具有測距系統的采掘機的制作方法

本公開內容涉及具有測距系統的采掘機。

背景技術：

可能需要采掘機在礦中按需求移動到不同位置。一些采掘機是車輛，該車輛會被導航穿過礦區中的巷道。礦區中的環境會對確定車輛位置的已知方法造成挑戰。

礦區會包括滿是灰塵的狀況，其中用于道路的傳統車道標志會由于灰塵和其他碎片變得模糊。進一步的，礦區會在會影響視覺觀察的地下或其他低能見度的狀況操作。進一步的，由于土壤或信號多路的阻礙，使用基于衛星傳輸信號(或局域傳遞信號)的導航會有困難。

可以使用其他導航方法，比如基于加速計和陀螺儀的結果而對位置進行航跡推算。進一步的，還可使用速度計和/或里程計的結果。然而，在破損表面上的車輪打滑會造成誤差。航跡推算法中的誤差會累積，這進而在該系統中造成長期錯誤。

距離信息也可以輔助于確定觀測者的位置，以及輔助導航。距離信息與其他信息(比如物體相對于觀測者的方位)結合可用于構建帶有地形信息的地圖或表示物體位置的其他形式表示和/或環境中物體的輪廓。距離信息還可以輔助確定觀測者的位置以輔助導航。

在已知的形式中，測距裝置設置在觀測位置，且該裝置包括激光發射器以向物體發送激光束。光束從物體反射且光的反射由測距裝置的傳感器檢測。光從激光發射器行進到物體以及從物體到傳感器的飛行時間被測量。該飛行時間與光速一起用于確定在觀測位置的測距裝置和物體之間的距離。

在礦區中的另一個挑戰是：礦區會具有危險的材料，比如易燃氣體、蒸氣、液體、灰塵等。因此，從采掘機中將可能的點火源減少、最小化或排除很重要。

WO2005/003875(SANDVIK TAMROCK OY)公開了一種用于監測礦中采礦車位置的方法和系統。WO2007/009149(COMMONWEALTH SCINTIFIC AND INDUSTRIAL RESEARCH ORGANISATION)公開了一種用于確定采礦操作中結構變化的方法和裝置。

在整個說明書中，單詞“包括(comprise)”，或變型比如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”應理解為意味著包含所述元件、整數或步驟、或一組元件、一組整數或一組步驟，但是不排除任何其他元件、整數或者步驟、或者其他組元件、其他組整數或者其他組步驟。

被包括在本說明書中的對文獻、條例、材料、設備、物品或類似的任何討論不應視為承認：任何或所有這些材料形成了部分現有技術基礎或是關于本申請的技術領域中的公知常識，就像它在本申請的每個權利要求的優先權日之前已經存在。

技術實現要素：

一種采掘機(3)包括：

-測距系統(100)，該測距系統包括：

-電磁輸出裝置(102)，該電磁輸出裝置提供沿著第一束路徑(106)的電磁輻射的第一束(104)；

-電磁輸入裝置(108)，該電磁輸入裝置接收來自物體(7)的所述第一束的反射電磁輻射(110)，以確定所述測距系統與所述物體(7)的距離(114)；以及

-外殼(120)，該外殼包括圍繞所述外殼(120)的中央軸線(136)的側壁(122)，所述側壁(122)對由所述電磁輸出裝置(102)提供的所述電磁輻射是透明的，

其中，所述電磁輸出裝置(102)和所述電磁輸入裝置(108)設置在所述外殼(120)內，使得所述電磁輸入裝置(108)位于電磁輻射的第二束(126)的第二束路徑(124)外部，所述第二束由所述第一束(104)在所述側壁(122)上的鏡面反射(128)限定，

-數據端口(40)，該數據端口至少基于所確定的距離(114)輸出所述采掘機(3)到所述物體的相對位置數據。

所述采掘機(3)可以進一步包括：

-處理設備(9)，該處理設備基于所述相對位置數據和所述物體的物體位置確定所述采掘機(3)的第一位置。

所述采掘機(3)可以進一步包括：

-第一傳感器系統(5)，該第一傳感器系統基于航跡推算法確定所述采掘機(3)的移動數據；

其中，所述處理設備(9)進一步被設置成：

-基于以下數據確定所述采掘機(3)的第二位置：

-所述第一位置；和

-基于航跡推算法的所述采掘機的所述移動數據。

所述第一位置可以是絕對位置。

所述采掘機(3)可以進一步包括：

-第一傳感器系統(5)，該第一傳感器系統基于航跡推算法確定所述采掘機(3)的移動數據；

-處理設備(9)，該處理設備基于以下數據確定所述采掘機(3)的第二位置：

-所述相對位置數據；和

-基于航跡推算法的所述采掘機的所述移動數據。

確定所述采掘機的第二位置可進一步基于所述采掘機(3)的起始位置數據。

所述測距系統可以進一步包括：

-數據存儲器(11)，其中，與所述物體(7)的所述物體位置關聯的物體位置數據存儲在所述數據存儲器(11)中。

所述采掘機可以為長壁采掘機。

所述采掘機可以為連續采掘機。

所述外殼(120)可進一步包括防止所述外殼的外部的氣體被來自所述外殼的內部的點火觸發器點燃的一個或更多個特征部。

該一個或更多特征部可包括密封元件(130)，所述密封元件與所述側壁(122)協同地使所述外殼(120)的內部與所述外殼(120)的外部隔絕，使得一個或更多個所述密封元件(130)防止所述外殼(120)的外部的氣體被來自所述外殼(120)的內部的點火觸發器點燃。

所述測距系統(100)可以進一步包括能在所述外殼(120)內圍繞第一旋轉軸線(134)旋轉的第一支撐元件(132)，其中，所述電磁輸出裝置由所述第一支撐元件(132)支撐，使得所述第一支撐元件(132)的旋轉使由所述電磁輸出裝置(102)提供的所述第一束(104)轉向。

所述電磁輸出裝置(102)可以從所述第一旋轉軸線(134)偏移，使得從所述電磁輸出裝置(102)到所述側壁(122)的所述第一束路徑(106)不與所述第一旋轉軸線(134)相交。

所述第一旋轉軸線(134)可以與所述中央軸線(136)同軸。

所述采掘機(3)可以進一步包括第二支撐元件(140)，該第二支撐元件在所述電磁輸出裝置(102)和第一支撐元件(132)之間提供支撐，其中，所述第二支撐元件(140)能圍繞第二旋轉軸線(142)旋轉，并且其中，所述第二支撐元件(140)的旋轉使由所述電磁輸出裝置(102)提供的所述第一束(104)轉向。

所述第二旋轉軸線(142)可以垂直于所述第一旋轉軸線(134)。

在所述采掘機中，所述電磁輸入裝置可以由第一支撐元件支撐，使得第一支撐元所述電磁輸入裝置轉向以接收來自所述物體的所述第一束的所述反射電磁輻射。

所述采掘機(3)可以進一步包括控制模塊以使第一束(104)轉向到多個取向，從而提供周圍環境中的所述物體的多個距離確定。

周圍環境中的所述物體的多個距離確定可以被表示為三維點云中的數據。

所述電磁輸出裝置(102)可以包括激光發射器，該激光發射器以激光的形式提供第一束(104)。所述電磁輸入裝置(108)可以包括光傳感器，該光傳感器接收從所述物體(7)反射的激光。

所述電磁輸出裝置(102)可以提供在紫外線、可見光和/或紅外線光譜中的一個或更多中的電磁輻射的所述第一束(104)。

所述側壁(122)可以為圓柱形側壁。

所述測距系統可進一步包括處理器，該處理器基于所述多個距離確定生成周圍環境的三維圖像。

所述測距系統可進一步包括：

-激光發射器，該激光發射器提供激光形式的所述第一束，

其中，所述電磁輸出裝置包括第一反射器，該第一反射器使所述第一束改向到所屬第一束路徑上。

所述測距系統可進一步包括：

-光傳感器，該光傳感器檢測從所述物體反射的激光，

其中，所述電磁輸入裝置包括第二反射器，該第二反射器使反射的激光朝向所述光傳感器改向。

所述第一束路徑和所述側壁的表面法線之間的入射角可以大于5度。

所述第一束路徑和所述側壁的表面法線之間的入射角可以小于所述側壁(122)的臨界角。

所述測距系統可以進一步包括：

-第二支撐元件，該第二支撐元件在所述電磁輸出裝置和所述第一支撐元件之間提供支撐，其中，所述第二支撐元件能圍繞第二旋轉軸線旋轉，其中，所述第二支撐元件的旋轉使由所述電磁輸出裝置提供的所述第一束轉向，

其中，所述第二旋轉軸線垂直于所述第一旋轉軸線。

所述測距系統可符合國際標準IEC 60079-0、IEC 60079-1，美國標準ANSI/UL1203：2006，英國標準BS EN 60079-1：2007以及澳大利亞標準AS60079.1：2007中的一個或更多。

