[0001] 本实用新型设计一种巷道掘进领域的掘进机，特别是涉及一种掘进机自主定位定向系统及其方法。

[0002] 掘进机是实现地下巷道掘进工作的核心设备。在传统的地下巷道掘进过程中。掘进机的掘进路线首先由地测部门绘制，根据安装在巷道后方的点激光指向仪发射至巷道前方岩壁的激光斑的位置，由掘进机驾驶员控制掘进机的掘进方向。由于矿井巷道环境恶劣，这种掘进方法不仅效率低，而且精度有限。此外，点激光指向仪固定在巷道后方顶板处，安装、拆卸、标定十分麻烦，并且大大增加了矿井工作人员的工作强度及工作危险性。

[0003] 随着社会的进步，矿井工作人员的安全受到了越来越多的关注。近年来，一些高等院校和其他科研机构针对巷道无人化掘进问题进行了一定的研究。

[0004] 公开号为“CN101266134A”专利名称为“悬臂掘进机机头位姿测量系统及其方法”，该专利试图利用全站仪测量掘进机位姿，再通过悬臂油缸传感器及倾角传感器推导截割头空间位置。

[0005] 公开号为“CN101392653A”专利名称为“隧道掘进施工导向系统的三维姿态测量装置”。该专利试图将全站仪和CCD相机应用到盾构机姿态测量中。

[0006] 公开号为“CN101975063A”专利名称为“掘进机激光引导定位定向装置及方法”。该专利利用巷道原有的点激光指向仪，在掘进机悬臂上安装一个激光接收器，通过点激光指向仪发射的光斑在激光接收器上的位置，来判断悬臂的位置，再通过悬臂油缸及悬臂倾角传感器推导出掘进机的位姿信息。

[0007] 公开号为“CN 102506770 A”专利名称为“一种掘进机偏向角检测装置及检测方法”。该专利将线激光发射器安装在掘进机中线上，在巷道后方顶板处安装滑轨、步进电机及激光接收器，步进电机控制激光接收器在滑轨上移动，旨在捕捉掘进机机身发出的线激光。从而推算掘进机相对于巷道中线的偏向角。

[0008] 公开号为“CN 102589514 A”专利名称为“掘进机位姿参数测量装置及其方”。该专利利用点激光指向仪及两个安装在掘进机机身上的两个可摇摆的矩形光传感器来推算出掘进机的位姿参数。

[0009] 上述几种方法有许多共同之处，即先将巷道基准固定在巷道后方。再利用点激光、线激光、红外线等进行测量，建立掘进机坐标系与巷道坐标系的几何关系，再通过数学解算得到掘进机相对于基准的位置关系。但这些方法都存在很多局限性：

[0010] (1)井下环境恶劣，粉尘很大，不利于红外线、激光及可见光的传输，从而导致测量精度低。

[0011] (2)上述几种方法都需要在巷道后方人工建立基准，当掘进距离超过系统有效测量范围时，再次需要对基准进行人工移动和标定。上述这些系统只达到了半自动化水平，矿井工作人员仍然处于危险中，无法从根本上把劳动力从地下解放出来。

[0012] 公开号为“CN101169038A”专利名称为“全自动掘进机”，该专利试图将惯性导航系统应用至掘进机定位定向中，该专利理论上达到了全自动掘进作业，但是该系统无法建立掘进机与巷道基准的联系，而惯性导航系统的误差随系统运行时间的增加而迅速增大，从而导致系统失效，因此，该系统存在很大局限性，不具备实用价值。

[0013] 公开号为“CN103123391A”专利名称为“掘进机无线导航定位系统及方法”。该专利较上述几种方法又做出了一定创新。该专利将巷道后方的两个无线节点装置作为基准，在掘进机上安装一个定位点。通过测量两基准到定位点的距离的差值来判断掘进机的偏向。当掘进距离超过有效检测范围时，由掘进机向地面投放中继节点，以此来扩大有效检测范围，但该方法仍然存在许多局限性：

[0014] (1)该系统只能在二维平面上检测掘进机掘进路线是否为直线，当预设掘进路线为弧线时，则系统无法精准确定掘进机掘进机路线与预设掘进机的偏差，即系统失效。

[0015] (2)在该系统中，节点与掘进机定位点之间的测距是利用频率在1Ghz以下的无线电波在不同无线模块之间的飞行时间与光速的乘积得来。而不同的模块之间的时钟存在着时钟不同步的问题。由于光速的量级很大，因此微小的时间误差都将大大影响到测距的精度。因此该系统的精度很难满足国家巷道成型标准。

