專利名稱：掘進機激光引導定位定向裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種掘進機激光引導定位定向裝置及方法，尤其適用于環境惡劣煤礦 井下實現掘進機的遠程控制，縮短懸臂調整時間，提高掘進的速度，也保證了掘進機在指向 激光方向上的定向掘進，為掘進斷面的精確截割提供了基準依據。
背景技術：
巷道掘進時的精確導向問題是巷道施工時的一個關鍵問題，導向精度的高低直接 影響巷道的施工質量和施工效率。煤礦掘進機為了按照預先規定的路線掘進，目前國內將 激光束投射到需要挖掘的煤巖上，根據激光束的指向，人工不斷地給操作司機提示，非常麻 煩；國外將激光接收器安裝在掘進機上，通過掘進機身的調整，進行定向挖掘，這種方法的 缺點是由于掘進機的傾斜、跑偏等現象，機身上的激光接收器很難接收到進行導向的激光 束，國內有關研究提出了 “智能經緯儀導向”的思路，即將激光接收器設計成可以自由活動 的測量機器人，該方法實際上由于現場地形和環境的復雜難以實施，此外通過左右行走馬 達將機身調正需要很長的時間，會大大影響掘進機的工作效率。公開號為CN101266134，名 稱為“懸臂掘進機頭位姿的測量系統及其方法”的專利通過測量掘進機車體在大地坐標系 的坐標，測量掘進機車體偏擺角、仰俯角、橫滾角和油缸行程，計算懸臂掘進機頭相對車體 以及大地坐標系的位姿。此法數據采集處理復雜，沒有直接標定掘進懸臂對準掘進斷面中 心坐標的信息，且調整時間較長。
發明內容
技術問題本發明的目的是針對已有技術中存在的問題，提供一種結構簡單，光的 抗干擾性能強，工作效率高，掘進機在機身傾斜、跑偏等不同情況下，在指向激光方向上定 向掘進的裝置及方法。技術方案本發明的裝置是由激光發射器、安裝在懸臂上的激光接收器和多路轉 換開關、模數轉換器、單片機和控制系統構成，其中激光接收器的輸出端與多路裝換開關的 輸入端相連，多路裝換開關的輸出端和模數轉換器的輸入端相連，模數轉換器的輸出端與 單片機的輸入端相連接，單片機輸出掘進機偏離激光引導方向的偏差和掘進懸臂對準掘進 斷面中心坐標的信息。裝置包括在掘進機后部的巷道頂板上設置一個激光指向器、安裝在掘進機前部的 懸臂上的激光接收裝置；所述的激光接收裝置中，激光接收器的輸出端接多路轉換開關的 輸入端，多路轉換開關的輸出端接模數轉換器的輸入端，模數轉換器的輸出端接單片機的 輸入端，單片機的輸出端輸出掘進機偏離激光引導方向的偏差和掘進懸臂對準掘進斷面中 心坐標的信息。所述激光指向器發射的激光采用調制光。所述激光接收裝置由光電接收元件和與之對應的放大器組成；光電接收元件由多 個光敏管組成光敏管矩陣，光敏管矩陣中心位置的光敏管為基準光敏管，每一個光敏管后接一個光電轉換放大電路；光敏管的一端接地，另一端接第一運算放大器的同向輸入端，其 正輸入端與輸出端之間接第二電阻，構成前級運放電路；為了消除暗電流的影響，第二電阻 兩端并聯第二電容，第一運算放大器的反向輸入端通過相并聯的第一電容、第一電阻接地； 第一運算放大器的輸出端接第二運算放大器的同向輸入端構成主放大電路，改變第4電阻 的阻值可以改變放大倍數。所述多路轉換開關由第一多路轉換開關、第二多路轉換開關構成32選1功能的多 路選擇電路，兩路多路轉換開關的輸入端連接激光接收器的輸出端，用以接收27路模擬量 信號，其輸出端接模數轉換器的輸入端10VIN ；兩個多路轉換開關的通道選擇控制端分別 對應接單片機的控制信號輸出端。所述單片機的型號為89S51。