基于iGPS的掘进机单站位姿测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种掘进机领域的煤矿井下作业的掘进机，特别是涉及一种基于iGPS 的掘进机单站位姿测量方法。
【背景技术】
[0002] 目前，在深部煤层掘进巷道过程中，依然采用激光指向仪等设备，依靠人工目测的 方法来控制巷道的走向，但掘进工作面环境恶劣极易导致巷道超挖或欠挖等问题的发生， 并存在着严重的安全隐患。因此，需要采用无人掘进的方式，以提高工作效率及保证巷道质 量，而实现掘进机位姿的自主测量是无人掘进的前提及重要保障。
[0003]iGPS是一种主要应用在大型、或超大型装备制造业的大尺寸几何计量、定位及装 配中的坐标测量技术，具有测量空间范围大、可测点数目多且同时测量、测量精度高、测量 时间短等特点。国内外专家将此技术应用到某些地下设备上，如一种采用iGPS的自行走式 地下掘进机器人姿态测量系统，此系统通过多个发射站、接收站的相互配合来检测盾构式 掘进机（TDM)的工作姿态。但此技术在悬臂式掘进机上的应用研究尚属空白。同时，iGPS 在测量过程中至少需要两个发射站才能完成，存在着标定过程繁琐，成本较高等问题。
【发明内容】
[0004] 1.本发明公开了一种基于iGPS的掘进机单站位姿测量方法，其特征在于，所述方 法包括如下步骤：
[0005] (1)安装iGPS单站多点分时测量平台至距掘进工作面一定距离的巷道后方顶板 适宜位置处，3台机载接收器固定安装在掘进机机身上且安装位置不共线，任务处理器固定 安装掘进机机身上且靠近机载接收器安装位置处，解算计算机放置在巷道后方或控制室等 安全位置处；
[0006] (2)建立巷道坐标系0XYZ及发射站初始位置坐标系0QXQYQZ。，以巷道坐标系作为全 局坐标系，标定发射站在全局坐标系中的初始位置坐标值Umy^z。）；
[0007] (3)发射站在自动旋转装置作用下绕0轴旋转从而移动到不同位置处，并在不同 位置处均向测量空间发射扇面激光信号和同步脉冲光信号，通过自动旋转装置中的编码器 测得机械臂实时转过的角度，结合机械臂的长度可算出发射站在全局坐标系中的实时位置 坐标（Xi,y;，zj及实时位置坐标系OiXJiZi;
[0008] (4)各个机载接收器将接收到的不同位置处发射站发出的光信号经转化传至任务 处理器，并解算出机载接收器在不同发射站坐标系下的角度信息，最后由解算计算机求解 出各个机载接收器在全局坐标系中的位置坐标实现空间定位；
[0009] (5)各个机载接收器在全局坐标系中的位置坐标求解得出后，通过两两组合便可 计算得出掘进机机身的姿态参数。
[0010] 2.所述安装iGPS单站多点分时测量平台的操作具体为：
[0011]iGPS单站多点分时测量平台由自动旋转装置和发射站组成，通过自动旋转装置上 的安装座固定安装至距掘进工作面一定距离的巷道后方顶板适宜位置处，以保证有足够的 空间使得自动旋转装置的正常旋转运动。
[0012] 3.所述3台机载接收器及任务处理器均固定安装在掘进机机身上的操作具体为：
[0013] (1)3台机载接收器安装在掘进机机身上，接收端朝向巷道后方以能够接收到发射 站发出的激光信号，且各个机载接收器的安装位置不共线；
[0014] (2)任务处理器安转在掘进机机身上，安装位置距各个机载接收器的安装位置较 近，便于信号传输。
[0015] 4.所述建立巷道坐标系0XYZ为笛卡尔坐标系，通过全站仪等设备在巷道后方处 建立，并标定发射站在全局坐标系中的初始位置坐标值（X。，y。，z。）。
[0016] 5.所述计算发射站的实时位置坐标系(VCJA及实时坐标（xdyi, Zl)由其初始位 置坐标系及初始位置坐标和编码器测得转过的角度及机械臂臂长计算得出；
[0017] 6.所述各个机载接收器将接收到的不同位置处发射站发出的光信号经转化传至 任务处理器，并解算出机载接收器在不同发射站坐标系下的角度信息，最后由解算计算机 求解出各个机载接收器在全局坐标系中的位置坐标实现空间定位的操作具体为：
[0018]假设在测量过程中，发射站在全局坐标系中的实时坐标为（Xuyi,Zl)，各个机载接 收器在全局坐标系中的待测坐标为（xpj,ypj,zpj)，则机载接收器与发射站在全局坐标系中 的实时坐标组成的位置关系方程组为：