所述測距系統可包括：

-激光發射器，該激光發射器沿著第一束路徑提供激光的第一束；

-光傳感器，該光傳感器接收來自物體的所述第一束的反射激光，以確定所述測距系統與所述物體的距離；

-外殼，該外殼包括圓柱形側壁，該側壁對由所述激光發射器提供的光是透明的，其中，所述外殼包括防止所述外殼外部的氣體被所述外殼內部的點火觸發器點燃的一個或更多特征；以及

-能在所述外殼內旋轉的第一支撐元件，其中，所述激光發射器和所述光傳感器由所述第一支撐元件支撐，使得所述第一支撐元件的旋轉使由所述激光發射器提供的所述第一束轉向；并且

其中，所述激光發射器和所述光傳感器設置在所述外殼內，使得所述光傳感器位于電磁輻射的第二束的第二束路徑外部，所述第二束由所述第一束在所述圓柱形側壁上的鏡面反射限定。

所述測距系統可進一步包括控制器以：

使所述第一束朝向反射器轉向；

確定表示從所述反射器反射出的和由所述光傳感器接收到的光的強度的強度值；以及

基于所述強度值確定由煤塵顆粒污染的水平。

一種監測采掘機的位置的方法包括：

-從以上采掘機(3)中的數據接口(40)接收所述采掘機(3)到物體(7)的相對位置數據，該物體具有物體位置；

-接收第一傳感器系統(5)的輸出，該輸出表示基于航跡推算法的所述采掘機(3)的移動數據；

-基于以下數據確定所述采掘機(3)的第二位置：

-所述采掘機(3)的所述相對位置數據；和

-基于航跡推算法的所述采掘機(3)的所述移動數據。

該方法可進一步包括如下步驟；

-基于所述采掘機到所述物體(7)的所述相對位置和所述物體位置確定所述采掘機(3)的第一位置。

確定所述采掘機(3)的第二位置的步驟可以進一步基于所述采掘機的所述第一位置。

該方法可以進一步包括：

-從數據存儲器接收所述數據存儲器中的與所述物體(7)關聯的物體位置數據；

-其中，確定所述第一位置的步驟進一步基于接收到的與所述物體(7)關聯的物體位置數據。

確定所述采掘機(3)的第二位置的步驟可以進一步基于所述采掘機(3)的起始位置數據。

一種確定在采煤操作中的隧道的結構變化的方法包括：

-接收所述隧道的第一輪廓掃描，其中，所述第一輪廓掃描基于從以上采掘機(3)中的數據端口(40)接收多個相對位置數據；

-將所述第一輪廓掃描存儲在數據存儲器中；

-隨后接收所述隧道的第二輪廓掃描，其中，所述第二輪廓掃描基于從同一采掘機(3)或不同的傳感器系統接收多個相對位置數據；

處理所述第一輪廓掃描和所述第二輪廓掃描以確定所述隧道的表面的對應于所述隧道的輪廓變形的任意結構變化。

所述隧道可以位于煤礦內。

該方法可包括執行到煤炭面上的多個點的多個距離確定。

在適當的情況下，針對機器或方法或系統的任一方面描述的可選特征類似地應用于這里也描述的其他方面。

附圖說明

本公開內容的實施例將參照以下進行描述：

圖1是在礦中行進的采掘機的俯視圖；

圖2是測距系統的立體圖，該測距系統提供到物體的電磁輻射的第一束以確定到所述物體的距離；

圖3是監測采掘機的位置的方法的流程圖；

圖4是確定隧道的結構變化的方法的流程圖；

圖5a是穿過隧道的豎直剖面圖，示出了隧道壁和/或頂的輪廓的隨著時間的結構變化；

圖5b是隧道的豎直剖面圖，示出了采掘機；

圖6是示意圖，示出了長壁地下采煤操作的3D斷面圖；

圖7是連續采掘機的側視圖；

圖8a是采掘機中連接的系統的示意圖；

圖8b示出了與通信網絡和其他網絡元件通信的采掘機；

圖9示出了被定位成測量周圍環境中的物體的距離的測距系統的簡化圖；

圖10是測距系統的電磁輸出裝置、電磁輸入裝置以及第一與第二支撐元件的立體圖；

圖11是圖2的測距系統的側視圖，示出了由電磁輸出裝置提供的第一束和由電磁輸入裝置接收的第一束的反射電磁輻射；

圖12是圖11的測距系統的俯視圖；

圖13是圖11的測距系統的簡化俯視圖，示出了圍繞第一旋轉軸線的三個不同方位取向處電磁輸出裝置并示出了第一束的折射的實施例；

圖14(a)至圖14(c)是圖11的簡化側視圖，示出了圍繞第二旋轉軸線的三個不同傾斜角取向處的電磁輸入裝置并示出了第一束的折射效果的實施例；

圖15是具有控制器模塊、計算機系統和顯示器的測距系統的示意圖；

圖16(a)至圖16(c)示出了在一種形式的測距系統中的第一束的可能傾斜角的范圍；

圖17(a)至圖17(d)示出了測距系統的外殼的替代形式的立體圖；

圖18(a)至圖18(b)是電磁輸入裝置的立體圖，該電磁輸入裝置具有罩以保護電磁輸入裝置遠離有害的磁輻射；

圖19(a)至圖19(b)是測距系統的立體圖，該測距系統包括反射體以測試測距系統的運行；

圖20是測距裝置的俯視圖，示出了兩種結構的電磁輸出裝置和電磁輸入裝置以確定與物體上的相同位置的距離；

圖21(a)至圖21(b)是測距裝置的替代形式的俯視圖；以及

圖22(a)至圖22(c)是測距系統的外殼的替代形式的俯視圖。

具體實施方式

概述

現在參照圖1和圖2描述采掘機3的概述。采掘機3包括測距系統100以確定采掘機3到具有物體位置的物體7的相對位置數據。物體7可以為任何物體，比如可通過測距系統100檢測的礦的壁12。

現在參照圖2簡要描述采掘機3的測距系統100。測距系統100包括電磁輸出裝置102以向物體7提供沿著第一束路徑106的電磁輻射的第一束104。第一束104被從物體7反射以提供反射電磁輻射110。測距系統100還包括電磁輸入裝置108以接收來自物體7的第一束的反射電磁輻射110，以確定測距系統100到物體7的距離114。測距系統100到物體7的距離114可隨后用于確定采掘機3和物體7之間的距離，該距離可用于確定采掘機3到物體7的相對位置數據中的至少一部分。該系統100還包括外殼120，該外殼具有圍繞中央軸線136的側壁122，該外殼對于由電磁輸出裝置102提供的電磁輻射是透明的。電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108設置在外殼120內，使得電磁輸入108位于電磁輻射的第二束126的第二束路徑124外部，第二束126由第一束104在側壁122上的鏡面反射128限定。采掘機3還可以包括數據端口40以至少基于所確定的距離輸出采掘機3到物體7的相對位置數據。數據端口40可提供到采掘機3的部件或采掘機3的外部的部件的輸出。

采掘機3——具有測距系統100——有利地消除或減小第一束104的鏡面反射128的消極影響，該鏡面反射會使電磁輸入裝置108炫目，提供錯誤的讀數，減小電磁輸入裝置108的效力或壽命，和/或以其他方式影響測距系統100的距離確定。

在一個實施例中，物體7可以是礦區的壁12的巖石面的特征。在另一個實施例中，物體7可以是作為標記提供的反射體。測距系統100可以也允許確定采掘機3和物體位置之間的方向(即，相對方位)。因此，在一個實施例中，相對位置數據可包括采掘機3和物體7的物體位置之間的距離和相對方向(例如，用極坐標系統限定)。應理解，相對位置數據可以以其他方式表達，比如在笛卡爾系統中。

采掘機3可以用處理設備9基于采掘機3到物體7的已確定的相對位置數據以及物體7的物體位置確定采掘機3的第一位置。在一個實施例中，物體7的物體位置是已知的，且該已知位置可從數據存儲器213中找回。

采掘機3可以還包括第一傳感器系統5以基于航跡推算法確定采掘機3的移動數據。在一些實施例中，第一傳感器系統5可包括加速計和陀螺儀以提供線和角加速度(或可選擇地，位移)數據以允許基于航跡推算法來確定移動數據。這可以包括慣性導航系統。第一傳感器系統5可包括用于確定已行進的距離的里程表以及用于確定采掘機3的方向的指南針(比如基于磁力計輸出的數字指南針)。

參照圖1，采掘機3可以首先用測距系統100確定第一位置30。采掘機3可以隨后沿著路徑10行進。第一傳感器系統5可基于車輛從第一位置30沿著路徑10的相對位移的航跡推算確定采掘車3的移動數據。處理設備9可隨后基于第一位置30和基于航跡推算的采掘機3的移動數據來確定采掘機3的第二位置。

這允許采掘機3在確定第一位置(該第一位置是基于測距系統100確定的)之后確定車輛3的第二位置32。它還允許采掘機基于相對位置數據的隨后輸出確定隨后的位置確定之間的位置(例如在到測距系統100的距離確定之間)。

