一种煤矿井下连续采煤机器人多传感器组合导航系统的制作方法

本发明涉及煤矿井下导航技术领域，尤其涉及一种煤矿井下连续采煤机器人多传感器组合导航系统。

背景技术：

在我国煤炭工业生产中，连采机、掘锚机的技术发展和进步对于发展综合机械化采掘、提高采掘效率、保障矿井安全生产、降低工人劳动强度具有重要意义。尽管我国连续采煤机技术已有长足进步，但由于各掘进开采装备系统特有的机械结构及复杂的开采运行模式要求，这些装备始终未能解决自身定位导航和姿态精确获取问题。

连采机在采煤作业过程中，由于目标巷道宽度往往比连采机截割头宽度宽，需要进行第二刀切割。在进行第二刀切割过程中不仅需要对连采机的航向进行控制，更需要确定连采机及截割头在巷道中的相对位置关系，确定机身侧边距巷道侧帮的距离以此来控制第二刀切割完成后巷道的整体成型宽度符合与其要求。

关于连采机的惯性导航组合定位，在公开号为cn109540130a，名为“一种连采机惯性导航定位定向方法”的中国专利文献中，提出了一种连采机惯性导航定位定向方法，该方法将里程计与惯性导航组件相结合，通过里程计所测的位置信息，经快速卡尔曼滤波算法与惯性导航组件所测得的位置信息进行融合，以此来减少惯性导航组件随时间发散所产生的漂移误差。在公开号cn208314566u，名为“一种连采机快速准直控制系统”的中国专利文献中，提出了一种连采机快速准直控制系统，连采机通过安装于其上的陀螺仪、加速度计和里程计测得的连采机的运动轨迹信息，经plc控制系统运算处理后的信息，与上位机实时的反映出高精度的连采机运动轨迹信息进行比较并实时修正连采机运动方向。关于连采机、掘锚机掘进方向的控制，在公开号为cn203414818u，名为“视频导航靶”的中国专利文献中，提供了一种视频导航靶，通过观测视频导航靶的图像，使操作人员能够准确掌握设备工况，进而通过遥控器实现对设备的远程操作作业，修正连采机或掘进机的前进方向。在公开号为cn207960644u，名为“一种具备激光辅助定位的掘锚设备”的中国专利文献中，提供了一种具备激光辅助定位的掘锚设备，它包含两台或多台机载锚杆机，每台机载锚杆机和掘进机本体上分别安装有第一激光器和第二激光器。第一激光器固定安装在机载锚杆机上，投影位置与钻杆伸出后的钻孔位置重合。第二激光器固定安装在掘进机本体上，激光器在巷道顶帮和侧帮形成一道或多道与机身纵向垂直的投影直接反映掘进机本体的姿态。

在上述关于连采机惯性导航组合定位的专利申请文件中，都用到了里程计这一测量元件作为连采机的位置辅助测量手段对惯导因时间累计而产生的漂移误差进行补偿，但在实际井下工况由于履带经常被浮煤淹没而产生履带打滑现象，此时里程计所测得的位置信息存在较大偏差，以此作为准确信息对惯性导航进行误差补偿会产生更大的误差。

在上述关于连采机、掘锚机掘进方向的控制的专利申请文件中，仅在航向角方向上给连采机、掘锚机提供了基准，对于机身及截割头在地理坐标系下的位姿信息未进行测量，无法直观呈现出截割臂及机身的具体位置及姿态，如果发生偏航则偏差会越来越大。