掘進機激光引導定位定向裝置的定位定向方法包括以下步驟a在掘進機后面的巷道頂板上設置一個激光指向器；激光指向器位于巷道的中心 線上，其中的激光發射器發射指向激光，激光束提供巷道施工的中心線；b在距截割頭約50 IOOcm處的懸臂上安裝一個激光接收器，用以接收指向激 光；c將截割頭對準指向激光，調整懸臂使基準光敏管接收到指向激光，即完成了截割 頭的位置標定，并以此為坐標基準，控制截割頭的正常掘進；d將激光接收器的輸出端與多路轉換器的輸入端連接，多路轉換器的輸出端與模 數轉換器輸入端連接，模數轉換器將數字信號傳送至單片機；e激光接收器中的任何一個光敏管接收到指向激光，單片機都能計算出切割頭的 位置，并對懸臂的實際位置和基準坐標進行比較、處理，輸出掘進懸臂對準掘進斷面中心坐 標的信息，實現截割頭的定位截割；f當控制懸臂使基準光敏管接收到指向激光束時，根據安裝在截割懸臂上的角位 移檢測器和機身上的傾斜檢測器與前進方向傾角檢測器，得到懸臂的偏轉角度和機身姿態 信息，通過計算機處理中心的計算，輸出掘進機機身與激光引導方向的偏離誤差，實現掘進 機激光引導的定向控制。有益效果保證掘進機在機身傾斜、跑偏等不同情況下通過截割頭的定向控制來 實現定向掘進；截割頭對準指向激光，基準光敏管接收到指向激光，可以快速定位，并以此 為坐標基準；激光接收器中的任何一個光敏管接收到指向激光，都可以計算出切割頭的位 置，根據懸臂的偏轉角度和機身姿態信息，以便在挖掘一段截面后前移時進行調整，并儲存 修正數據，供下一步調整懸臂參考；截割懸臂的調整比較方便，可以很快地接收到激光束， 縮短懸臂調整時間，提高掘進的速度，也保證了掘進機在指向激光方向上的定向掘進，為掘 進斷面的精確截割提供了基準依據。
圖1是本發明的掘進機激光引導定位定向方法的裝置示意圖；圖2是本發明的掘進機激光引導定位定向方法的裝置構成框圖；圖3是激光接收器的光敏管排列示意圖；圖4是本發明的掘進機激光引導定位定向方法的裝置電路結構示意圖。
具體實施例方式所述的激光接收器由光電接收轉換元件、電阻、電容、放大器組成；光電接收轉換 元件由27個光敏管組成，水平位置設置9個光敏管，垂直位置上設置3排光敏管，每個光敏 管后接一個光電轉換放大電路；光敏管一端接地，另一端接運算放大器TL082的引腳3，引 腳3與6之間接入電阻R2，構成前級運放電路；為了消除暗電流的影響，電阻R2兩端并聯 電容C2，引腳2通過電阻Rl接地，電阻R2兩端并聯電容Cl，前級運放電路輸出接U2的引 腳3構成主放大電路，改變R4的阻值可以改變放大倍數，將放大后的電壓信號送入多路轉 換開關的輸入端；所述多路轉換開關由兩片十六路輸入轉換開關組成，具有32選一功能， 其型號為AD7506 ；所述模數轉換器的型號為AD1674 ；所述單片機的型號為89S51。本發明掘進機激光引導定位定向裝置的定位定向方法a在掘進機后面的巷道頂板上設置一個激光導向裝置；激光導向裝置位于巷道的 中心線上，激光發射器發射指向激光，激光束提供巷道施工的中心線；b在距截割頭約50 IOOcm處的懸臂上安裝一個激光接收器，用以接收指向激 光；c使截割頭對準指向激光，調整懸臂使基準光敏管接收到指向激光，即完成了截割 頭的位置標定，并以此為坐標基準，可以控制截割頭的正常掘進；d將激光接收器的導線與多路轉換器的輸入端連接，多路轉換器的輸出端與模數 轉換器輸入端連接，模數轉換器將數字信號傳送至單片機；e激光接收器中的任何一個光敏管接收到指向激光，單片機都可以計算出切割頭 的位置，并對懸臂的實際位置和基準坐標進行比較、處理，輸出掘進懸臂對準掘進斷面中心 坐標的信息，實現截割頭的定位截割；f當控制懸臂使基準光敏管接收到指向激光束時，根據安裝在截割懸臂上的角位 移檢測器和機身上的傾斜檢測器與前進方向傾角檢測器，得到懸臂的偏轉角度和機身姿態 信息，通過計算機處理中心的計算，輸出掘進機機身與激光引導方向的偏離誤差，實現掘進 機激光引導的定向控制。下面結合附圖中的實施例對本發明作進一步的描述圖1所示，由激光指向器、掘進機、激光接收器構成，激光發射器安裝在掘進機后 面位于巷道中心線的巷道頂板上，激光接收器安裝在距截割頭約50 IOOcm處的懸臂上。圖2所示，由激光指向器、激光接收器、多路轉換開關、模數轉換器和單片機構成， 激光發射器安裝在掘進機后面的巷道頂板上，激光接收器安裝在懸臂上，其中激光接收器 的輸出端與多路裝換開關的輸入端相連，多路裝換開關的輸出端和模數轉換器的輸入端相 連，模數轉換器的輸出端與單片機的輸入端相連接。