采掘機3——基于相對位置數據確定位置——可以比具有僅依賴于航跡推算法的系統更精確地確定位置。采掘機3的構造可比其他系統更有優勢，因為測距系統100可允許在不需要將昂貴的標識符定位在參考位置的情況下確定相對位置數據。例如，已知的系統可包括使用射頻識別技術(已知為RFID)，射頻識別技術需要將RFID標簽預定位在已知位置。為了給車輛提供位置數據，車輛可裝備有讀取器，使得當車輛更緊密接近時，讀取器可能夠閱讀與已知的位置相關的RFID標簽。這樣已知的技術可導致成本，比如預定位RFID標簽的勞動以及設備本身的成本。此外，一些RFID標簽是被動的應答器，所述應答器需要相應的讀取器位于一定的操作距離內。其他系統可基于光讀取器，比如具有預定位條形碼的系統，由此條形碼掃描器用于確定靠近車輛的特定的條形碼。然而，灰塵和其他干擾物會降低此類系統的效力。已知的系統和方法包括國際公開WO2005/003875(SANDVIK TAMROCK OY)的主題。

包括測距系統100的采掘機3的構造可包括一個或更多密封元件130，密封元件130與側壁122一起將外殼120的內側從外殼120的外側密封。此構造可有利地阻止外殼120外側的氣體由點火觸發器進行的點燃影響外殼的內側。

采掘機3可以為連續采掘機或長壁采掘機。

監測采掘機的位置的方法

現在將參照圖3描述監測采掘機3的位置的方法9100。

該方法包括從采掘機3中的數據端口40接收采掘機到物體7的相對位置數據的接收步驟9110。

該方法還可以包括基于接收到的采掘機3到物體7的相對位置數據和物體位置而確定采掘機3的第一位置30的確定步驟9112。這可在圖1中示出為采掘機3在第一位置30。該方法9100還可以包括從數據存儲器213中接收在數據存儲器中的與物體7相關的物體位置數據的接收步驟9114，其中確定第一位置的確定步驟9112還基于接收到的與物體7相關的物體位置數據。在一個實施例中，物體位置數據可表示為物體7的絕對位置。

該方法還包括接收9120第一傳感器系統5的輸出，該輸出表示基于航跡推算法的采掘機的移動數據。這可以隨著采掘機3沿著路徑10行進(如圖1所示)而發生。

該方法還包括基于采掘機3的相對位置數據和基于航跡推算法的采掘機的移動數據確定9130采掘機3的第二位置32。采掘機的第二位置32在圖1中示出。

確定9130第二位置的步驟還可以基于采掘機3的第一位置30。例如，第二位置可通過首先確定第一位置30并且基于沿著從第一位置30到第二位置32的路徑10的移動數據確定第二位置32來確定。

確定采掘機3的第二位置32的步驟9130還可以基于采掘機3的起始位置數據。起始位置數據可以為用于采掘機3的已知起始位置，比如礦中的預測量位置。

用于確定隧道中的結構變化的方法

現在參照圖4、圖5a和圖5b描述確定隧道9251中的結構變化的方法9200。

圖5a示出了隧道9251的豎直剖面圖。如實線所示那樣，隧道9251包括頂9253、側壁9255，9257和地面9259。圖5a還示出了具有夸大的收斂行為的隧道9251，該收斂行為表示由虛線9265表示的結構變化。虛線9265示出了側壁9255，9257的變型和頂9253的形狀的大致變化。地面9259也可以變化。可以看到最高角落9261通常由周圍地層支撐。另一方面，側角落9263變型。由于從相鄰直立壁9257移除材料，該結構變化會產生。因此可以看見隧道9251的輪廓已變化，這可能表示對人員和采煤裝備有危險。圖5a示出的收斂可以表示礦煤(或其他材料)中的地層塌陷。該收斂是隧道9251的表面的結構變化。圖5b示出了采掘機3，該采掘機具有穿過隧道9251行進的測距系統100。

現在將描述該方法9200的步驟。

該方法9200包括接收隧道9251的第一輪廓掃描的接收步驟9210，其中，所述第一輪廓掃描是基于已接收的多個相對位置數據。第一輪廓掃描可表示在環境的三維點云中。替代地，該輪廓掃描可由多個剖面圖表示，比如圖5a中的豎直剖面圖。在一個實施例中，隧道9251的第一輪廓掃描可提供隧道的輪廓，該輪廓以頂9253、側壁9255，9257和地面9259的實線示出(即，隧道9251沒有收斂行為)。

該方法9200還包括將第一輪廓掃描存儲在數據存儲器213中的存儲步驟9200(如下論述)。

方法9200包括隨后接收9230隧道9251的第二輪廓掃描，其中，第二輪廓掃描是基于從同樣的采掘機3或不同的傳感器系統接收多個相對位置數據。作為實施例，隧道9251的第二輪廓掃描出現在隧道的收斂行為之后。因此，第二輪廓掃描可提供虛線9265所示的輪廓。

方法9200還包括處理第一輪廓掃描和第二輪廓掃描以確定與隧道輪廓中的變型相對應的隧道表面上的任意結構變化的處理步驟9240。參照圖5a，顯然第一輪廓和第二輪廓中存在區別(這可以是頂9253、側壁9255，9257和地面9259的實線相比于虛線9265之間的區別。)。

有利地，方法9200可允許確定結構變化，比如生存，這可以是維護或安全問題。應理解，第二輪廓掃描(或一個或更多個隨后的輪廓掃描)可以被存儲在數字存儲器213中，使得可在更晚的時間執行處理步驟9240。

在一些實施例中，輪廓掃描可以被存儲以隨著時間的過去確定結構變化。源自輪廓掃描的信息可用于給隧道分配資源，比如維護資源。它還可以用作安全系統的一部分以確定不安全情形或潛在的不安全情形。

在一些實施例中，該方法可由分布式網絡元件執行。例如，第一采掘機3可穿過隧道9251，由此第一采掘機將第一輪廓掃描(或多個相對位置數據)發送到數據存儲器。第二采掘機可以在隨后的時間穿過隧道9251，由此第二采掘機將第二輪廓掃描(或多個相對位置數據)發送到該數據存儲器或另一個數據存儲器。處理設備可隨后從該數據存儲器或另一個數據存儲器接收第一和第二輪廓掃描并確定任何結構變化。

應理解，該方法可被改進。可用于本實用新型的采掘機3的監測和確定結構變化的方法的一個實施例在PCT/AU2005/001039(COMMONWEALTH SCIENTIFIC AND INDUSTRIAL RESEARCH ORGANISATION)中公開((公開號為WO2007/009149)，該文獻通過引用納入本文。

采掘機3的部件的詳細描述

現在將描述采掘機3的細節。

采掘機3的類型

有廣泛種類的采掘機3，種類依賴于礦的類型、材料、采掘機3在礦中的功能以及其他。采掘機類型包括長壁采掘機、連續采掘機。其他采掘機包括車輛，比如卡車、鉸接式自卸車、裝載機、推土機等。

長壁采掘機

長壁開采典型的用于開采煤。長壁開采可利用一個或更多采掘機3，比如如下討論的采區順槽穿越結構6309或截煤機6301。

圖6是示意圖，示出了長壁地下煤開采操作的3D斷面圖(不成比例)。這里，提供有長壁截煤機6301，該長壁截煤機從一側到另一側在煤層6305中穿過煤炭板6303。在煤層6305的每一側上提供有已知為采區順槽6307的矩形巷道。采區順槽6307切入巖層和/或煤層6305，使得采區順槽6307的方向和尺寸與精確的參數(比如尺寸和3D定位和方向)保持一致。典型地，采區順槽6307彼此平行延伸。采區順槽穿越結構109被提供在一個或兩個采區順槽6307中。機械聯接機構6311連接采區順槽穿越結構6309和截煤機6301。典型地，機械聯接機構6311是軌道裝置，截煤機6301能夠在該軌道裝置上行進。

采區順槽穿越結構6309形成與采礦關聯的采掘機設施的一部分，且采區順槽穿越結構6309在采區順槽6307中采用特定的后退位置。截煤機6301沿著形成機械聯接機構6311的軌道裝置向后和向前行進。隨著截煤機6301移動，煤從煤炭板6303移除。在截煤機6301從煤炭板6303的一側行進到另一側后，使采區順槽穿越結構6309在箭頭6313的方向后退，從而將截煤機6301帶到位置以從煤炭板6303的新鮮面進一步采煤。重復以上過程，推進面，直到煤層6305被移除。

采區順槽6307可以至少最初以隧道的形式。如在此所述，位于地下的隧道9251可以易遭受收斂行為。因此，在一個實施例中，采區順槽穿越結構6309——作為采掘機3——可包括如這里所述的測距系統100。有利地，這可以允許在方法9100中監測穿越結構6309的位置，和/或促進在采煤操作中確定隧道9251中的結構變化的方法9200。

連續采掘機

“房柱法”系統是另一個用于采礦的技術，該技術可用于煤礦開采。這可以包括從煤層移除煤炭(其變成“房”)，同時在原位留下煤層的多個部分(“柱”)以支撐覆蓋頂材料。

用于房柱系統的典型的機器為連接采掘機，如圖7所示。連續采掘機7301包括具有多個切割齒7305的旋轉鼓7303。切割齒7305與煤層的壁接合以從煤層的煤炭面將煤刮掉。在連接采掘機7301的前部7309處的碎煤隨后由傳送機7307向連續采掘機7301的后部7311傳送。連續采掘機7301還可以包括為了機動性的連續履帶7313。因此，連續采掘機7301可以刮煤、運煤(通過傳送機)以及使自身移動。

