[發明專利]一種采煤機絕對位姿檢測系統及方法

有效

• 申請號: 201710396723.1
• 申請日: 2017-05-31
• 公開（公告）號: CN107238385B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 劉送永;程誠;吳洪狀;江紅祥;李偉;沈剛;唐瑋;劉后廣;楊建華
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C15/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

1.一種采煤機絕對位姿檢測系統，在回采工作面時，對主要由采煤機(1)、刮板機(2)和液壓支架(3)構成的三機配套開采裝備中的采煤機(1)的絕對位姿進行檢測；其特征在于：通過捷聯慣導模塊進行航位推算位姿檢測，通過激光發射裝置(4)、激光接收裝置和智能全站儀(5)進行激光位姿檢測；通過智能全站儀(5)檢測激光發射裝置(4)在礦山絕對坐標系中的位姿參數，結合采煤機(1)在激光發射裝置坐標系中的位姿參數和激光發射裝置(4)在礦山絕對坐標系中的位姿參數，得到采煤機(1)在礦山絕對坐標系中的位姿參數，將該結果作為激光位姿檢測結果；，通過嵌入式控制器Ⅱ對捷聯慣導模塊的導航信息進行解算，獲得采煤機(1)在礦山絕對坐標系中的位姿參數，將該結果作為捷聯慣導位姿檢測結果；然后通過最優估計算法對兩種位姿檢測結果進行異步融合，得到精確的采煤機(1)的絕對位姿；

所述激光發射裝置(4)包括車體、步進電機(4-5)、行走機構(4-1)、曲柄搖桿機構(4-2)、舵機(4-3)、激光發射器(4-4)和嵌入式控制器Ⅰ，步進電機為隔爆型步進電機，激光發射器(4-4)為本安隔爆型扇面激光發射器；步進電機(4-5)、行走機構(4-1)和曲柄搖桿機構(4-2)安裝在車體上，通過步進電機(4-5)驅動曲柄搖桿機構(4-2)動作，舵機(4-3)與激光發射器(4-4)安裝在搖桿的頂端，由舵機(4-3)帶動激光發射器(4-4)在±45°范圍內回轉掃描；嵌入式控制器Ⅰ經隔爆處理后固定在車體上，嵌入式控制器Ⅰ向步進電機(4-5)和舵機(4-3)提供控制指令，并解算激光發射器(4-4)在激光發射裝置坐標系中的三維坐標及其所發射的扇面激光的法向量；

所述激光接收裝置包括三個激光接收器和嵌入式控制器Ⅱ，三個激光接收器不共線地固定在采煤機(1)上，且三個激光接收器均能夠接收到激光發射器(4-4)所發射的扇面激光，嵌入式控制器Ⅱ經隔爆處理后固定在采煤機(1)上，嵌入式控制器Ⅱ同時與激光接收器和嵌入式控制器Ⅰ通信連接，結合每個激光接收器的接收信號、激光發射器(4-4)在激光發射裝置坐標系中的三維坐標及其所發射的扇面激光的法向量，解算出每個激光接收器在激光發射裝置坐標系中的坐標，進而解算出采煤機(1)在激光發射裝置坐標系中的位姿參數。

2.根據權利要求1所述的采煤機絕對位姿檢測系統，其特征在于：所述智能全站儀(5)與激光發射裝置(4)設置在同一巷道中，嵌入式控制器Ⅲ經隔爆處理后固定在智能全站儀(5)上，嵌入式控制器Ⅲ同時與智能全站儀(5)和嵌入式控制器Ⅰ通信連接，在激光發射裝置(4)上合理位置設置定位棱鏡。

3.根據權利要求1所述的采煤機絕對位姿檢測系統，其特征在于：所述捷聯慣導模塊經隔爆處理后固定在采煤機(1)上，嵌入式控制器Ⅱ同時與捷聯慣導模塊通信連接。

4.根據權利要求2所述的采煤機絕對位姿檢測系統，其特征在于：所述嵌入式控制器Ⅰ、嵌入式控制器Ⅱ和嵌入式控制器Ⅲ之間的通信方式為超寬帶無線通信，嵌入式控制器Ⅰ和嵌入式控制器Ⅱ時鐘同步。

5.一種基于權利要求1～4所述的任一采煤機絕對位姿檢測系統的方法，其特征在于：以采煤機(1)在刮板機(2)上的運動方向為軸向，液壓支架(3)的推溜方向為徑向，該方法具體包括如下步驟：

(a)系統開機初始化后，移動激光發射裝置(4)，使其對準采區，并固定，保證激光發射器(4-4)所發射的扇面激光能夠掃描到采煤機(1)，同時采煤機(1)上的捷聯慣導模塊實時工作，由嵌入式控制器Ⅱ解算采煤機(1)在礦山絕對坐標系中的位姿參數；

(b)激光發射裝置(4)停止運動后，由嵌入式控制器Ⅰ向嵌入式控制器Ⅲ發送信號，然后嵌入式控制器Ⅲ控制智能全站儀(5)工作，并將智能全站儀(5)獲取到的激光發射裝置(4)在礦山絕對坐標系中的位姿參數發送給嵌入式控制器Ⅰ；

(c)嵌入式控制器Ⅰ控制步進電機(4-5)和舵機(4-3)工作，使得激光發射器(4-4)至少在三個不同位置發射出不同角度的回轉扇面激光，并且扇面激光在激光發射裝置坐標系中的法向量實時可解、激光發射器(4-4)在激光發射裝置坐標系中的坐標實時可解；三個激光接收器每次接收到的激光信號，均由嵌入式控制器Ⅱ將對應的激光接收器ID號以及接收時間發送給嵌入式控制器Ⅰ，嵌入式控制器Ⅰ結合每個激光接收器的接收信號、激光發射器(4-4)在激光發射裝置坐標系中的三維坐標及其所發射的扇面激光的法向量、激光發射裝置(4)在礦山絕對坐標系中的位姿參數，解算出采煤機(1)在礦山絕對坐標系中的位姿參數，作為激光位姿檢測結果；

(d)嵌入式控制器Ⅱ根據捷聯慣導位姿檢測結果與激光位姿檢測結果，進行數據處理和異步融合，得到精確的采煤機(1)的絕對位姿，將該絕對位姿發送到人機界面進行遠程監控，發送到開采裝備控制器對采煤機(1)進行自動控制；

(e)循環步驟(c)～(d)，直到采煤機(1)完成一次軸向截割；

(f)采煤機(1)在刮板機(2)上徑向進給，由嵌入式控制器Ⅱ向嵌入式控制器Ⅰ發送信號，控制激光發射裝置(4)向前移動平均推溜距離，并固定；

(g)循環步驟(b)～(f)，即可實現采煤機(1)連續開采過程中的實時位姿檢測。