[0016] (3)该系统在掘进机掘进过程中，要在机身上安装节点投放装置并需携带大量中继节点。一方面随着随着巷道距离的增长，系统成本也随之大大增加。另一方面，随着投放节点数量的增多，也大大增加了系统的复杂性和累积误差。

[0017] (4)由于巷道环境恶劣，地面凹凸不平，掘进机尾部还要携带随机前行的刮板输送机，并且常伴有煤岩垮落。因此，被投放的中继节点很容易被掩埋或损坏，并且任意一个中继节点被损坏都将导致整个系统的失效，因此该方法不具有较高实用性。

[0018] 鉴于以上实用新型的种种缺陷，为了实现掘进机的完全自主掘进作业，将矿井工作人员彻底从地下巷道的繁重危险的工作中解救出来，经过不断的研究及设计，并经反复试验及改进后，终于创设出确具实用价值的本实用新型。实用新型内容

[0019] 技术问题：本实用新型的主要目的在于，针对目前矿井巷道综掘工作面实际情况及现有掘进机定位及定向技术的种种缺陷。提出一种掘进机自主定位定向系统及方法，主要包括掘进机三维坐标自主定位技术，机身位姿参数自主定向技术，基准自主前移及自主标定技术。旨在实现在整个巷道掘进过程中无需人工参与，掘进机可自主进行定位定向。

[0020] 技术方案：本实用新型的目的是这样实现的：该定位系统包括：可编程计算机控制器；寻北仪；倾角传感器；4个自行走式定位基站；7个自带铷原子钟的超宽带无线电模块，其中3个超宽带无线电模块固定在掘进机机身定位匣中，其余4个分别安装在4个自行走式定位基站上。4个自行走式定位基站位于掘进机后方，作为掘进机定位定向的基准。定位基站相对于巷道起始点的三维坐标已知，由地测人员在巷道掘进开始之前进行测量。

[0021] 所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：所述的自行走式定位基站由轮式行走装置；5路红外测距仪；单片机；步进电机；带有高精度铷原子钟的超宽带无线电模块；本安电池构成。各模块通过接口电路与单片机相连接并可进行实时通信，由本安电池进行供电。

[0022] 所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：所述的超宽带无线电模块由脉冲电路；通信电路；天线；高精度铷原子钟构成；脉冲电路信号经天线可发射3.4-10.6Ghz量级的高频率无线电脉冲。通信电路可对无线电信号进行调制解调，从而实现多个无线电模块之间的双向通信。高精度如原子钟可实时记录脉冲发射时刻和接收时刻。

[0023] 所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：可编程计算机控制器、陀螺寻北仪、2个倾角传感器安装在掘进机机身电控箱内。陀螺寻北仪及倾角传感器通过接口电路与可编程计算机控制器相连接，并可实现实时通信。

[0024] 所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：所述的掘进机机身定位匣包括超宽带无线电模块1个；液压减震油缸3个；伞形橡胶保护盔1个。超宽带无线电模块固定在掘进机机身表面，三个液压减震油缸均匀分布在超宽带无线电模块，减震油缸一端固定在掘进机机身表面，另一端连接伞形橡胶保护盔。

[0025] 所述的掘进机自主定位定向系统，其特征是：所述的掘进机机身定位匣共有3个，每个匣内安装一个超宽带无线电模块，通过接口电路与电控箱内的可编程计算机控制器相连接，并实现实时通信。

[0026] 所述的掘进机自主定位定向系统的掘进机自主定位定向方法是：

[0027] (1)巷道掘进机开始前，掘进机及定位基站群相对于巷道起始点位置的坐标关系由地测部门进行测量。当巷道掘进开始后，定位基站群保持静止，与此同时，掘进机按照预设掘进机路线向前掘进。

[0028] (2)当掘进机坐标与位姿信息发生变化时，启动安装在定位基站群的超宽带无线电模块。对安装在掘进机机身定位匣中的超宽带无线电模块依次发射不同脉位的高频率超宽带无线电脉冲信号，不同脉位的脉冲信号代表不同的定位基站。当脉冲发射的瞬间，由模块内的高精度铷原子钟记录下发射时刻。当机身无线电模块收到来自定位基站的脉冲信号时，立刻向定位基站反射一个带有自身脉位信息脉冲信号。当定位基站收到来自机身无线电模块的脉冲信号的瞬间，由高精度铷原子钟记录下接收时刻。而铷原子钟内接收时刻与发射时刻的差值即电磁波在两个模块之间两次飞行的时间。