連續采掘機7301可移動穿過易遭受收斂行為的房(所述房被認為是隧道)。因此，在一個實施例中，連續采掘機7301可裝備有如此所述的激光測距系統100。有利地，這允許在方法9100中監測連續采掘機7301的位置和/或促進在采礦操作中確定房(比如隧道9251)中的結構變化的方法9200。

第一傳感器系統5

第一傳感器系統5可包括傳感器以確定采掘機3的移動數據。第一傳感器系統5可包括傳感器以確定移動數據，這可包括確定比如線加速度和角加速度、速度(和/或速率)、位移和取向的參數。這些參數可轉而用于基于航跡推算法確定移動數據，比如采掘機的位移(從前一個位置)。應理解，時鐘和時間信息也可以用于確定移動數據。

傳感器可包括加速計、陀螺儀、磁力計、速度計、里程計等。應理解，來自采掘機3的其他部件的輸出也可以幫助第一傳感器系統5基于航跡推算法確定移動數據。例如，采掘機可提供表示車輪的轉向角的輸出，該轉向角可用于確定移動方向。

在一個實施例中，第一傳感器系統5包括慣性測量單元以提供關于在一個或多個軸線上的線加速度和角速率的輸出。慣性測量單元還可以包括傳感器以輸出取向信息，比如來自磁力計。一個慣性測量單元的實施例由LORD MicroStrain以商標3DM-GX4-25提供，這包括三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計。來自慣性測量單元的輸出可與時間信息結合以確定移動數據。

第一傳感器系統5的另一個實施例可包括傳感器以提供方向信息(比如磁力計，或從陀螺儀獲取)。該傳感器系統還可以包括里程計。因此，移動數據可通過將方向信息和里程計輸出結合而確定。

處理設備、計算機系統和網絡

圖8a示出了在采掘機3中的連接系統的示意圖。采掘機3包括處理設備9，在一個實施例中，該處理設備是計算機系統205(下面詳細描述)。測距系統100可通過數據端口40輸出相對位置數據到計算機系統205。計算機系統205還可以也與第一傳感器系統5通信以接收采掘機3的移動數據。采掘機3的致動器8201，比如推進(例如動力系)和轉向系統，也可以與計算機系統205通信。網絡接口8203，比如無線通信網絡接口，被提供為促進采掘機3和網絡8205之間的通信。

計算機系統205的一個實施例(在圖15中所示)包括處理器209，處理器209連接到程序存儲器211、數據存儲器213和通信端口207。程序存儲器211是非暫時性計算機可讀介質，比如硬盤、固態硬盤或CD-ROM。

存儲在程序存儲器211上的軟件(其是可執行程序)使處理器209執行任務，比如基于相對位置數據、移動數據或物體位置確定采掘機3的第一和第二位置。

處理器209可以將相對位置數據(包括確定的距離114)、移動數據、輪廓掃描數據、環境條件、時間和日期、物體位置(比如物體的絕對位置)、與物體相關的其他信息(例如物體的表面輪廓)等存儲在數據存儲器213中。可找回在數據存儲器213中的信息以用于之后的分析。

參照圖8b，采掘機3可與通信網絡8205通信。其他網絡元件可包括與采掘機3通過網絡8205通信的監測設備8207和網絡數據存儲器8209。應理解，圖8b僅是個示例性實施例且也可以使用其他的網絡元件構造。進一步的，采掘車3可具有不止一個計算機系統205和/或其部件。

采掘機3可通過通信網絡8205發送得自測距系統100、第一傳感器系統5的數據和/或來自計算機系統205的其他信息。采掘機3也可以通過通信網絡8205接收來自監測設備8207和/或網絡數據存儲器8209的數據。有利地，通信網絡8205可允許分享來自網絡元件中的一個元件的數據。舉例來說，確定結構變化的方法9200可由監測設備8207基于來自一個或更多的采掘機的第一和第二輪廓掃描來執行。如果例如，路線被大量的采掘機頻繁的使用而每個采掘機會不頻繁地使用同一路線，這可以提高結構變化的檢測。

測距系統100

測距系統100可基于確定的到物體7的距離提供相對位置數據。測距系統100還可以提供到物體7的方向信息。到物體7的距離和方向可隨后用于獲取采掘機3和物體7之間的相對位置數據。如上所述，測距系統100可用于檢測物體7，比如礦的壁12。促進對采掘機(3)的導航和避免與壁12和/或其他采掘裝置的疏忽碰撞在采掘機(3)在礦中運行期間是重要的。

在一個實施例中，在采掘機3中的測距系統100可執行周圍環境的即時定位與地圖構建(SLAM)。這可以允許采掘機3以為未知的周圍環境“創建地圖”。

測距系統100還可以用于檢測在周圍的其他物體7，這包括其他采掘機3或甚至采掘機本身的部件。例如，在長壁采煤中，機械聯接機構6311，比如軌道，需要隨著采區順槽穿越結構6309被驅使后退而移動。軌道需要被定位在特定的位置以確保采煤的最佳效率。因此，在一個實施例中，激光測距系統100可用于確定機械聯接機構6311的至少一部分的位置。這可以是機械聯接機構6311的相對和/或絕對位置。所確定的位置可隨后用于確定機構聯接機構6311是否需要向特定的位置移動。

現在將參照圖2和圖9大致描述測距系統100的實施方式。

圖9是提供在采掘機3上以確定相對于環境1的距離信息的測距系統100的簡化圖。環境1包括在測距系統100的視線內的物體7’，7”，7”’。測距系統100可轉向到方向A以確定采掘機3和第一物體7’之間的第一距離15，由此第一物體7’在相對于采掘機3的第一方向A上。類似地，測距系統100可轉向以以確定到第二物體7”的方向B上得第二距離17。在一個物體上也可以做多次距離確定，如在第三物體7”’上的方向C和D上的第三和第四距離18和19所示。可以在多個方向上做多次距離確定，且距離信息結合起來以提供環境的輪廓信息，比如在三維點云中。在一個實施例應用中，物體7”’是在地下煤礦中的煤炭面。提供輪廓信息(即使用這里公開的測距器為煤炭面的表面構建地圖)具有如下優勢：更少的人員進入礦的未支撐部分且可更有效地控制機械。

參照圖2，測距系統100還包括第一支撐元件132，第一支撐元件132能在外殼120中圍繞第一旋轉軸線134旋轉。電磁輸出裝置102由第一支撐元件132支撐，使得第一支撐元件132的旋轉使由電磁輸出裝置102提供的第一束104轉向。這允許測距系統100使第一束104轉向以在多個方向上確定距離。第二支撐元件140設置在電磁輸出裝置102和第一支撐元件132之間，且第二支撐元件140能圍繞第二旋轉軸線142旋轉以提供更多的自由度以使第一束104轉向。在示出的實施方式中，該構造避免了第一束的鏡面反射128在第一支撐元件132圍繞第一旋轉軸線134旋轉的全部360度內使電磁輸入裝置108炫目。

現在將詳細地論述測距系統100的部件。

第一和第二支撐元件

現在將參照圖10至圖12描述第一支撐元件132和第二支撐元件140。第一支撐元件132可旋轉地支撐第二支撐元件140。第二支撐元件140轉而可旋轉地支撐電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108。

第一支撐元件132能圍繞第一旋轉軸線134旋轉，以提供方位方向φ以使電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108轉向。在一個實施方式中，第一支撐元件132能圍繞整個360度旋轉以允許測距系統100進行多次距離測量以掃描周圍環境。

第一支撐元件132操作性連接到致動器203(如圖15所示)以旋轉第一支撐元件132，被支撐的第二支撐元件140、電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108一起旋轉。在一種形式中，致動器是馬達，比如步進馬達，該馬達從控制器模塊201接收致動輸入。致動器可運行以直接致動第一支撐元件132(比如直接驅動)，或間接地致動第一支撐元件132，比如通過齒輪機構或帶傳動。在一種形式中，齒輪機構或帶傳動提供驅動轉速減小以允許第一支撐元件132以更大精度運動。

第二支撐元件140能圍繞不同于第一旋轉軸線134的第二旋轉軸線142旋轉，以給被支撐的電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108提供更多的自由度。第二支撐元件140支撐從第一旋轉軸線134偏移的電磁輸出裝置102，從而從電磁輸出裝置102到側壁122的第一束路徑不與第一旋轉軸線134相交。這種構造連同同軸的第一旋轉軸線和中央軸線136一起提供束路徑106，束路徑106具有與圓柱形側壁122的入射角，該入射角既不為零度也不接近零度。換句話說，束路徑106不沿著圓柱形側壁122的表面法線111，如圖12所示。從而，第一束104在圓柱形側壁122上的鏡面反射128提供第二束路徑124遠離電磁輸出裝置102指向的第二束126，且更重要的是，第二束路徑124遠離與電磁輸出裝置102接近的電磁輸入裝置108。