當激光接收器接收到激光后，激光接收 器將接收到的光信號轉換為電流信號，送至多路轉換開關和模數轉換器，模數轉換器將模 擬信號轉換成數字信號傳送至單片機，單片機對數字信號進行處理，計算得出激光接收器 中接收到指向激光的光敏管位置，可以計算出切割頭的位置，單片機輸出掘進機偏離激光 引導方向的偏差和掘進懸臂對準掘進斷面中心坐標的信息，進行截割頭的標定和掘進機在 激光指向方向上的定向。圖3所示，激光接收器由光電接收器件、電阻、電容、放大器組成；光電接收器件由27個光敏管組成，水平位置設置9個光敏管，垂直位置上設置3排光敏管，每個光敏管后接 一個光電轉換放大電路；正中位置光敏管為基準光敏管。圖4所示，激光接收器由光電接收器件、電阻、電容、放大器組成；光敏管一端接 地，另一端接TL082的引腳3 ；引腳3連接電阻R2，電阻R2連接TL082的引腳6，構成前級 運放電路；為了消除暗電流的影響，TL082的引腳2連接電容C2，電容C2連接TL082的引腳 6，TL082弓丨腳2連接電阻R1，電阻Rl接地，引腳2連接電容Cl，電容Cl接地；前級運放電 路輸出接U2的引腳3構成主放大電路，改變R4的阻值可以改變放大倍數；將放大后的電壓 信號送入多路轉換開關的輸入端。多路轉換開關由兩片AD7506構成32選1功能的多路選擇，兩片AD7506的輸入端 連接激光接收器的輸出端，用以接收27路模擬量信號。AD7506的工作電源端VDD接+15V、 VSS接-15V。其中一片AD7506的通道選擇控制端Ac^ApA2J3分別連接89S51單片機的引 腳2、3、4、5，其引腳17接89S51單片機的引腳1，輸出端OUT接AD1674模數轉換器的引腳 13 ；另一片AD7056的通道選擇控制端WA2J3的分別接89S51單片機的引腳2、3、4、5， EN端連接非門74LS05的引腳L74LS05的引腳2連接9S51單片機的引腳1，輸出端OUT接 AD1674模數轉換器的引腳13。模數轉換器AD1674的輸入端IOVIn連接多路轉換開關的輸出端，用以接收電路 的輸出信號。AD1674模數轉換器的工作電源端Ueer分別接+15V、接_15v，其引腳1接 +5V，引腳2、9、15分別接地，其引腳4接74LS373的引腳2，其引腳3接89S51單片機的引腳 28，其引腳5連接非門74LS04的引腳2，74LS04的引腳1接89S51單片機的引腳17，AD1674 模數轉換器的引腳6連接與非門SN74LS00的引腳3,SN74LS00的引腳1、2分別連接89s51 單片機的引腳16,17, AD1674模數轉換器的引腳28接單片機89S51的引腳13，引腳20至 27分別接89s51單片機的8個引腳39至32，其引腳16至19分別接AD1674模數轉換器的 引腳24至27 ；74LS373的輸出端DO至D7分別接89s51單片機的引腳39至32，其引腳11 接單片機89S51的引腳30。本發明的激光引導定位定向方法在掘進機后面的巷道頂板上安裝激光發射器， 在距截割頭約50 IOOcm處的懸臂上安裝一個激光接收器，將激光接收器的導線通過多路 開關與模數轉換器輸入端相連，激光接收器將檢測到的光信號轉換為電信號，通過多路轉 換開關、模數轉換器將數字信號傳送至單片機，經單片機程序運算和處理后，即可計算出激 光接收器中具體某一個光敏管接收到指向激光，從而計算出切割頭的位置，得到掘進懸臂 對準掘進斷面中心坐標的信息并能確定掘進機機身與前進方向的偏離誤差，以便在挖掘一 段截面后前移時進行調整。
權利要求
一種掘進機激光引導定位定向裝置，其特征在于該裝置包括在掘進機后部的巷道頂板(12)上設置一個激光指向器(11)、安裝在掘進機前部的懸臂(15)上的激光接收裝置(13)；所述的激光接收裝置(13)中，激光接收器(21～2n)的輸出端接多路轉換開關(22)的輸入端，多路轉換開關(22)的輸出端接模數轉換器(23)的輸入端，模數轉換器(23)的輸出端接單片機(24)的輸入端，單片機(24)的輸出端輸出掘進機偏離激光引導方向的偏差和掘進懸臂對準掘進斷面中心坐標的信息。