[0029] (3)经过安装在定位基站中的单片机处理，将时间信息换算为距离信息，再经过通信电路发射到掘进机电控箱内可编程计算机控制器中。根据不同无线电模块之间两两配对的距离关系，从而解算出掘进机相对于巷道的三维坐标及姿态信息。姿态信息包括掘进机的航向角，俯仰角及横滚角。

[0030] (4)当掘进机完成一个单位掘进机长度时，需停机进行支护。与此同时，启动陀螺寻北仪及倾角传感器对掘进机航向角，俯仰角及横滚角进行校准。

[0031] (5)当掘进机与定位基站群之间的距离超过系统有效检测范围时，启动自行走式定位基站群基准自主标定程序：首先由可编程计算机控制器根据各定位基站的三维坐标系拟合基站行走路径，通过无线电通信模块将不同的路径信息分别传输至相应的定位基站中。各定位基站根据各自路径信息，通过单片机控制与行走装置相联结的步进电机，依次向掘进方向移动。每个自行走式定位基站移动完毕后，与其他定位基站进行依次配对，经过可编程计算机控制器解算，更新定位基站群基准三维坐标。

[0032] (6)自行走式定位基站群在移动时，红外测距模块启动，当前方遇到垮落的煤岩及其他障碍物时，根据五路红外测距仪探测的信息进行避障移动。避障结束后，重新进行路径规划，直到定位基站行进至可编程计算机控制器规划的目标点。

[0033] (7)定位基站群基准坐标更新完成后，掘进机再次以定位基站群为基准向前掘进机，从而实现在巷道掘进工作中，掘进机的全程自主定位定向。

[0034] 本实用新型掘进机自主定位定向系统及方法与现有技术对比，具有明显的优点与有益效果。借由上述技术方案，本实用新型提供的掘进机自主定位定向系统及方法可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

[0035] (1)本实用新型利用超宽带无线电模块，自行走式定位基站群，陀螺寻北仪，倾角传感器，可编程计算机控制器替代了传统人工目测掘进方式，解决了传统掘进的不准确，超欠挖严重等问题，提高了巷道成型的质量与效率。实现了掘进过程中掘进机定位定向的全自主化，将劳动力彻底从繁重、危险的工作环境中解放出来。并且该系统可以实时监测掘进机位姿及姿态，拟合出掘进机的掘进航线。

[0036] (2)本实用新型掘进机自主定位定向系统及方法，利用内附铷原子钟的超宽带无线电模块，采用信号双向飞行时间测距法，大大提高了系统定位精度，在检测范围内，系统定位误差可控制在2cm以内。

[0037] (3)本实用新型掘进机自主定位定向系统及方法，将高精度陀螺寻北仪及倾角传感器安装在电控箱中，当掘进机停机支护时，启动高精度陀螺寻北仪及倾角传感器对掘进机自主定位定向系统进行校准，使得系统位姿测量精度可达0.1°以上。

[0038] (4)本实用新型掘进机自主定位定向系统及方法，系统定位基站由行走装置，避障检测装置，通信装置等模块构成。当掘进机掘进距离超过定位基站最大有效检测距离时，定位基站进行自主行走式标定，标定过程中进行坐标自主更新。从而实现定位基站的高精度地自主前移。从而实现对掘进机连续的自主的坐标定位及位姿检测。

[0039] 综上所述，本实用新型特殊结构的掘进机自主定位定向系统，目的在于提出一种全新的掘进机三维坐标自主连续定位及机身位姿参数连续检测系统及方法，并且当掘进机停机支护时，通过陀螺寻北仪及倾角传感器可进行系统自主校正，大大提高了系统检测精度。随着掘进机掘进距离的增大，定位基站群可自主向前跟随推进，并自主标定更新坐标。可实现掘进过程掘进机定位定向的完全自主化，为掘进机自主巡航的实现铺平的道路，彻底将矿井工作人员从巷道掘进工作的危险中解放出来。该系统使用于矿井巷道掘进、石油钻井勘探、地铁巷道掘进等地下掘进领域，不仅具有很高的经济价值，而且具有很好的社会价值。其具有上述诸多的优点及实用价值，其自主定位定向原理和结构设计未见公开发表或实用而确属创新，在巷道自主掘进技术领域上有很大突破，并产生了好用及实用的效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