此外，優選地，束路徑106可具有與圓柱形側壁122的入射角，該入射角既不為90度也不接近90度。大角度會導致電磁輻射的顯著鏡面反射，從而減少將由電磁輸入裝置108接收的電磁輻射110。

在一種形式中，電磁輸出裝置102由第二支撐元件140支撐，使得由電磁輸出裝置102提供的第一束104基本垂直于第二旋轉軸線142。

在一個實施方式中，第二旋轉軸線142垂直于第一旋轉軸線134。第二支撐元件140提供電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108相對于與第一旋轉軸線134垂直的水平面138的仰角θ的調節。第二支撐元件140的移動可通過致動器203，比如上述的那些。

第一支撐元件132和第二支撐元件140通過能圍繞不同軸線134，142旋轉而允許使電磁輻射的第一束104轉向。應理解，在其他實施方式中，第二旋轉軸線142不需要垂直于第一旋轉軸線134以提供另外的自由度。然而，這些旋轉軸線的垂直設置可有助于容易控制和計算第一束104的方向。

電磁輸出裝置和電磁輸入裝置

電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108能操作以提供飛行時間信息以允許確定距離。在一種形式中，電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108基本位于一處(或彼此鄰近)而電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108由第一支撐元件132和第二支撐元件140在相同方向上導向。通常，這包括朝向物體7導向電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108，盡管一些變化可被包括以考慮折射、位移或其他對準，這些將在下面詳細討論。

在一種方式中，電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108是以激光測距儀的形式。因此，電磁輸出裝置102可以以激光發射器的形式，該激光發射器發射一個或多個激光脈沖用于第一束104。電磁輸入裝置108可以以光傳感器的形式，該光傳感器對激光敏感。激光發射器的一個實施例可以包括激光二極管。激光的波長可包括850nm、905nm、1535nm。在一種形式中，激光的功率輸出被控制以保證激光輸出符合安全要求，比如為眼安全激光和/或防止激光變成點火觸發器。在一種形式中，激光和外殼120中的其他組件(比如馬達、致動器、光傳感器、控制器、無線電通信模塊等)的聯合功率小于6W。在一個實施例中，來自裝置的有效輻射功率(9kHz至60GHz)優選不超過10W，更優選地不超過6W且甚至更優選地不超過4W。優選地，激光具有不超過1W且更優選的不超過150mW的有效輻射功率。在特定的實施方式中，裝置符合IEC 60079-0：2011的有效輻射功率(9kHz至60GHz)，優選用于第I組氣體(例如用于煤開采環境)。

為了提供距離確定，激光脈沖(在第一束104中)由電磁輸出裝置102提供，激光脈沖穿過外殼120的側壁122朝向物體7行進。該光從物體7反射，并被反射的激光110中的至少一些穿過側壁122向回朝測距系統100行進，以由電磁輸入裝置108接收。在光脈沖的電磁輸出裝置102和接收反射的電磁輸入裝置之間的飛行時間用于確定距離。對于電磁輸出裝置102位于電磁輸入裝置108附近的系統100，距離或該距離的至少近似值，可由如下公式確定：

距離＝(飛行時間×光穿過介質的速度)/2 (公式1)

應理解，此公式可改變以考慮已知的變量或常量。例如，穿過外殼120行進的第一束104的激光可以小于穿過空氣的光速的速度行進。變化可包括計算對于穿過側壁122行進的光脈沖的時間延遲。在一個形式中，可使用側壁122的平均厚度。在另一個形式中，束104不得不在電磁輸出裝置102的給定取向上穿過外殼行進的距離被使用。在另一個實施例中，一個或多個部件的響應時間可能存在延遲。這可以通過修改公式1或通過系統100的校準來考慮。

在一個形式中，電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108被容納于殼體(未示出)內。殼體連同被容納在該殼體中的電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108由第二支撐元件140支撐。因此，當第一支撐元件132和第二支撐元件140旋轉時，殼體(連同電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108)也旋轉。殼體被密封以減小灰塵污染。在進一步的實施方式中，殼體被密封以減小殼體內部的點火觸發器點燃殼體外部的氣體(或其他易燃材料)的風險。這提供額外于通過密封的外殼120提供的更多層安全。在另一種形式中，殼體還可以包括覆蓋電磁輸入裝置108的濾波器，該濾波器允許反射的電磁輻射110的波長透射，但吸收或反射一個或更多其他波長。

激光測距系統100的一個實施例可包括能夠購買的激光測距儀或其部件。激光測距儀單元的一個實施例包括由Hokuyo Automatic Co.Ltd提供的型號為UTM-30LX的激光測距儀單元。該激光測距儀單元包括具有905nm波長的激光的電磁輸出裝置102和被轉向以提供270度水平掃描范圍的電磁輸入裝置108。該激光測距儀單元具有用于與控制器模塊201接合的通用串行總線接口。

在以上提到的實施例中，電磁輸出裝置102包括輸出在紅外光譜中的電磁輻射的激光測距儀。然而，應理解，也可以使用其他波長，包括在可見光和/或紫外線光譜中的電磁輻射。進一步地，在一些替代方式中，在電磁光譜中的其他波長可以是合適的。

外殼

在圖2示出的實施方式中，外殼包括側壁122和密封元件130，密封元件130為圓形蓋133的形式，被接收在側壁122的頂部。還設置基底(未示出)的形式的密封元件130，以與圓柱形側壁122的底部接合。基底可以為采掘機3的本體的一部分(或本體的延伸部)。

在所示的實施方式中，側壁122是彎曲的側壁，該側壁圍繞中央軸線136延伸以形成圓柱形側壁。在該實施方式中，壁圍繞中央軸線136延伸360度。這促進測距系統100(特別是設置在第一支撐元件132上的電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108)在多個方向上進行掃描。在一個實施方式中，這允許第一支撐元件132圍繞測距系統100旋轉并掃描整個360度。

在一個實施方式中，第一旋轉軸線134同軸于圓柱形側壁122的中央軸線136。該設置可實現測距系統100的簡化計算和/或校準。特別地，它能夠簡化當第一束穿過圓柱形側壁122時第一束104的方向變化或位移的計算(和/或校準)，因為第一束104和表面法線111之間的角度獨立于方位方向φ。

在一個替代的形式中，側壁122可包括多于一個單獨彎曲的表面或面并且可能為其他形狀。圖17(a)至圖17(d)示出了外殼120的替代形式。圖17(a)示出了具有彎曲側壁122的外殼，該彎曲側壁至少部分是類似于圓錐的表面的彎曲側壁。圖17(b)示出了具有多面的側壁122，該側壁類似于六邊形棱柱。圖17(c)示出了又一個替代的外殼120，該外殼具有平面側壁122以形成類似于四角錐形的外殼。圖17(d)示出了另一個實施方式，其中外殼120包括半球形側壁122。

如上所述，密封元件130和圓柱形側壁122的構造使外殼120的內部從外殼120的外部密封。在一種形式中，該密封是阻止或基本阻止氣體在外殼120的內部和外部之間轉移的氣密封。該氣密封阻止或減小在外殼120內的點燃觸發器(比如電火花)傳播和導致外殼120外部的氣體點燃的風險。當測距系統100用在具有可存在于地下煤礦中的易燃燃料(例如烴氣(比如甲烷))、煤塵等的環境中時，這是有利的。

應理解，在其他實施方式中，由密封元件130與圓柱形側壁122形成的密封可能不是完美的氣密封。在一種形式中，密封130和圓柱形側壁122之間的緊配合可以提供有效的阻攔以防止火焰或其他點燃觸發器從外殼120內部傳播到外殼120外部。在一個實施例中，一個或多個間隙可存在于圓柱形側壁122和密封元件130之間。替代地，圓柱形側壁122和/或密封元件130可包括一個或多個間隙。在一種方式中，該一個或多個間隙和外殼120通常滿足防火外殼的構建要求，例如IEC 60079-0 ED.6.0b：2011和IEC 60079-1Ed.7.0 b：2014或這里討論的一個或多個其他標準。

在示出的實施方式中，密封元件130可移除地連接到圓柱形側壁122。這允許接近部件以及對部件進行維修，所述部件比如未在外殼120內的電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108。在另一個實施方式中，密封元件130可永久地連接到圓柱形側壁122以保持密封的整體性和/或防止或減小損害外殼120和外殼中的部件的可能性。在又一個實施方式中，一個或更多的密封元件130——比如圓形蓋133或基底134——可與圓形側壁122一體形成。

在一些實施方式中，密封元件130至少部分由鋼或工程級塑料形成。密封元件130可由一種材料形成，或由一種材料覆蓋，該材料對于來自電磁輸出裝置102的電磁輻射的波長無反射或基本無反射。這減小了來自電磁輸出裝置102的電磁輻射在外殼120中反射多次的機會和/或強度，電磁輻射能夠由電磁輸入裝置108接收。

外殼120的側壁122由挑選為充分透明的材料制造以允許來自電磁輸出裝置102的電磁輻射的波長透射。在一個實施例中，該材料包括對由激光發射器產生的光的波長透明的玻璃，在本文中“透明”的意思是可能有一些輻射衰減，但被透射的輻射的強度足夠允許檢測到從物體反射的輻射。