2.根據權利要求1所述的掘進機激光引導定位定向裝置，其特征在于所述激光指向器 (11)發射的激光采用調制光。
3.根據權利要求1所述的掘進機激光引導定位定向裝置，其特征在于所述激光接收 裝置(13)由光電接收元件和與之對應的放大器組成；光電接收元件由多個光敏管組成光 敏管矩陣，光敏管矩陣中心位置的光敏管為基準光敏管(31)，每一個光敏管后接一個光電 轉換放大電路；光敏管的一端接地，另一端接第一運算放大器(Ul)的同向輸入端，其正輸 入端與輸出端之間接第二電阻(R2)，構成前級運放電路；為了消除暗電流的影響，第二電 阻(R2)兩端并聯第二電容(C2)，第一運算放大器(Ul)的反向輸入端通過相并聯的第一電 容(Cl)、第一電阻(Rl)接地；第一運算放大器(Ul)的輸出端接第二運算放大器(U2)的同 向輸入端構成主放大電路，改變第4電阻(R4)的阻值可以改變放大倍數。
4.根據權利要求1所述的掘進機激光引導定位定向裝置，其特征在于所述多路轉換 開關(22)由第一多路轉換開關(UIB)、第二多路轉換開關(U2B)構成32選1功能的多路 選擇電路，兩路多路轉換開關的輸入端連接激光接收器的輸出端，用以接收27路模擬量信 號，其輸出端接模數轉換器(U2B)的輸入端10VIN ；兩個多路轉換開關的通道選擇控制端 (A0, A1^ A2, A3)分別對應接單片機(U3A)的控制信號輸出端(Ρ1.0、Ρ 1.2、P 1.3、P 1.4)。
5.根據權利要求1所述的掘進機激光引導定位定向裝置，其特征在于所述單片機的 型號為89S51。
6.一種如權利要求1所述的掘進機激光引導定位定向裝置的定位定向方法，其特征在 于該定位定向方法包括以下步驟a在掘進機后面的巷道頂板上設置一個激光指向器(11)；激光指向器(11)位于巷道的 中心線上，其中的激光發射器發射指向激光，激光束提供巷道施工的中心線；b在距截割頭約50 IOOcm處的懸臂(15)上安裝一個激光接收器(21)，用以接收指 向激光；c將截割頭(14)對準指向激光，調整懸臂使基準光敏管接收到指向激光，即完成了截 割頭的位置標定，并以此為坐標基準，控制截割頭的正常掘進；d將激光接收器(21)的輸出端與多路轉換器的輸入端連接，多路轉換器的輸出端與模 數轉換器輸入端連接，模數轉換器將數字信號傳送至單片機；e激光接收器中的任何一個光敏管接收到指向激光，單片機都能計算出切割頭的位置， 并對懸臂的實際位置和基準坐標進行比較、處理，輸出掘進懸臂對準掘進斷面中心坐標的 信息，實現截割頭的定位截割；f當控制懸臂使基準光敏管接收到指向激光束時，根據安裝在截割懸臂上的角位移檢 測器和機身上的傾斜檢測器與前進方向傾角檢測器，得到懸臂的偏轉角度和機身姿態信 息，通過計算機處理中心的計算，輸出掘進機機身與激光引導方向的偏離誤差，實現掘進機激光引導的定向控制。
全文摘要
本發明是一種掘進機激光引導定位定向裝置及方法，其檢測裝置由在掘進機后面的巷道頂板上設置一個激光導向裝置、安裝在懸臂上的激光接收器和多路轉換開關、模數轉換器、單片機和控制系統構成，其檢測方法是在掘進機后面的巷道頂板上設置一個激光導向裝置，在懸臂上安裝一個激光接收器，激光接收器將接收到的光信號轉化為成電壓信號并進行放大，經模數轉換器轉換為數字信號，再經單片機程序運算和處理后，即可輸出掘進機偏離激光引導方向的偏差和掘進懸臂對準掘進斷面中心坐標的信息，對懸臂截割頭定位，可以快速標定基準坐標中心點，縮短調整時間，提高掘進的速度，也保證了掘進機在指向激光方向上的定向掘進。
文檔編號G01C15/00GK101975063SQ20101027894
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月10日 優先權日2010年9月10日
發明者唐守鋒, 徐楠, 童敏明, 童紫原 申請人:中國礦業大學