
④
基于igps的位姿检测方法，该方法将激光接收器安装在掘进机机身已知位置，通过测量激光接收器在发射站坐标下的三维坐标，实现对掘进机的绝对定位；
⑤
基于超宽带(uwb)测距的位姿检测方法，该方法运用无线载波通信技术，在掘进机机身固定位置及后方分别放置主、从基站，通过基站间的通讯测得距离，，再根据不同算法的到掘进机的位置与姿态信息。
4.以上方法在一定程度上完成了掘进机的位置检测，但都存在一定的局限性：
5.(1)井下尤其是综掘工作面粉尘环境恶劣，机器视觉方法在该种环境下极易产生误判，导致精度较低；
6.(2)惯性导航定位方法是大地及外部空间可靠使用的定位检测方法，应用条件在高速、实时、动态测量最为有效，自主性高，但由于煤矿井巷狭小空间，且因综掘工艺工序较多，掘进机静止时间较长，纯惯性器件的误差积累影响定位精度。
7.(3)基于激光全站仪的方法在煤矿井巷应用中，工作环境黑暗、潮湿、视野狭窄，需要专业测量人员参与工作，增加了工作的复杂程度；
8.(4)uwb技术精度较高，抗干扰能力强，但开机调试时间较长；
9.(5)除惯性测量方法外，其他测量方法的动态测量能力差，且自主性不高。
10.鉴于以上方法的局限性，为了实现悬臂式掘进机的高自主性导航，动态获取掘进机的位置数据，本发明提出一种用于掘进机二维位移测量装置的设计方案，并给出使用方法。