圓柱形側壁122的材料可對于除電磁輸出裝置102的波長之外的波長是透明的。在一個實施方式中，期望的是，排除這些其他波長被電磁輸入裝置108接收。這可以包括在圓柱形側壁122上提供涂層，該涂層反射其他波長以防止在外殼120外部的此類電磁輻射進入外殼并被電磁輸入裝置108接收。替代地，圓柱形側壁122可設有涂層以吸收此類其他波長。在另一個實施方式中，外殼可由對一個或更多的其他波長固有不透明的材料構成。在又一實施方式中，可在外殼的外部或者在外殼的內部提供濾波器，以過濾掉或減小此類其他波長的強度以免被電磁輸入裝置108接收。

在測距系統100的一個實施例中，圓柱形側壁122由厚度大約為10mm的硬質玻璃形成。圓柱形側壁122的內部直徑具有150mm的半徑。該實施例包括從第一旋轉軸線134(和中央軸線136)偏移30mm的電磁輸出裝置102，且電磁輸出裝置102在基本垂直于第二旋轉軸線142的方向上提供第一束104。這些尺寸提供了第一束104，第一束104以遠離表面法線111的角度入射在側壁122上。優選地，側壁122的表面應該光滑和連貫以防止或減小在束中的扭曲。

參照測距系統的運行波長，側壁優選地擁有以下光學屬性：

·側壁的內部表面具有優選地不超過10％，更優選地不超過5％且甚至更優選地不超過2％且更更優選地不超過1％的鏡面反射(在5度入射角時測量的)；且

·側壁的透明度(在5度入射角時測量的)是這樣的，運行波長的至少90％透射，更優選地95％透射和更更優選地98％透射。

低內部反射和高透射的結合促進了極好的測距儀性能和可靠性。低內部反射可通過使用防反射涂層，比如從DSM(荷蘭)買到的Claryl^TM。

隨著第一束在第一支撐元件(132)和第二支撐元件(140)的旋轉時被轉向，側壁122的透明度可允許第一束以多位置(和方向)穿過側壁122。這可以相比于具有孔(或窗)的側壁122，所述孔(或窗)可以僅允許第一束在側壁的特定局部位置(即，在孔)穿過，這可以限制使第一束轉向的能力。

控制器模塊、計算機系統和顯示器

圖15示出了測距系統100的實施方式，測距系統100還包括控制模塊201以提供輸入到致動器203以操作性移動第一支撐元件132和第二支撐元件140，從而轉向電磁輸出裝置102的第一束104。這允許對周圍環境中的一個或更多的物體7進行多個距離確定。控制模塊201也與電磁輸出裝置102連接以控制第一束104的生成，比如提供命令以操作性生成激光脈沖。此外，控制模塊201與電磁輸入裝置108連接以接收來自電磁輸入裝置108的信息，比如來自光傳感器的信息。在一種形式中，控制器201包括計時模塊(未示出)以確定飛行時間，基于從激光束從電磁輸出裝置102行進到由電磁輸入裝置108接收反射光110的時間的時間差。在一種形式中，計時模塊包括振蕩石英，且控制器對在生成激光束和接收來自光傳感器的信號之間的振蕩的數量計數。控制器隨后用一個常數乘以計數的數量以確定距離。例如，振蕩頻率可以為256MHz，這導致1.17m的分辨率。

在一種形式中，控制器模塊是由Atmel制造的ATmega640微控制器。

計算機系統可以與控制器模塊201通過通信端口207通信。計算機系統可以為如上所述的計算機系統205或另外的計算機系統。

在該計算機系統中，存儲在程序存儲器211上的軟件會使處理器209執行任務，比如確定物體7到測距系統100(和因此采掘機3)的距離、物體7到測距系統100的相對取向、物體的相對位置和/或物體7的表面上的一個或更多點的絕對位置。此類信息可以基于從控制器模塊201接收的飛行時間信息和涉及電磁輸入裝置102的取向、轉向的束104和/或到致動器203的控制輸入的信息來確定。

另外的任務可包括處理器209指揮控制模塊201以在選擇的時間在選擇的區域上執行掃描(由多次距離確定)。這可以包括特殊的指令以操作致動器203和電磁輸出裝置102。

處理器209可隨后將物體7到測距系統100的距離和其他信息存儲在數據存儲器213中，所述其他信息比如為測距系統的位置、環境條件、時間和日期、激光束的飛行時間信息、確定電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108的取向的信息以及采掘機3的位置。在數據存儲器213中的該信息可找回以對圍繞測距系統100的環境進行分析或地圖構建。

在另一實施方式中，處理器可以執行基于多個距離確定和距離確定的相應方向生成周圍環境的三維圖像的方法。在一種形式中，圖像被存儲在數據存儲器213中。在又一實施方式中，周圍環境的圖像在視覺顯示器216上直觀地表現給用戶。這可以包括三維點云。

測距系統的操作以避免鏡面反射干涉第二輸入

現在將討論測距系統100的實施方式的操作。測距系統100能操作成提供在圍繞中央軸線136的整個360度弧線中對圍繞測距系統100的物體7的掃描。這通過圍繞第一旋轉軸線134將第一支撐元件132旋轉到選擇的方位φ實現。測距系統100也能操作成通過圍繞第二旋轉軸線142旋轉第二支撐元件140來在不同傾斜角θ進行距離確定。這在圖16(a)至圖16(c)所示的實施方式中示出，所述圖示出了第一束104的傾斜角范圍，該傾斜角范圍包括從水平面138大致為+/-40度的傾斜角。然而，應理解，其他實施方式可包括以從水平面比40度更多或更少的傾斜角轉向。

因此，在使用期間，測距系統100在多個方向上指引第一束，該第一束必須穿過外殼120被傳送到多個各自位置。有利地，測距系統100將第一束104指引到側壁122，以避免第一束104的鏡面反射128使電磁輸入裝置108炫目。

參照圖11和圖12，通過將第一束104從電磁輸出裝置102指引到以明顯遠離表面法線111的角度入射在側壁122上來實現此。結果，第一束104的鏡面反射128——示為沿著第二束路徑124的第二束126——被指引遠離電磁輸入裝置108(和鄰近定位的電磁輸出裝置102)。

在圖11和圖12所示的實施方式中，第一束104到側壁122的入射角一直遠離表面法線111，無論方位取向(從第一支撐元件132圍繞第一旋轉軸線134的旋轉)或或傾斜角(從第二支撐元件140圍繞第二旋轉軸線142的旋轉)如何。這通過提供電磁輸出裝置102(和對應的第一束路徑106)從基本圓柱形側壁122的共同的第一旋轉軸線134和中央軸線136偏移而實現。

關于上述實施方式，應理解，以接近但不完全在表面法線111上的角入射在側壁122上的第一束104仍然能夠提供能夠影響電磁輸入裝置108的鏡面反射。例如，具有到側壁111為1或2度入射角的第一束104會向回朝電磁輸出裝置102和鄰近定位的電磁輸入裝置108反射大量的電磁輻射。然而，在一些實施方式中，期望的是，第一束104到側壁122的入射角大于5度。在另一實施方式中，入射角為至少10度。在又一實施方式中，入射角為至少12度或至少15度或至少20度。更大的入射角會有利于通過使第二束126遠離電磁輸出裝置102和位于一處的電磁輸入裝置108而減小第二束126的電磁輻射對電磁輸入裝置108的影響。

在一個實施方式中，第一支撐元件132連同測距系統100的其他支撐部件一起以大約于0.25轉每秒旋轉。第二支撐元件140連同被支撐的電磁輸出裝置108和電磁輸入裝置102一起可以以大約40轉每秒旋轉。支撐元件132，140的連續旋轉允許測距系統100產生多個距離確定。應理解，也可以使用其他旋轉速度。

在一個實施方式中，第一支撐元件132和第二支撐元件140能圍繞各自的軸線可旋轉到360度或更多。這允許確定物體7上的點與電磁輸出裝置102的兩個或更多構造的距離。這允許對物體表面或環境的距離的多余測量裝置或立體測量置。這在圖20中示出：電磁輸出裝置3102’的第一構造提供了朝向物體7上的點3112的相應的第一束3104’。反射電磁輻射(未清楚的示出)隨后由電磁輸入裝置3108’接收。電磁輸出裝置和電磁輸入裝置能夠隨后通過支撐元件的移動被移動到第二構造。在第二構造中，電磁輸出裝置3102”提供了朝向物體上的相同點3112的相應的第一束3104”。反射輻射隨后通過電磁輸入裝置3102”被接收。

以上描述的實施例是一個解決方案，且應理解，在其他實施方式中，也可以使用不同的構造以提供以導致鏡面反射128的角度入射在側壁122上的第一束104，鏡面反射128是被朝向電磁輸入裝置108指引的第二束126。例如，在一個替代方式中，電磁輸出裝置102是第一反射體(例如，鏡子或棱鏡)，該第一反射體使來自激光發射器的激光改向以在第一束路徑106上提供第一束104。在另一實施方式中，電磁輸入裝置108包括第二反射體，該第而反射體使被反射的激光110改向到一個或更多的光傳感器。在這個實施方式中，一個或更多的第一反射體和第二反射體用來為激光發射器和/或光傳感器提供偏移以防止第二束124使光傳感器炫目。這些替代方式的實施例如下所述。