在上述四个关于解决连采机导航问题的专利文献中，仅在连采机进行第一刀开采作业时考虑了连采机的方向问题，而在进行第二刀切割时由于无法得知机身相对于巷道侧帮的边距，仅依靠惯导活激光进行方向导航无法保证第二刀的切割宽度与预期一致。假设目标巷道宽度为5.0m，标准的连采机截割头宽度为3.6m，因此在进行第二刀切割过程中需要再次切割出1.4m宽度的巷道，此时连采机机身应距侧帮距离为1.4m。测距雷达可实时测量出机身相对于侧帮及工作面的距离，利用测距雷达在连采机切第二刀时进行侧帮边距测量以保证开采巷道宽度与目标巷道宽度保持一致。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷及不足，提供一种煤矿井下连续采煤机器人多传感器组合导航系统，利用测距雷达配合惯性导航组件、倾角传感器组件及全站仪组件可实时反馈并纠正连采机机身及截割头的位置及姿态信息，保证连采机在进行第二刀乃至第三刀切割时所成型的巷道宽度与目标巷道宽度保持一致。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种煤矿井下连续采煤机器人多传感器组合导航系统，包括连采机本体、倾角传感器、测距雷达、惯性导航组件、主控器组件、全站仪组件、上位机系统；所述倾角传感器组件安装于所述连采机截割臂位置；所述测距雷达组件安装于连采机机身中心位置；所述惯性导航组件安装于连采机机身左侧位置，与机身轴线平行；所述主控器组件安装于所述连采机机身右侧位置；所述全站仪组件分为全站仪和棱镜组两部分，全站仪安装在连采机后侧的轨道上，棱镜组安装于连采机机身后部。

进一步地，所述倾角传感器组件通过测量得出截割臂的俯仰角度并传回主控机组件进行计算。

进一步地所述测距雷达组件安装于连采机机身中心位置，测距雷达的有效测量范围为270°。以机身轴线为基准，机身后侧左右各45°区域为已成型隧道位置，不进行测量，其余270°为有效测量方位。将测距雷达所测得的距离信息传回主控器组件，可得到机身距侧帮及前侧的距离，确定连采机在巷道中的相对位置，同时主控器组件通过反三角函数运算，可解算出机身相对于巷道的相对航向角信息，经系统解算模拟可得到巷道及机身的实时三维模型，在连采机进行第二刀切割时提供基准以保证实际巷道宽度与目标巷道宽度一致。

进一步地所述惯性导航组件由加速度计和陀螺仪组成。加速度计通过测量机身坐标系下三个坐标方向的加速度并对时间积分可推算出连采机在机身坐标系下的速度及位置信息，经导航系统内的数学平台利用坐标系转换矩阵解算便可得到地理坐标系下的速度及位置信息。同时通过陀螺仪测得的导航系下的角速度信息，减去经机身坐标系下所测得的速度信息解算出的机身坐标系下的角速度信息，便可得到地理坐标系下的角速度信息，进而可得到姿态矩阵，结合坐标转换矩阵内的三角函数信息，便可解算出机身在地理坐标系下的航向角、俯仰角、横滚角。

进一步地将惯性导航组件所测得的机身位姿信息以传回主控器组件，与前面所述倾角传感器所测得的截割臂的位置信息相融合，通过坐标系转换矩阵便可解算出截割臂在地理坐标系下的位置信息。

进一步地所述全站仪组件实时测量机身在地理坐标系下的位置信息，经无线传输形式实时传输回主控器组件与惯性导所测得的位置信息进行对比，对惯导所测得的位置信息进行补偿，减少惯导随时间发散而引起的误差漂移。

进一步地所述主控器组件采集和接收倾角传感器组件、测距雷达组件、惯性导航组件、全站仪组件的数据并进行解算，将解算后的数据传送回上位机进行可视化显示。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明的煤矿井下连续采煤机器人多传感器组合导航系统，采用倾角传感器及惯性导航系统组合测量，经坐标系矩阵转换方程便可得到截割臂及机身在地理坐标系下的位姿信息，与激光辅助定位及视频指向靶相比较，组合导航系统所测信息更加完备，可实现连续采煤机器人的高精度定位定向及位姿调整，且惯导作为一套自适应导航系统，在井工条件下所受干扰更小，系统可靠性更强。采用了全站仪，可实时对连续采煤机器人相对于地理坐标系下的位置进行标定，并通过无线传输方式将信息传送主控器组件与惯导组件所测信息进行对比补偿，以此来减少惯导系统因随时间累积而产生的漂移误差。与惯导系统与里程计相结合的方案相比较，可解决里程计因浮煤太多履带打滑而导致的测量不准问题，且全站仪所获取的标定信息准确度高，可靠性强。采用了测距雷达测量连采机两侧及前侧距侧帮前帮的距离，可获得机身相对于巷道的相对位置及相对航向角，在连采机进行第二刀切割时可保证机身距侧帮距离，进而对巷道宽度进行有效控制，同时通过主控器组件解算模拟可得到巷道及机身的实时三维模型，传送回上位机进行显示，可视化程度高，可有效远程指导连采机司机进行采掘操作。