[0019]
[0020] 式中匕(xpj,ypj,zpj)为第j个机载接收器在全局坐标系中的位置坐标，(Xl, yi, Zl) 为发射站在i点时在全局坐标系中的实时坐标，nnjanj)、n2lj(t2lj)分别为在i点时的 发射站发出的两束扫描平面光信号分别扫过第j个机载接收器时所对应平面的法向量，
分别为发射站实时位置坐标系转换为全局坐标系 的旋转矩阵和平移向量。
[0021] 通过解算计算机对位置关系方程组进行解算，得出任意一个机载接收器在全局坐 标系中的待测坐标Pi(xw，yw，zw)，即可实现掘进机机身的空间定位。
[0022] 7.所述各个机载接收器在全局坐标系中的位置坐标求解得出后，通过两两组合便 可计算得出掘进机机身的姿态参数的操作具体为：
[0023]掘进机机身的姿态参数包括航向角a、俯仰角0、滚动角y3个参数，航向角a 可通过机载接收器2、3在全局坐标系中的位置坐标求出：
[0024]
[0025] 俯仰角0可通过机载接收器2、3在全局坐标系中的位置坐标求出：
[0026]
[0027] 滚动角y可通过机载接收器1、2在全局坐标系中的位置坐标求出：
[0028]
[0029] 以上姿态参数求出，即可实现掘进机机身的姿态测量。
[0030] 本发明提供的技术方案的有益效果是：
[0031] 本发明提供的一种基于iGPS的掘进机单站位姿测量方法，本方法通过iGPS单站 多点分时测量平台、3台机载接收器、任务处理器及解算计算机等设备，单个发射站在不同 位置处向整个空间发射激光信号且发射站的位置坐标时可知，各个机载接收器将接收到的 不同位置处发射站发出的光信号经转化传至任务处理器，并解算出机载接收器在不同发射 站坐标系下的角度信息，最后由解算计算机求解出各个机载接收器在全局坐标系中的位置 坐标实现空间定位，再通过已知的机载接收器位置坐标计算得出掘进机机身的姿态参数。 本发明通过单台发射站即可完成掘进机机身的位姿测量，成本低，精度高且操作方便。
[0032] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
[0033] 本发明的【具体实施方式】由以下实施例及其附图详细给出。
【附图说明】
[0034] 图1基于iGPS的掘进机单站位姿测量方法原理图；
[0035] 图2测量流程图。
[0036] 附图中，各部件的列表如下：
[0037] 1 :机载接收器1 ;
[0038] 2 :机载接收器2 ;
[0039] 3 :机载接收器3 ;
[0040] 4 :发射站；
[0041] 5:自动旋转装置；
[0042] 6 :掘进机；
[0043] 7 :掘进工作面。
【具体实施方式】：
[0044] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。
[0045] 为实现掘进机位姿测量的无人化，本发明实施例提供了一种基于iGPS的掘进机 单站位姿测量方法，该方法通过iGPS单站多点分时测量平台、3台机载接收器、任务处理器 及解算计算机等设备，便可实现掘进机机身的空间定位和姿态检测，参见图1，图2。具体描 述如下：
[0046] (1)基于iGPS的掘进机单站位姿测量方法的设备布置及坐标系建立
[0047] iGPS单站多点分时测量平台由自动旋转装置4和发射站5组成，通过自动旋转装 置4上的安装座固定安装至距掘进工作面一定距离的巷道后方顶板适宜位置处，以保证有 足够的空间使得自动旋转装置的正常旋转运动；3台机载接收器1、2、3安装在掘进机机身 上，接收端朝向巷道后方以能够接收到发射站发出的激光信号，且各个机载接收器的安装 位置不共线；任务处理器安转在掘进机机身上，安装位置距各个机载接收器的安装位置较 近，便于信号传输；解算计算机放置在巷道后方或控制室等安全位置处。
[0048] 具体实施时，在既保证掘进机位姿参数测量精度，又可实现测量功能的前提下，本 发明将选择4个发射站的移动位置为例进行说明，分别规定为A、B、C、D，且4点均在同一水 平面上。通过全站仪等设备在巷道后方处建立全局坐标系0XYZ，规定A点为发射站所在的 初始时刻点，则发射站6的初始坐标系即为在A