應理解，處理在此描述的特殊的實施例之外，其他設置可以實現第二電磁輸入(108)被定位在電磁輻射的第二束(126)的第二束路徑(124)外部的結果。這樣的其他設置可通過指定來自電磁輸出裝置(102)的多個第一束路徑(106)來設計，可以在測距系統(100)作用期間使用所述多個第一束路徑。從此，各自的多個第二束路徑可以基于來自第一束路徑(106)的鏡面反射計算。設計師因而可以這樣設計測距系統(100)，使得當測距系統(100)被構造為使電磁輸出裝置(102)提供每個各自的第一束(104)時，電磁輸入裝置(108)被設置在每個第二束路徑(124)的外側。

穿過側壁的第一束的折射

如以上記載，基本圓柱形側壁122輔助測距系統100的計算和/或校準。圖13示出了在圍繞第一旋轉軸線134、處于不同的方位角φ’(其為0或未示出)，φ”和φ”’的三個位置的電磁輸出裝置1102’，1102”，1102”’的俯視圖。當第一束1104’，1104”，1104”’穿過圓柱形側壁122時，與圓柱形側壁122的材料的折射率相比不同的空氣折射率(在外殼120內和在外殼120外側)導致第一束1104’，1104”和1104”’的折射。這改變了第一束的路徑，這可以包括方向上的改變和/或導致第一束的路徑移動。在圖13中，這由在圓柱形側壁122上入射的第一束1104’，1104”和1104”’示出。透射的第一束1104A’，1104A”和1104A”’的路徑從各自初始束路徑1106’，1106”和1106”’被改變了角α，如圖13所示。由于第一旋轉軸線134和中央軸線136同軸且圓柱形側壁122為基本圓柱性，所述第一束1104的路徑的改變，路徑的至少在垂直于中央軸線134的方向上的分量中的改變，為基本恒定。也就是，對第一束1104A’，1104A”和1104A”’的發射路徑的改變對于如圖6所示的圍繞中央軸線136的方位方向φ是基本相同的(如由角α所示)。

應理解，由角α示出的對路徑的改變不是唯一的，且依賴于材料的屬性和物理構造，對第一束路徑的改變可以包括在束內的位移。在又一替代方式中，被發射的第一束1104A’，1104A”和1104A”’可以具有路徑，該路徑被位移且指引朝向一個與入射束104’，104”和104”’相比不同的方向。應理解，穿過側壁122且由電磁輸入裝置108接收的反射輻射110的路徑能夠通過類似于描述用于第一束1104的原理來計算。

為了清楚起見，在說明書中，圖6中僅描述了束路徑在垂直于中央軸線136的方向上的分量的改變。現在將參照圖14(a)至圖14(c)描述由于電磁輸出裝置102的相對傾斜角θ造成的第一束104的路徑的改變。

圖14(a)示出了在0度傾斜角取向的電磁輸出裝置2102，使得第一束2104’基本平行于與中央軸線136垂直的平面138。在此取向，由于在傾斜角分量中的折射基本為零，發射的第一束2104B’相對于傾斜角分量基本平行并同軸于第一束2104’。

圖14(b)示出了在垂直于中央軸線136的平面138上方以中間傾斜角θ”取向的電磁輸出裝置2102”。在此構造中，發射的第一束2104B”具有相對于第一束2104”改變的路徑，這是因為電磁輸出裝置的傾斜角導致第一束2104”以大于零度的入射角入射在圓柱形側壁122上。發射的第一束2104B”和第一束2104”的偏差示為位移β”。然而，應理解，該偏差不限于位移，而替代地或還可以是如上所述的束路徑的方向的變化。

圖14(c)示出了在垂直于中央軸線136的平面138上方以高傾斜角θ”’取向的電磁輸出裝置2102”’。在此構造中，發射的第一束2104B”’具有相對于第一束2104”’更大的改變的路徑，這是因為電磁輸出裝置的更大傾斜角導致更大的入射角，更大的入射角造成更大的折射和隨之發生的第一束在傾斜角分量上的位移。發射的第一束2104B”’和第一束2104”’的偏差示為位移β”’。在這個實施方式中，β”’比β”大且位移β隨著傾斜角θ的增大而增大。

在一種形式中，第一束的路徑的改變(包括α和β)的計算可通過斯內爾定律(公式2)和相應的折射率一起計算。

其中，θ是從介質1和2之間的邊界的表面法線測量的光的路徑角，

v是在各個介質中的光速，和

n是各個介質的折射率。

在一種形式中，當第一束入射在圓柱形側壁122上時，電磁輸出裝置102的構造提供為避免第一束104的所有內部反射。此構造可以包括提供第一支撐元件132和第二支撐元件130，使得電磁輸出裝置102不會被定向成提供入射角在空氣到側壁、或側壁到空氣、邊界的臨界角之上的第一束104。

測距系統的變型與替換

現在將描述測距系統100的更多的變型和替換。

屏蔽電磁輸入

圖18(a)和圖18(b)示出了電磁輸入裝置308的一個實施方式，該電磁輸入裝置308具有由罩312屏蔽的光傳感器310。在一個實施方式中，罩312為形成通道314的空心管的形式。在使用中，罩312能夠與電磁輸入裝置308的其他部分一起移動，使得通道一般被朝向測距系統100在測距得物體7引導。通道允許來自物體7反射電磁輻射110穿過罩312以被光傳感器310檢測。相反地，罩阻擋來自可選擇的方向的電磁輻射(例如第二束316或第三和隨后的束318)由光傳感器310直接接收。這會有利于防止從側壁122上多次反射的第二束316由光傳感器310直接接收。另外，罩312會遮蔽光傳感器310免除可能影響光傳感器310的其他電磁輻射源，比如光(用于照明)、來自太陽的光、來自反射電磁輻射的多路徑的電磁輻射或來自在該區域中運行的其他測距裝備的電磁輻射。

在一個實施方式中，罩312可包括防反射表面。如圖18(b)中所示，可以包括防炫目擋板320以保護光傳感器310。

灰塵污染測試

在使用中，灰塵或其他污染物會粘附到外殼120上，這會降低測距設備100的性能和效力。例如，在外殼120的外部或外殼內部的灰塵會削弱或以其他方式干擾第一束104和/或反射電磁輻射110。這會降低測距設備的有效距離或最壞地完全阻止距離確定。

在一些實施方式中，灰塵是易燃的灰塵，比如煤塵或煤煙。在這樣的環境中，不論是外殼內部或外部的灰塵水平的提高會帶來提高的安全風險。會采取外殼的周期維護檢查以確保灰塵水平不達到會有害影響裝置性能或提高安全風險的提高的水平。

在一個實施方式中，測距設備100包括確定測距裝置100的污染水平和性能的裝置。優選地，如果污染水平超出預定量，測距器觸發警報或關閉設備。在一個實施方式中，該預定量對應于具有點燃風險的提高水平的污染水平。參照圖19(a)，測距設備100包括設置在外殼120外側的反射器351，反射器351具有反射表面353。反射器351提供具有已知的反射率的反射表面353，以提供測試(或校準)表面。反射器351可被安裝在采掘機3的主體上。

在一種形式中，污染測試包括測距系統100提供第一束104，第一束104穿過側壁122并被從反射表面353反射，且反射電磁輻射110穿過側壁122以由電磁輸入裝置108接收。接收的電磁輻射110的強度可與從反射表面353上反射的反射電磁輻射110的過去強度對比。強度的降低可表示退化的性能，比如污染側壁122的外部、側壁的內部或其他部件(比如在電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108上)的灰塵。強度的降低還可以表示污染的反射表面353。

圖19(b)示出了另一實施方式，該實施方式在外殼120內部具有帶有反射表面357的反射器355。這允許針對確定外殼120內部污染的污染測試，比如在電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108上的污染。替代地，它可用于確定電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108的狀況。例如，隨著時間的過去和隨著使用，對電磁輻射來說會存在電磁輸出裝置102的強度或電磁輸入裝置108的敏感度的退化。

在另一形式中，如圖19(a)所示的來自外殼120外部的污染測試的結果與圖19(b)中所示的外殼120內部的污染測試的結果相比較。該比較能夠提供外殼120的側壁122的污染指標，從而補償或排除電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108的污染或性能的降低。

在另一個實施例中，測距系統100監測電磁輸入裝置108的信噪比。減少的信噪比的可以表示測距系統是100的一個或更多部件的灰塵污染。這可用于作為選擇，或與以上描述的污染測試聯合。

在一種形式中，程序存儲器211中的程序致使處理器209指示控制模塊201執行上述的污染測試。這可在操作期間以規則的時間間隔、在啟動時、在關閉時或如果在電磁輸入裝置108接收的輻射已被確定為比對于給定的物體7距離和/或物體7的材料的所期望的低時執行。此外，響應于確定測距系統100被污染，該程序會提示操作員維修測距系統100和/或關閉測距系統100。這在污染是火災風險的環境中很重要。