技术实现要素：

11.本发明的目的是：提供一种掘进机行走轨迹测量装置。
12.本发明的技术方案是：
13.一种掘进机行走轨迹测量装置，其特征是：
14.包括轨迹测量装置、张紧装置、外壳、计算与显示终端。
15.所述轨迹测量装置由壳体、测量球、两个小测量轮、两个编码器及其支架组成，测量球安装在壳体内，顶部放置滚珠；两个小测量轮分别固定在支架上，所固定支架相互垂直，在支架上固定连接的编码器通过轮轴与小测量轮连接，当小测量轮旋转时编码器将实时脉冲数输入至所述计算与显示终端；
16.所述张紧装置在载体与轨迹测量装置间起到连接与提供张紧力的作用，既保证了测量球与地面保持接触，又能在遇到地面凸起时充当减震装置，为轨迹测量装置提供缓冲，保证其安全；
17.所述外壳安装在装置整体的外侧，将轨迹测量装置与张紧装置固定在载体上的同时，为整体装置提供保护；
18.所述计算与显示终端实时采集所述两个编码器输出，并进行计算得到掘进机运动的轨迹并将其显示出来。
19.进一步的，所述张紧装置安装在载体下部，其上部与通过外壳与载体固定连接，下部与轨迹测量装置的壳体顶部固定连接。
20.进一步的，所述测量球安装在壳体中，应能够沿任意方向旋转。
21.进一步的，所述两个小测量轮应垂直摆放，两轮与各自配套编码器间应满足过度配合或过盈配合或通过键连接等，保证小测量轮与编码器同步转动。
22.进一步的，所述两个小测量轮通过摆杆连接在支架上，其上有复位弹簧，保证小测量轮与测量球实时接触，当载体移动，带动所述测量球旋转，测量球实时带动两个垂直摆放的小测量轮旋转。
23.一种掘进机轨迹测量装置的轨迹测量方法，其特征是：
24.(1)使用上述所述的一种掘进机轨迹测量装置；
25.(2)将所述轨迹测量装置与载体底盘固定连接，使所述测量球与地面接触；
26.(3)使用时测量球与地面实时接触、摩擦，从而带动两个小测量轮、与各自配套的编码器旋转，输出一组脉冲或数据到所述计算与显示终端，；
27.(4)根据两个编码器的输出与掘进机身上的磁力计进行对比，得出机身旋转方向与里程信息。
28.(5)当载体旋转时，所述装置随载体转动，由于测量轮与地面的摩擦使其保持静止，而小测量轮转动，从而带动编码器向所述计算与显示终端输出数据，后者通过解算得到角度信息。
29.(6)所述计算与显示终端将里程信息与角度信息融合，即可得到载体各时刻相对自然坐标系的位置信息，使用终端将各时刻现对自然坐标系的位置信息在同一坐标系中依次连接，即可得到掘进机的实时轨迹，并将其输出至显示终端。
30.(7)重复步骤(4)至(6)。
31.综上所述，本发明独特设计的掘进机轨迹测量装置及轨迹测量方法，目的是在掘进机工作面恶劣的环境下实时获取悬臂式掘进机的位置和轨迹信息，以实现煤矿巷道的定向掘进，为煤矿的无人化、智能化奠定基础。通过上述技术方案设计的二维位移测量装置结构简单、使用方便，且设置方式灵活、通用性强。
附图说明
32.附图1为本发明总体结构示意图；
33.附图2为掘进机轨迹测量装置结构示意图；
34.附图3为掘进机轨迹测量装置结构仰视(测量球省略)图；
35.附图4为掘进机轨迹测量方法示意图；
36.其中：
37.1、张紧装置上部筒座 5、张紧装置下部杆座 9、支架
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13、滚珠
38.2、外壳
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6、上部壳体
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10、杆臂
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14、编码器
39.3、张紧装置定位销轴 7、测量球
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11、复位弹簧
40.4、弹簧
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8、下部壳体盖
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12、小测量轮
具体实施方式
41.以下结合附图对本发明的一种具体实施方式进行说明。应当理解的是，此处描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
42.图1是根据本发明实施方式提供的二维位移测量装置总体结构示意图。如图1所示，本发明主要包括轨迹测量装置和计算与显示终端，轨迹测量装置中的两个相互垂直的编码器可以实时测量载体运动时的信息，并将其转化为电信号后实时传输到计算与显示终端，由计算与显示终端处理后将信息传输到显示终端。
43.在实施方式中，计算终端选用mcu。
44.图2是根据本发明实施方案提供的轨迹测量装置的结构示意图。如图2所示，在实施方式中，该测量装置包括：
45.轨迹测量装置、张紧装置、外壳、计算与显示终端。
46.在实施方式中，所述轨迹测量装置由测量球7、小测量轮12、编码器14及其支架9组成，测量球安装在壳体(6、8)内，顶部放置滚珠13；两个小测量轮分别固定在支架上，所固定支架相互垂直，在支架上固定连接的编码器通过轮轴与小测量轮连接，当小测量轮旋转时编码器将实时脉冲数输入至所述计算与显示终端；
47.在实施方式中，所述张紧装置由上部筒座1、下部杆座5、定位销3以及弹簧4组成，在载体与轨迹测量装置间起到连接与提供张紧力的作用，既保证了测量球与地面保持接触，又能在遇到地面凸起时充当减震装置，为轨迹测量装置提供缓冲，保证其安全；
48.在实施方式中，所述外壳2安装在装置整体的外侧，将轨迹测量装置与张紧装置固定在载体上的同时，为整体装置提供保护；
49.在实施方式中，所述计算与显示终端实时采集所述两个编码器输出，并进行计算得到掘进机运动的轨迹并将其显示出来。
50.在实施方式中，张紧装置(2、5)中的下部杆座，与上部壳体固接；弹簧放置在杆座、筒座之间，杆座上在径向有与限位销轴等直径的通孔，筒座外壁径向有槽，两座通过限位销轴相连接，限位销轴可限制减震装置的最大回弹位置。两座的底盘上各有通孔，筒座与外壳3通过螺栓连接。
51.在实施方式中，所述测量球安装在壳体中，应能够沿任意方向旋转。所述两个小测量轮应相互垂直摆放，两轮与各自配套编码器间应满足过度配合或过盈配合或通过键连接
等，保证小测量轮与编码器同步转动。
52.在实施方式中，所述两个小测量轮通过摆杆连接在支架上，其上有复位弹簧，保证小测量轮与测量球实时接触，当载体移动，带动所述测量球旋转，测量球实时带动两个垂直摆放的小测量轮旋转。
53.在实施方式中，所述上部壳体其弧面有相互垂直、截面为相同直径的半圆形环槽，其槽中放置滚珠14，与下部壳体盖一同将测量球安装在其内部，壳体顶部有盲孔，用于与上述杆座固接，
54.在实施方式中，支架9与杆臂10通过轴连接，杆臂可绕该轴旋转；杆臂为编码器提供安装位置；
55.在实施方式中，测量球，与地面直接接触并靠摩擦力旋转，带动小测量轮与编码器旋转；输出电信号到计算与显示终端，并由其计算获得里程信息。当载体3旋转或偏移时，测量球由于地面的摩擦保持静止，其余部分随载体转动，从而带动编码器输出信息，通过与载体上的磁力计对比得到载体的角度信息，计算与显示终端将里程信息与角度信息融合，即可实时得到载体相对自然坐标系的位置信息。
56.上述实施方式中提供的二维位移测量装置轨迹测量方法步骤如下：
57.第一步，将轨迹测量装置安装在载体底部，保证测量球与地面接触且张紧装置工作正常；
58.第二步，随着载体前进、旋转或偏移，两个编码器分别将两组脉冲信号输出给上述计算与显示终端；
59.第三步，所述计算与显示终端处理来自两个编码器与载体上磁力计的信号，并将得到的位置与轨迹信息输出值显示终端。
60.在实施方式中，两个编码器均采用多圈绝对值编码器。
61.在不同的实施方式中，两个编码器均可根据需求进行更换。
62.在实施方式中，在获得编码器转动圈数后，利用预先的值得小测量轮直径即可计算得到载体行进的距离，即里程。
63.在实施方式中，位置与轨迹的计算由计算与显示终端来完成。；
64.在实施方式中，分别计左右编码器的输出值为n
l
、nr，令单圈编码器精度为n；
65.在实施方式中，假设前向位移为ly，横向位移为l
x
，小测量轮直径为d，装置的安装角为δ则有任意时刻的位移为：
[0066][0067]
令磁力计角度为θ有任意时刻的角度变化量为：
[0068][0069]
则根据航位推算，位置坐标pn公式为：
[0070][0071]
计算终端将各时刻载体在自然坐标系的位置信息依次绘制在同一坐标系中，即可得到载体轨迹，并将其输出至显示终端。
[0072]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0073]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0074]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

