掘进机二维位移测量装置及测量方法与流程

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：

无人化开采是目前煤炭行业发展的目标与方向，其装备的自动化、智能化是无人化的基础和前提。巷道掘进时煤炭开采工艺的重要环节之一，各种煤矿的建设中，在一定精度范围内保证航道的定向掘进是巷道施工任务的一项基本要求，掘进质量的好坏直接影响了煤矿的生产效率及安全，完成预期规划的程度越高越能保证矿井建设的效益，一旦掘进方向出现偏差将会影响整个采区的正常生产，严重时甚至会引发巷道内的地质灾难，导致井下安全事故，对综掘工作面的所有工作人员的人身安全造成威胁。目前煤矿中广泛应用的定向掘进手段是激光指向法，该方法通过矿工目测激光指向仪在巷道断面上行程的激光点的位置来判断掘进方向，具有肉眼精度有限，无法得到掘进机确切的位置数据，并且将矿工至于危险的掘进工作面中。掘进机的自主定位导航是其在煤矿无人化、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，而掘进机行进轨迹的自主测量是自主定位导控的一种重要方法。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。

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；7、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。

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：

(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；

(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。

(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；

(4)uwb技术精度较高，抗干扰能力强，但开机调试时间较长；

(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。

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：

本发明的目的是：提供一种掘进机二维位移测量装置及轨迹测量方法。

本发明的技术方案是：

一种掘进机二维位移测量装置，其特征是：

包括里程测量装置、角度测量装置、张紧装置、外壳、计算与显示终端。

所述里程测量装置由里程轮、轮轴、编码器和支架组成，里程轮通过轮轴安装在支架上，编码器(1)固定在支架上，编码器(1)通过轮轴与里程轮连接，当里程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；

所述角度测量装置由齿轮盘、圆柱齿轮、托板、连接轴与编码器(2)组成，齿轮盘与托板通过连接轴同心连接，托板与上述支架固接，编码器(2)固接在托板上与圆柱齿轮连接，圆柱齿轮与齿轮盘啮合，当圆柱齿轮旋转时，编码器(2)将实时脉冲数输入值所述计算与显示终端；

所述张紧装置在载体与角度测量装置间起到连接的作用，同时为里程测量装置提供张紧力，使里程轮与地面保持接触，能在遇到地面凸起时充当减震装置，为里程测量装置与角度测量装置提供缓冲，保证其安全；

所述外壳安装在整体装置的外侧，为整体装置提供保护；

所述计算与显示终端实时采集所述编码器(1)与编码器(2)的脉冲数，并进行计算得到载体运动的轨迹并显示出来。

进一步的，所述张紧装置安装在载体下部，其上部与载体连接，下部与角度测量装置中所述齿轮盘连接。

进一步的，所述里程轮应能够通过轮轴在支架上旋转，里程轮与轮轴之间、轮轴与编码器(1)之间应满足过度配合或过盈配合或通过键连接等，保证里程轮与编码器(1)同步转动。

进一步的，所述齿轮盘可与所述托板绕同一中心旋转，在发生转动时带动托板上与所述编码器(1)相连的圆柱齿轮旋转。

一种掘进机二维位移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二维位移测量装置；

(2)将所述二维位移测量装置与载体底盘固定连接，使所述里程轮与地面接触；

(3)使用时里程轮与地面实时接触、摩擦，从而带动轮轴、编码器(1)，编码器(1)输出一组方波脉冲到所述计算与显示终端，并由其分别计数；

(4)根据编码器(1)输出的脉冲组判定出旋转方向，其中一个脉冲为零位脉冲，用于基准点定位，根据需要每当零位发出一个脉冲，则其余脉冲相应的计数器清零，并将脉冲发送至所述计算与显示终端，从而获得里程信息。

(5)当载体偏移或旋转时，所述齿轮盘随载体转动，由于里程轮与地面的摩擦，所述支架保持静止，圆柱齿轮因和齿轮盘啮合而转动，从而带动编码器(2)并向所述计算与显示终端输出一组脉冲，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)。

综上所述，本发明独特设计的掘进机二维位移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

附图1为本发明总体结构示意图；

附图2为二维位移测量装置结构左视剖面示意图；

附图3为二维位移测量装置结构主视剖面示意图；

附图4为二维位移测量装置轨迹测量方法示意图；

其中：

1、载体7、托板13、圆柱齿轮

2、杆座8、支架14、滚珠

3、壳体9、里程轮15、17螺栓

4、顶盖10、轮轴16、限位销轴

5、桶座11、连接销18、弹簧

6、齿轮盘12、编码器19、编码器

具体实施方式

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。

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，本发明主要包括二维位移测量装置和计算与显示终端，二维位移测量装置中的编码器、编码器(2)可以实时测量载体运动时的信息，并将其转化为脉冲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。

在实施方式中，计算终端选用stm32系列单片机。

图2是根据本发明实施方案提供的二维位移测量装置的结构主视剖面示意图。如图2所示，在实施方式中，该二维位移测量装置包括：

里程测量装置、角度测量装置、张紧装置、外壳3、计算与显示终端。

在实施方式中，所述里程测量装置由里程轮9、轮轴10、编码器19和支架8组成，里程轮通过轮轴安装在支架上，编码器固定在支架上，编码器通过轮轴与里程计连接，当里程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；

在实施方式中，所述角度测量装置由齿轮盘6、圆柱齿轮13、托板7、连接轴11与编码器12组成，齿轮盘与托板通过连接轴同心连接，托板与上述支架固接，编码器12固接在托板上与圆柱齿轮连接，圆柱齿轮与齿轮盘啮合，当圆柱齿轮旋转时，编码器12将实时脉冲数输入值所述计算与显示终端；