在一種形式中，控制器201確定電磁輸出裝置102發送電磁輻射脈沖和電磁輸入裝置108接收反射的電磁輻射脈沖之間的時間差，沒有確定接收的電磁輻射的強度。換句話說，電磁輸入裝置108作為觸發器以停止時鐘脈沖的計數。這避免了對超塊模擬-數字(A/D)轉換的需求，并因此減少控制器的成本、復雜性和能量消耗。

為了確定測距器的污染或在環境中或在側壁122上顆粒的存在，控制器201會將電磁輸出裝置102從脈沖模式切換到連續模式并將連接到電磁輸入裝置108的控制器端口從觸發模式切換到A/D模式。由于電磁輸出裝置102是連續的，可使用由共同的微控制器提供的低速A/D轉換。

能夠隨后通過處理器209將結果(該結果表示接收的電磁輻射的強度的數字值)與數據存儲器213上存儲的閾值比較。如果結果在閾值之下，處理器209確定污染在可接受水平之上。處理器209會隨后激活警報或激活控制燈以向操作員指示過度污染。可以周期性地執行該確定污染的過程。優選地，每10秒或在圍繞中央軸線136轉十圈之后執行該過程。

在一種形式中，存儲在存儲器213中的是電磁輸出的方位和傾斜角值，該方位和傾斜角值指示從電磁輸出裝置102到參考鏡(比如反射表面353，357)的方向。當電磁輸出裝置102的方位和傾斜角等于存儲值或在存儲值的一定范圍內(比如1度的范圍內)時，處理器209會隨后發送控制數據到控制模塊201以使電磁輸出裝置102切換到連續輸出。

當電磁輸出裝置102的方位和傾斜角等于存儲值或在存儲值的一定范圍內(比如1度的范圍內)時，處理器209還發送控制數據到控制模塊201以使連接到電磁輸入裝置108的控制器端口被切換到A/D轉換。

這樣，到參考鏡353，357的距離未被確定，但相反，可以在電磁輸出裝置102圍繞軸線134每轉一圈時測量污染，無需開啟和停止電磁輸出裝置102的移動，這減小了部件上的機械應力。

電磁輸出裝置和電磁輸入裝置的構造的變型

現在將參照圖21(a)描述測距系統4100的變型。在該變型中，電磁輸出裝置4102包括反射器，例如鏡子。電磁輸出裝置4102使來自發射器152的電磁輻射束改變方向以提供電磁輻射的第一束104。電磁輸入裝置4108也包括反射器，該反射器也可以是鏡子。電磁輸入裝置4108使反射的電磁輻射110改變方向到朝向電磁輻射傳感器154。在此實施方式中，一個或更多反射器的使用與側壁122的幾何形狀共同提供了第二束126的第二束路徑124，該第二束路徑避免了使傳感器154炫目。

在另一個變型中，電磁輸入裝置4108和電磁輸出裝置4102的反射器由共同的反射器形成。

現在將參照圖21(b)描述測距系統5100的另一個變型。在此變型中，電磁輸出裝置5102和電磁輸入裝置5108由第二支撐元件5140和第一支撐元件5140可旋轉地支撐和轉向。在此變型中，電磁輸出裝置5102提供第一束104，第一束104沿表面法線或基本接近表面法線入射在側壁122上。得到的鏡面反射128提供在第二束路徑124上的第二束126，該第二束向回朝向電磁輸出裝置5102引導。但是，在此構造中，電磁輸入裝置5108位于第二束路徑124的外部以避免或減小鏡面反射對電磁輸入裝置5108的影響。

外殼側壁的變型

現在將參照圖22(a)至圖22(c)描述測距系統6100，7100，8100的變型，所述測距系統具有不同構造的側壁，所述側壁包括外側壁和內側壁。

參照圖22(a)，測距系統6100具有外殼120，該外殼具有圍繞電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108的內側壁6122a。外側壁6122b接著圍繞內側壁6122a。在此實施方式中，孔隙6131被限定在外側壁6122b和內側壁6122a之間。

外側壁6122b和內側壁6122a可以由不同的材料制造。使用不同材料的優點在于：能夠組合材料各自不同的屬性。例如，外側壁6122b可以由具有高耐沖擊材料制造以提供耐沖擊屏障。內側壁6122a可以由具有耐高壓(比如至少100kPAa，或至少500kPa，或至少1000kPa)的材料制造。在一個實施方式中，外側壁6122b由玻璃建造以提供抗劃傷性。內側壁6122a由透明塑料(比如聚碳酸酯)建造以提供抗壓屏障。因此，外側壁6122b和內側壁6122a的組合可以被構造成滿足一個或更多的用戶需求，這可以包括滿足在此討論的工業標準。

在另一變型中，外側壁6122b和內側壁6122a由具有相同或不同壁厚的相同材料制造。在一個實施方式中，外側壁6122b和內側壁6122a由玻璃建造。具有兩側壁的優勢可在于：外側壁6122b能夠為犧牲屏障，該犧牲屏障可按需求替換，無需使電磁輸出裝置102和電磁輸入裝置108暴露到污染物。如果在比如礦中經常遇到的滿是灰塵的環境這樣的場合中完成替換，這會尤其有利。

有利地，外側壁6122b和內側壁6122a之間的孔隙6131可提供平衡以減小在外側壁6122b上的沖擊效應，避免影響內側壁6122a和該內側壁中容納的系統部件。例如，外側壁6122b會吸收致使其變形的沖擊。然而，孔隙6131提供遠離內側壁6122a的間隔，使得沖擊力不直接傳遞到內側壁6122a的表面。

測距系統7100的另一個實施方式由圖22(b)示出，該測距系統包括由剛性材料制造的內側壁7122a，該內側壁由保護膜7122b的形式的外側壁圍繞。保護膜7122b可以為可剝離的透明塑料膜，當膜被刮傷、以其他方式損壞或污染時，該膜能夠被移除和替換。有利地，保護膜7122b可提供低成本和易替換的犧牲屏障以允許易于保持外殼120的透明度。保護膜7122b可包括與那些用在賽車擋風玻璃上的類似的聚酯膜，比如由馬薩諸塞州沃本市的MADICO公司提供的產品名稱為LCL-600-XSR和LCL-800-XSR的膜以及該公司銷售的5-7密耳的膜。

測距系統8100的又一實施方式由圖22(c)示出，該測距系統包括內側壁8122a，該內側壁通過使用膠粘層8123層壓或粘附到外側壁8122b。膠粘層可包括由塑料聚合物制造得液體樹脂，該塑料聚合物由丙烯酸或硅樹脂基化合物配制成。膠粘層可以為包括光引發劑的類型，當光引發劑被暴露到UV光時，光引發劑將趨向于很快地固化所施加的樹脂。一個此類的粘合劑可以為來自羅德島克蘭斯敦市Starline路21號(郵編02921)的Eposies Etc.的Deco-Coat生產線。在一個實施例中，粘合劑包括聚乙烯醇縮丁醛(PVB)。優選地，膠粘層減小外殼的傾向和大小以提供多重的電磁輻射源反射以及在內壁和外壁之間提供沖擊屏障。

在一個典型實施方式中，外殼120包括由內側壁8122a和外側壁8122b(該內側壁和外側壁由玻璃圓筒形成)組成的雙壁玻璃圓筒，該內側壁和外側壁通過使用PVB(聚乙烯醇縮丁醛)8123或其他適合的層壓/粘合物質層壓在一起。

外側壁6122b和內側壁6122a可產生多個相應的光反射和折射點，比如在內壁6122a，7122a，8122a上的位置6128a，7128a，8128a和在外側壁6122b，7122b，8122b上的位置6128b，7128b，8128b。可通過像之前描述的校準和/或計算但考慮到多個反射和折射的校準和/或計算來對這些效應進行調節。

測距系統100的其他特征

在一種形式中，測距設備100的外殼120內的電器和電子部件(包括激光器、馬達和控制器)不消耗多于6W的功率以減小由測距系統發熱帶來的點燃風險。應理解，功率消耗的最大水平可依賴國家或地域的相關標準而改變。

優選地，測距系統100符合國際標準IEC 60079-0、IEC 60079-1，美國標準ANSI/UL1203：2006，英國標準BS EN 60079-1：2007以及澳大利亞標準AS60079.1：2007中的一個或更多(更優選地兩個或更多)。在優選的實施方式中，測距系統還符合1組氣標準(例如采煤環境)。應理解，測距系統的一些變型會根據對特定應用的需求而符合其他標準，所述其他標準會包括比如組IIA，IIB，IIC氣標準的其他氣組標準。

應用

采掘機3和測距系統100可尤其適合用于易著火或爆炸的環境中，尤其在暴露于點火源時。在一些實施方式中，采掘機3的測距系統100用于確定礦中物體的距離，特別在煤礦中。在煤礦中的大氣環境會包含爆炸性的和/或易燃性的煤塵、甲烷和氧氣混合物。

本領域技術人員應理解，可對上述實施方式做許多變型和/或修改，而不超出本公開內容的總的大致范圍。因此，本實施方式應在各方面視作示例性的而不是限制性的。