基于線激光陣列旋轉掃描的掘進機精確糾偏裝置及方法與流程

本發明涉及懸臂式掘進機精確糾偏裝置及方法，尤其是一種基于線激光陣列旋轉掃描與捷聯慣導聯合作用的掘進機精確糾偏裝置及方法。

背景技術：

掘進機作為巷道機械化掘進中最重要的設備，其工作情況直接影響到施工質量。實際施工中，掘進機無論是在行走過程中還是作業過程中，其運行軌跡總是會發生與巷道軸線偏離的問題，在掘進機的行進軌跡測量及糾偏控制上，目前掘進機使用的多個激光點測量到巷道兩側距離，由于巷道兩側凹凸不平等影響，每個激光點測出的距離偏差很大，無法反應出平均距離特征，這種方式測量及糾偏的結果存在很大偏差，不能較高程度的跟巷道設計軌跡吻合，從而影響工程質量。因此，一種便捷高效、自動精確測量和糾偏作業的掘進機自動化技術函待出現。

技術實現要素：

發明目的：本發明目的是克服上述背景技術的不足，提供一種基于線激光陣列的旋轉掃描的掘進機精確糾偏裝置及方法。

為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案：一種基于線激光陣列旋轉掃描的掘進機精確糾偏裝置，包括控制系統、捷聯慣導和線激光陣列，控制系統通過通訊控制電纜分別連接捷聯慣導和線激光陣列，線激光陣列包括固定基臺、旋轉柱、激光測距傳感器和步進電機，固定基臺上設置步進電機，步進電機輸出軸與旋轉柱相連，在旋轉柱的外圓柱表面沿軸向間隔設置若干激光測距傳感器。

一種上述糾偏裝置的掘進機糾偏方法，該方法包括：

在掘進機左右兩側對稱設置兩個糾偏裝置，在掘進機中心設置捷聯慣導，在掘進機掘進過程中，通過捷聯慣導實時采集掘進機位置坐標信息，對掘進機做粗略定位，每隔固定周期通過步進電機帶動旋轉柱上的激光測距傳感器轉動θ角度，從而獲取掘進機相對于巷道軸線的偏移量，根據偏移量對掘進機做位置修正，實現掘進機的精確糾偏。

進一步的，獲取掘進機相對于巷道軸線的偏移量具體包括以下步驟：

通過捷聯慣導實時采集掘進機位置坐標信息，確定掘進機中心的坐標點o；

確定掘進機左側糾偏裝置的旋轉柱的軸心坐標點d、坐標點d在巷道側壁的投影點a、f，坐標點o在af連線上的投影點e，確定左側糾偏裝置的激光測距傳感器相鄰兩次發射激光在巷道側壁的光斑坐標點b、c，確定bd、cd長度和θ角度；

由三角形面積計算公式、余弦定理、正弦定理，列出如下等式：

de＝do·cosα＝do·sin(β+θ)(4)

ae＝ad+do(5)

聯立1-5式，解出：

其中：s1為b、c、d三點構成的三角形面積；θ角為bc連線與bd連線所成的夾角，即步進電機帶動旋轉柱上的激光測距傳感器轉動角度，β為bc連線與cd連線所成的夾角；

確定掘進機右側糾偏裝置的旋轉柱的軸心坐標點g，坐標點g在巷道側壁的投影點j，確定jg與oe的交點k，確定右側糾偏裝置的激光測距傳感器相鄰兩次發射激光在巷道側壁的光斑坐標點h、i；確定ig和hg長度；

由三角形面積計算公式、余弦定理、正弦定理，列出如下等式：

gk＝go·cosα＝go·sin(β+θ)(11)

ef＝jk＝jg+gk(12)

聯立8-12式，解出：

其中：s2為g、h、i三點構成的三角形面積；

最終，通過下式獲得掘進機相對于巷道軸線的偏移量：

其中：d為偏距，α為偏角。

有益效果：本發明通過捷聯慣導與線激光陣列旋轉掃描聯合作用，可實現掘進機的精確糾偏。

附圖說明

圖1是本發明掘進機精確糾偏裝置的結構示意圖；

圖2是本發明的車身相對于巷道偏轉角度示意圖；

圖3偏角和偏距幾何關系圖一；

圖4偏角和偏距幾何關系圖二；

圖中：1—固定基臺；2—旋轉柱；3—激光測距傳感器；4—步進電機。

具體實施方式：

下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。

如圖1所示，本發明的一種基于線激光陣列旋轉掃描的掘進機精確糾偏裝置，包括控制系統、捷聯慣導和線激光陣列，控制系統通過通訊控制電纜分別連接捷聯慣導和線激光陣列，線激光陣列包括固定基臺1、旋轉柱2、激光測距傳感器3和步進電機4，固定基臺1上設置步進電機4，步進電機4輸出軸與旋轉柱2相連，在旋轉柱2的外圓柱表面沿軸向間隔設置若干激光測距傳感器3。本實施例中，激光測距傳感器3數量為5個，激光測距傳感器3利用漫反射原理發射并接收激光，工作頻率為50hz，為防止各激光之間互相干擾，多個激光測距傳感器3之間采用依次間隔0.02s發射接收的工作方式。

基于上述糾偏裝置的掘進機糾偏方法，該方法包括：

在掘進機左右兩側對稱設置兩個糾偏裝置，在掘進機中心設置捷聯慣導，在掘進機掘進過程中，通過捷聯慣導實時采集掘進機位置坐標信息，對掘進機做粗略定位，每隔固定周期通過步進電機帶動旋轉柱上的激光測距傳感器轉動θ角度，從而獲取掘進機相對于巷道軸線的偏移量，根據偏移量對掘進機做位置修正，實現掘進機的精確糾偏。

如圖2至4所示，獲取掘進機相對于巷道軸線的偏移量具體包括以下步驟：

通過捷聯慣導實時采集掘進機位置坐標信息，確定掘進機中心的坐標點o；

確定掘進機左側糾偏裝置的旋轉柱的軸心坐標點d、坐標點d在巷道側壁的投影點a、f，坐標點o在af連線上的投影點e，確定左側糾偏裝置的激光測距傳感器相鄰兩次發射激光在巷道側壁的光斑坐標點b、c，確定bd、cd長度和θ角度；

由三角形面積計算公式、余弦定理、正弦定理，列出如下等式：

de＝do·cosα＝do·sin(β+θ)(4)

ae＝ad+do(5)

聯立1-5式，解出：

其中：s1為b、c、d三點構成的三角形面積；θ角為bc連線與bd連線所成的夾角，即步進電機帶動旋轉柱上的激光測距傳感器轉動角度，β為bc連線與cd連線所成的夾角；

確定掘進機右側糾偏裝置的旋轉柱的軸心坐標點g，坐標點g在巷道側壁的投影點j，確定jg與oe的交點k，確定右側糾偏裝置的激光測距傳感器相鄰兩次發射激光在巷道側壁的光斑坐標點h、i；確定ig和hg長度；

由三角形面積計算公式、余弦定理、正弦定理，列出如下等式：

gk＝go·cosα＝go·sin(β+θ)(11)

ef＝jk＝jg+gk(12)

聯立8-12式，解出：

其中：s2為g、h、i三點構成的三角形面積；

最終，通過下式獲得掘進機相對于巷道軸線的偏移量：

其中：d為偏距，α為偏角。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。