在实施方式中，张紧装置(2、5)在载体1与角度测量装置间起到连接的作用，同时为里程测量装置提供张紧力，使里程轮9与地面保持接触，能在遇到地面凸起时充当减震装置，为里程测量装置与角度测量装置提供缓冲，保证其安全；所述外壳3安装在整体装置的外侧，为整体装置提供保护；

在实施方式中，计算与显示终端实时采集所述编码器19与编码器12的脉冲数，并进行计算得到载体1位置信息并显示出来。

在实施方式中，外壳3，与载体1、张紧装置(2、5)固接，外壳主体成圆柱状，其外侧底部带有弧度用作清障，其顶部有一组具有相同圆心距、相同直径的四个通孔，用于与张紧装置、载体通过螺栓固定。

在实施方式中，张紧装置(2、5)，由一个上部的杆座2、一个下部的桶座5、一个中间弹簧18和一个限位销轴16组成，与齿轮盘6通过螺栓15固接；弹簧放置在杆座与桶座之间，杆座上在径向有与限位销轴等直径的通孔，桶座外壁径向有槽，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。两座的底盘上各有四个通孔，杆座与外壳3通过螺栓连接。

在实施方式中，齿轮盘6，其上、下面有相同口径，不同直径的环形槽，其槽中放置滚珠14，与顶盖4、托板7通过连接轴11相连，可与顶盖4、托板7同心转动，齿轮盘6绕轴心有四个等心距、等直径的圆形通孔，与上述减震装置中的桶座5通过螺栓15、螺母固接，可以与和编码器12连接的圆柱齿轮13相啮合；齿轮盘6顶部、底部有绕圆心、不同直径的环形轨道，顶部轨道放置小球14与顶盖4配合，底部轨道与托盘7配合。

在实施方式中，顶盖4，其底部有与齿轮盘6上面对应的环形槽，放置滚珠14后用于与齿轮盘6的配合，上面有一圆形凹槽，为与连接轴11配合的螺母预留位置；

在实施方式中，托盘7，其上面有与齿轮盘6下面对应的环形槽，有与支架8通过螺丝连接的限位孔，与支架相对静止，托盘7为编码器12提供安装位置；托盘7顶部有与齿轮盘6底部相对应的圆形轨道，放置滚珠14与齿轮盘6配合；托盘7中心孔周围有四个定位通孔，与支架8通过螺丝连接，保证两者的固接关系；托盘7有一较大通孔，绕此孔有三个较小通孔，用于编码器12的安装；

在实施方式中，支架8，为里程轮9、编码器19提供安装位置，支架8中心有圆形通孔，通过连接轴11、顶盖4和托盘7与齿轮盘6连接，可相对齿轮盘6转动；在支架8下部轴孔处还配有两个轴承，用于支撑轮轴10，减小摩擦；支架8顶板有与托盘7定位通孔相对应的四个盲孔螺纹；支架8顶板有一六边形槽，用于连接轴11的安装与定位；支架8下部右侧面为编码器19留有安装孔。

在实施方式中，里程轮9，与地面直接接触并靠摩擦力旋转，带动轮轴10与编码器19；里程轮9与轮轴10通过键连接，再通过轴承与支架8连接，轮、轴运动时相对静止；轮轴10在支架一侧留余与编码器19连接。

在实施方式中，编码器12通过键与辅编码器连接。

在实施方式中，使用时里程轮9与地面实时接触、摩擦、旋转，从而带动轮轴10、编码器19光栅转动，输出a,b和z三个方波脉冲到计算与显示终端，并由其分别计数；每当z相发出一个脉冲，a、b脉冲相应的计数器清零，从而获得里程信息。当载体3旋转或偏移时，齿轮盘6随载体转动，支架8由于里程轮9与地面的摩擦保持静止，与编码器12相连的圆柱齿轮13因为和齿轮盘6的啮合而转动，从而带动编码器12输出三个方波脉冲，通过解算得到角度信息。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。

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：

第一步，将二维位移测量装置安装在载体底部，保证里程轮与地面接触且张紧装置工作正常；

第二步，随着载体前进、旋转或偏移，编码器19与编码器12分别将两组脉冲信号输出给上述计算与显示终端；

第三步，所述计算与显示终端处理来自编码器19与编码器12的信号，并将得到的位置信息输出值显示终端。

在实施方式中，编码器12、19均采用增量式编码器。

在不同的实施方式中，编码器12可根据需求进行更换。

在实施方式中，在获得里程轮转动圈数后，利用预先的值得里程轮直径即可计算得到载体行进的距离，即里程。

在实施方式中，里程的计算由计算与显示终端来完成。；

在实施方式中，分别计圆柱齿轮齿数、齿轮盘齿数为z1、z2

在实施方式中，假设速度为v,里程量为l，采样总时间为t,每隔δt采样一次。记编码器19，零位输出的脉冲计数为nz,正向单圈通过光栅计数为nf，反向单圈通过光栅计数为nr，当nz数值变动时nf与nr清零，光栅数为nl，里程轮直径为d，则有任意采样周期的位移l(n)为：

在实施方式中，采样总时间为t,每隔δt采样一次。记编码器12零位输出的脉冲计数为nz2,正向单圈通过光栅计数为nf2，反向单圈通过光栅计数为nr2，当nz2数值变动时nf2与nr2清零，光栅数为nl2，则有任意采样周期的光栅转动角速度ωa(n)为：

载体的转动角度θn为：

根据航位推算，位置坐标pn公式为：

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。

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。

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。

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。