技术特征：
1.一种掘进机行走轨迹测量装置，其特征在于，所述装置应包括：轨迹测量装置，由壳体、测量球、两个小测量轮、两个编码器及其支架组成，测量球安装在壳体内，顶部放置滚珠；两个小测量轮分别固定在支架上，所固定支架相互垂直，在支架上固定连接的编码器通过轮轴与小测量轮连接，当小测量轮旋转时编码器将实时脉冲数输入至所述计算与显示终端；张紧装置，在载体与轨迹测量装置间起到连接与提供张紧力的作用，既保证了测量球与地面保持接触，又能在遇到地面凸起时充当减震装置，为轨迹测量装置提供缓冲，保证其安全；外壳，安装在装置整体的外侧，将轨迹测量装置与张紧装置固定在载体上的同时，为整体装置提供保护；计算与显示终端，实时采集所述两个编码器输出，并进行计算得到掘进机运动的轨迹并将其显示出来。2.根据权利要求1所述的掘进机行走轨迹测量装置，其张紧装置的装配特征为：张紧装置安装在载体下部，其上部与通过外壳与载体固定连接，下部与轨迹测量装置的壳体顶部固定连接。3.根据权利要求1所述的掘进机行走轨迹测量装置，其测量球的装配特征为：所述测量球安装在壳体中，应能够沿任意方向旋转。4.根据权利要求1所述的掘进机行走轨迹测量装置，其两个小测量轮的装配特征为：所述两个小测量轮应垂直摆放，两轮与各自配套编码器间应满足过度配合或过盈配合或通过键连接等，保证小测量轮与编码器同步转动。5.根据权利要求1所述的掘进机行走轨迹测量装置，其机构传动特征为：两个小测量轮的通过摆杆连接在支架上，其上有复位弹簧，保证小测量轮与测量球实时接触，当载体移动，带动所述测量球旋转，测量球实时带动两个垂直摆放的小测量轮旋转。6.一种掘进机轨迹测量装置的轨迹测量方法，其特征是：(1)使用上述所述的一种掘进机轨迹测量装置；(2)将所述轨迹测量装置与载体底盘固定连接，使所述测量球与地面接触；(3)使用时测量球与地面实时接触、摩擦，从而带动两个小测量轮、与各自配套的编码器旋转，输出一组脉冲或数据到所述计算与显示终端；(4)根据两个编码器的输出与掘进机身上的磁力计进行对比，得出机身旋转方向与里程信息；(5)当载体旋转时，所述装置随载体转动，由于测量轮与地面的摩擦使其保持静止，而小测量轮转动，从而带动编码器向所述计算与显示终端输出数据，后者通过解算得到角度信息；(6)所述计算与显示终端将里程信息与角度信息融合，即可得到载体各时刻相对自然坐标系的位置信息，使用终端将各时刻现对自然坐标系的位置信息在同一坐标系中依次连接，即可得到掘进机的实时轨迹，并将其输出至显示终端；(7)重复步骤(4)至(6)。

技术总结
本发明涉及一种掘进机行走轨迹测量装置及轨迹测量方法，目的是在综掘工作的过程中实时获取掘进机的轨迹信息。所述装置包括：轨迹测量装置，测量里程变化信息；张紧装置，连接载体与轨迹测量装置，具有张紧能力与减震能力；外壳，安装在装置外起固定、保护作用；计算与显示终端，处理里程、角度变化信息，得出实时位置与轨迹信息，并将其显示出来。通过上述技术方案设计的二维位移测量装置结构简单、使用方便，且设置方式灵活、通用性强。通用性强。通用性强。


技术研发人员：吴淼 沈阳 兰玉
受保护的技术使用者：北京坤世拓智能科技有限公司
技术研发日：2022.02.11
技术公布日：2023/8/24