[發明專利]一種地下巷道掘進裝備實時定位系統及方法

在審

• 申請號: 202011222229.1
• 申請日: 2020-11-05
• 公開（公告）號: CN112414394A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 秦念穩;李建華;肖正航;張宏;王營松;陳曉偉;李兆陽
• 申請（專利權）人: 中國鐵建重工集團股份有限公司
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/16;G01C21/20;G01C1/00
• 代理公司: 長沙七源專利代理事務所(普通合伙) 43214
• 代理人: 張勇;周曉艷

1.一種地下巷道掘進裝備實時定位系統，其特征在于，包括后視棱鏡、定位棱鏡、全站儀、測站點棱鏡、吊籃和慣性測量單元；后視棱鏡和吊籃安裝在巷道的頂板上；定位棱鏡和慣性測量單元安裝在掘進裝備上，吊籃位于后視棱鏡與掘進裝備之間，吊籃內設有全站儀和測站點棱鏡。

2.一種地下巷道掘進裝備實時定位方法，采用了如權利要求1所述的實時定位系統，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：通過全站儀設站的方式獲得全站儀和大地的坐標轉換關系；

步驟二：用全站儀測掘進裝備上定位棱鏡的坐標，獲得定位棱鏡在全站儀坐標系下的坐標，通過坐標轉換關系算出定位棱鏡在大地坐標系下的坐標；

步驟三：結合定位棱鏡在掘進裝備上固定的安裝位置，定位棱鏡坐標與掘進裝備中心點坐標之間的平移關系，算出掘進裝備中心點在大地坐標系下的坐標(X₀,Y₀,Z₀)；

步驟四：通過安裝在掘進裝備上的慣性測量單元，獲得掘進裝備的俯仰角、橫滾角和偏航角。

3.根據權利要求2所述的一種地下巷道掘進裝備實時定位方法，其特征在于，步驟一具體是：使用全站儀測量分別測出后視棱鏡坐標P_后(X_后，Y_后，Z_后)及測站點棱鏡坐標P_測(X_測，Y_測，Z_測)；將吊籃內的全站儀調平，獲取后視棱鏡在全站儀坐標系下的原始測量數據P1(水平角、垂直角、斜距)；

結合P_測、P_后、P1，通過全站儀設站的方式找出地理坐標系與全站儀坐標系之間的關系，首先計算P_測到P_后兩點連線的方位角A、地理坐標系與全站儀坐標系X軸的夾角θ,即繞Z軸旋轉角度θ＝A-HA，地理坐標系和全站儀坐標系的旋轉矩陣T_(地到站)，將全站儀原始數據轉換為笛卡爾直角坐標：

(HA,VA,SD)→(X_站，Y_站，Z_站)

HD＝SD*Sin(VA)；

X_站＝HD*Cos(HA)；

Y_站＝HD*Sin(HA)；

Z_站＝SD*Cos(VA)；

得到地理坐標系與全站儀坐標系的關系為：

(X_地，Y_地，Z_地)＝T_(地到站)*(X_站，Y_站，Z_站)

其中，HA為水平角，VA為垂直角，HD為平距，SD為斜距。

4.根據權利要求3所述的一種地下巷道掘進裝備實時定位方法，其特征在于，所述慣性測量單元內含有三個單軸加速度計和三個單軸激光陀螺儀；三個單軸加速度計提供掘進裝備在行駛工作過程中在X、Y、Z軸三個相交垂直方向上實時的加速度a_x、a_y、a_z；三個單軸激光陀螺儀用于測量圍繞著X、Y、Z三個軸的角加速度α_β、α_α、α_γ。

5.根據權利要求4所述的一種地下巷道掘進裝備實時定位方法，其特征在于，通過對三個加速度a_x、a_y、a_z二次積分，得到X、Y、Z軸方向上的位移ΔX、ΔY、ΔZ，進而得到行駛過程中，掘進裝備相對于大地坐標系的坐標(X₀+ΔX,Y₀+ΔY,Z₀+ΔZ)。

6.根據權利要求4或5所述的一種地下巷道掘進裝備實時定位方法，其特征在于，通過對三個角加速度α_β、α_α、α_γ二次積分，得到掘進裝備圍繞著X、Y、Z三個軸的角度偏移量(Δβ、Δα、Δγ)；進而得到行駛過程中，掘進裝備的實時姿態角度為(β₀+Δβ,α₀+Δα,γ₀+Δγ)。