[發(fā)明專利]基于陀螺全站儀和慣導(dǎo)設(shè)備的掘進(jìn)機(jī)定位導(dǎo)航系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010004374.6
• 申請(qǐng)日: 2020-01-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111044042B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張新遠(yuǎn);武泰安;邰洋;程志偉;劉嘉倬;張若維;丁鳳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七0七研究所
• 主分類號(hào): G01C21/16
• 分類號(hào): G01C21/16;G01H17/00
• 代理公司: 天津盛理知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12209
• 代理人: 劉玲

本發(fā)明涉及一種基于陀螺全站儀和慣導(dǎo)設(shè)備的掘進(jìn)機(jī)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，其包括主控系統(tǒng)、慣導(dǎo)設(shè)備、陀螺全站儀、車(chē)體合作目標(biāo)、井下控制點(diǎn)標(biāo)識(shí)以及無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò),所述主控系統(tǒng)、慣導(dǎo)設(shè)備、陀螺全站儀之間通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸連接；陀螺全站儀對(duì)慣導(dǎo)設(shè)備提供組合校正信息。本發(fā)明基于陀螺全站儀和慣導(dǎo)設(shè)備的掘進(jìn)機(jī)定位導(dǎo)航系統(tǒng)及方法，適用于隧道、地鐵、礦井等地下密閉空間盾構(gòu)機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等大型機(jī)械的高精度定位、定向和測(cè)姿系統(tǒng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于掘進(jìn)機(jī)定位導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于陀螺全站儀和慣導(dǎo)設(shè)備的掘進(jìn)機(jī)定位導(dǎo)航系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

目前，以智能化、自動(dòng)化的調(diào)度系統(tǒng)為主，利用高速、大容量的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能規(guī)劃與采礦管理，通過(guò)對(duì)礦山各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控與控制，配合人工智能的識(shí)別與分析，實(shí)現(xiàn)礦山開(kāi)采的安全、高效為目的的智慧礦山概念日益成熟，并在逐步實(shí)現(xiàn)。智慧礦山通常劃分為三個(gè)系統(tǒng)：智慧生產(chǎn)系統(tǒng)、智慧職業(yè)健康與安全管理系統(tǒng)和智慧技術(shù)與后勤保障系統(tǒng)。智慧生產(chǎn)系統(tǒng)包括開(kāi)采工作面和掘進(jìn)工作面的智能化，對(duì)于煤礦來(lái)講，就是以無(wú)人值守采煤掘進(jìn)技術(shù)為代表的智能綜采工作面和無(wú)人掘進(jìn)工作面。對(duì)于非煤礦山來(lái)說(shuō)，是以智能化、自動(dòng)化采礦技術(shù)為代表的無(wú)人采礦工作面和無(wú)人掘進(jìn)工作面系統(tǒng)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外煤礦開(kāi)采追求“安全、高效、簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)”的原則，其智能開(kāi)采的技術(shù)思路是：通過(guò)鉆孔地質(zhì)勘探和掘進(jìn)相結(jié)合的方式，描繪工作面煤層的賦存分布，通過(guò)慣導(dǎo)設(shè)備獲知采煤機(jī)的三維坐標(biāo)，兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)工作面的全自動(dòng)采掘。

慣導(dǎo)設(shè)備是一種通過(guò)測(cè)量載體的加速度，自動(dòng)進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得載體瞬時(shí)速度、位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)的捷聯(lián)式慣導(dǎo)設(shè)備(Strap-down Inertial measurement unit，SINS)。慣導(dǎo)設(shè)備由“慣性測(cè)量單元”(Inertial measurement unit，IMU)、“導(dǎo)航計(jì)算機(jī)”和其它設(shè)備組成。IMU由三只單自由度陀螺(凡指光纖陀螺、激光陀螺、微機(jī)械陀螺等)和三只加速度計(jì)(凡指石英加速度計(jì)、液浮加速度計(jì)、微機(jī)械加速度計(jì)等)；導(dǎo)航計(jì)算機(jī)采用相應(yīng)的計(jì)算程序，解算SINS的“導(dǎo)航信息”以及對(duì)IMU的控制指令。SINS導(dǎo)航信息的精度在很大程度上取決于所用陀螺儀和加速度計(jì)的性能。因此，在慣導(dǎo)設(shè)備精密測(cè)量系統(tǒng)中，除了在成本允許的條件下選用高精度的慣性元件外，重點(diǎn)內(nèi)容是慣導(dǎo)設(shè)備與其它可利用信息的“組合導(dǎo)航”方法，利用外部參考信息對(duì)SINS的誤差進(jìn)行適時(shí)“補(bǔ)償”。

陀螺全站儀是一種能自主測(cè)量真北方位角的設(shè)備，由陀螺裝置、全站儀和掛裝架組成。該設(shè)備測(cè)量真北方位簡(jiǎn)單迅速，不受時(shí)間約束，常用于公路、鐵路、隧道和礦山等的測(cè)量應(yīng)用。它利用陀螺儀的定軸性和進(jìn)動(dòng)，采用金屬吊帶懸掛重心下移的陀螺靈敏部來(lái)敏感地球自轉(zhuǎn)角速度水平分量，在重力作用下，產(chǎn)生向北進(jìn)動(dòng)的力矩，使得陀螺儀主軸圍繞地球子午面往復(fù)擺動(dòng)，從而測(cè)定真北方位角。并將真北方位傳遞至全站儀望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)被測(cè)目標(biāo)后，即可直接輸出該目標(biāo)與測(cè)站連線的真北方位角。

采煤機(jī)一般采用“慣導(dǎo)設(shè)備”+“里程計(jì)”的組合模式，用里程計(jì)信息對(duì)慣導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行外信息“阻尼”，抑制其誤差發(fā)散。針對(duì)礦山生產(chǎn)系統(tǒng)掘進(jìn)工作面無(wú)人值守需求，以往很多專利和文章中都提到了利用INS、“INS+里程計(jì)”測(cè)量輸出采煤機(jī)位置、方位和姿態(tài)的方法，但掘進(jìn)機(jī)無(wú)法提供里程信息，或者無(wú)法提供精確的里程信息，因此，無(wú)法保證慣導(dǎo)設(shè)備在整個(gè)工作周期內(nèi)輸出高精度的位置、方位信息。

因此，本發(fā)明采用后置陀螺全站儀對(duì)安裝在掘進(jìn)機(jī)車(chē)體上的合作目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和測(cè)量，解算獲得慣導(dǎo)設(shè)備位置信息，適時(shí)將其發(fā)送至慣導(dǎo)設(shè)備，慣導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行自校正，確保長(zhǎng)期測(cè)量輸出高精度的位置、方位和姿態(tài)信息。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于陀螺全站儀和慣導(dǎo)設(shè)備的掘進(jìn)機(jī)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的長(zhǎng)周期、高精度定位、定向、測(cè)姿和振動(dòng)檢測(cè)。

本發(fā)明還提供一種基于陀螺全站儀和慣導(dǎo)設(shè)備的掘進(jìn)機(jī)定位導(dǎo)航方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：