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是本发明组合导航系统及连采机本体俯视图。

图2是本发明组合导航系统及连采机本体主视图。

图3是本发明测距雷达测量示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此外所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都将属于本发明保护的范围。

图1及图2所示，煤矿井下连续采煤机器人多传感器组合导航系统，包括连采机本体1、倾角传感器组件2、测距雷达组件3、惯性导航组件4、主控器组件5、全站仪组件6、上位机系统7；倾角传感器组件2安装于所述连采机截割臂位置；测距雷达组件3安装于所述连采机机身中心位置；惯性导航组件4安装于连采机机身左侧位置，与机身轴线平行；主控器组件5安装与所述连采机机身右侧；全站仪组件6分为全站仪61和棱镜组62、63两部分，全站仪安装在连采机后侧的轨道上，棱镜组安装于连采机机身后部。

倾角传感器组件2通过测量得出截割臂的俯仰角度并传回主控机组件5进行计算。

测距雷达组件3安装于连采机本体1机身中心位置，测距雷达的有效测量范围为270°。以机身轴线为基准，机身后侧左右各45°区域为已成型隧道位置，不进行测量，其余270°为有效测量方位。将测距雷达所测得的距离信息传回主控器组件5，可得到机身距侧帮及前侧的距离，确定连采机在巷道中的相对位置，同时主控器通过反三角函数运算，可解算出机身相对于巷道的相对航向角信息，经系统解算模拟可得到巷道及机身的实时三维模型，在连采机进行第二刀切割时提供基准以保证实际巷道宽度与目标巷道宽度一致。图3所示为测距雷达测量示意图。

惯性导航组件3由加速度计31和陀螺仪32组成。加速度计31通过测量机身坐标系下三个坐标方向的加速度并对时间积分可推算出连采机在机身坐标系下的速度及位置信息，经导航系统内的数学平台利用坐标系转换矩阵解算便可得到地理坐标系下的速度及位置信息。同时通过陀螺仪32测得的导航系下的角速度信息，减去经机身坐标系下所测得的速度信息解算出的机身坐标系下的角速度信息，便可得到地理坐标系下的角速度信息，进而可得到姿态矩阵，结合坐标转换矩阵内的三角函数信息，便可解算出机身在地理坐标系下的航向角、俯仰角、横滚角。

将惯性导航组件4所测得的机身位姿信息传回主控器组件5，与前面所述倾角传感器所测得地截割臂的位置信息相融合，通过坐标系转换便可解算出截割臂在地理坐标系下的位置信息。

全站仪组件6实时测量机身在地理坐标系下的位置信息，经无线传输形式实时传输回主控器组件5与惯性导航组件4所测得的位置信息进行对比，对惯性导航组件4所测得的位置信息进行补偿，减少惯性导航组件4随时间发散而引起的误差漂移。

主控器组件5采集和接收倾角传感器组件2、测距雷达组件3、惯性导航组件4、全站仪组件6的数据并进行解算，将解算后的数据传送回上位机系统7进行可视化显示。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明的煤矿井下连续采煤机器人多传感器组合导航系统，采用倾角传感器及惯性导航系统组合测量，经坐标系矩阵转换方程便可得到截割臂及机身在地理坐标系下的位姿信息，与激光辅助定位及视频指向靶相比较，组合导航系统所测信息更加完备，可实现连续采煤机器人的高精度定位定向及位姿调整，且惯导作为一套自适应导航系统，在井工条件下所受干扰更小，系统可靠性更强。采用了全站仪，可实时对连续采煤机器人相对于地理坐标系下的位置进行标定，并通过无线传输方式将信息传送回主控器组件，以此来减少惯导系统因随时间累积而产生的漂移误差。与惯导系统与里程计相结合的方案相比较，可解决里程计因浮煤太多履带打滑而导致的测量不准问题，且全站仪所获取的标定信息准确度高，可靠性强。采用了测距雷达测量连采机两侧及前侧距侧帮前帮的距离，可获得机身相对于巷道的相对位置及相对航向角，在连采机进行第二刀切割时可保证机身距侧帮距离，进而对巷道宽度进行有效控制，同时通过主控器组件解算模拟可得到巷道及机身的实时三维模型传送回上位机系统进行显示，可视化程度高，可有效远程指导连采机司机进行采掘操作。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。