[0040] 上述如此结构构成的本实用新型掘进机自主定位定向系统及其方法的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

[0041] 如上所述是本实用新型的基本构思。但是，在本实用新型的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本实用新型的其他可操作的实施例进行改进。在本实用新型中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。

[0042] 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

[0069] 为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的掘进机自主定位定向系统及其方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

[0070] 有关本实用新型的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。

[0071] 本实用新型较佳实施例的掘进机自主定位定向系统及其方法，如图1所示，由自主行走式定位基站群2、掘进机机身定位匣(7、8、9)、可编程计算机控制器10、陀螺寻北仪11、倾角传感器12、倾角传感器13组成。掘进机机身定位匣(7、8、9)安装在掘进机机身，可编程计算机控制器10、陀螺寻北仪11、倾角传感器12、倾角传感器13安装在掘进机机身电控箱中。其中，自主行走式定位基站群2及掘进机机身定位匣(7、8、9)可进行双线无线通信及测距，掘进机机身定位匣(7、8、9)、陀螺寻北仪11、倾角传感器12、倾角传感器13可通过通信线缆与可编程计算机控制器10连接并双向通信。

[0072] 如图2所示，所述的自主行走式基站群2由自行走式定位基站3、4、5、6组成，基站3、4、5、6之间可以进行双向通信及双向测距。基站6放置在起始坐标巷道底板处，通过基站之间的双向测距进行定位，从而建立基准坐标系。当掘进机向前掘进时，通过基站与掘进机定位匣中的超宽带无线电模块进行无线电测距，根据定位算法，从而确定掘进机相对于基准坐标系的坐标。并且根据3个掘进机机身定位匣的坐标解算出掘进机位姿参数。

[0073] 如图3所示，每个基站由轮式行走装置14、5个红外测距仪15、步进电机16、单片机17、本安电池18、基站超宽带无线电模块19组成，其中基站超宽带无线电模块19由微处理器20、铷原子钟21、通信电路22、脉冲电路23、天线24组成。其中，轮式行走装置14由4个小型减震轮胎组成，其中2个与2个步进电机16相连接，其余2个为从动轮。步进电机16与单片机17相连接，并且接收单片机17发出的步进信号。5个红外测距仪15与单片机
17相连接并可以将测得的不同方向的距离信息传输给单片机17。超宽带无线电模块19与单片机17相连接并可进行双向通信。单片机17、步进电机16、与超宽带无线电模块19的电力支持由本安电池18提供。

[0074] 在超宽带无线电模块中19中，铷原子钟21、通信电路22、脉冲电路23分别与微处理器20连接并可进行双向通信。通信电路22、脉冲电路23分别与天线24进行连接并可进行双向通信。其中，通信电路22可实现无线电模块之间的无线通信，脉冲电路23可发射并接收频率在3.4-10.6Ghz量级的超宽带无线电信号。

[0075] 如图4、5所示，掘进机机身超宽带无线电模块29安装在掘进机1机身上，周围分布安装3个液压减震油缸28，橡胶保护盔安装在液压减震油缸上部。此机构可有效保护机身超宽带无线电模块免受来自巷道上方的垮落煤岩。

[0076] 如图6(a)所示，设巷道基准坐标系为OXYZ，系统运行时，启动三个定位基站对掘进机机身三个定位匣进行依次测距。利用无线电波测量得到的距离用R表示，航向角用α表示，横滚角用β表示，俯仰角用θ表示。

[0077] 如图6(b)所示，图中为定位系统几何模型的俯视图XOY，基站4(X4、Y4、Z4)、5(X5、Y5、Z5)、6(X6、Y6、Z6)到7(X7、Y7、Z7)点的距离分表表示为R47、R57、R67.同理各定位基站到9点(X9、Y9、Z9)的距离分表表示为R49、R59、R69。根据计算可得出待求参数航向角α与原始距离参数的关系为

[0078]

[0079] 当α值为正时，掘进机偏向方向向左。

[0080] 当α值为负时，掘进机偏向方向向右。

[0081] 由于机身定位匣在掘进机上位置已知且与掘进机刚性连接，所以定位匣的坐标即为掘进机坐标，以定位匣7为例：

[0082]

[0083] 如图6(c)所示，图中为定位系统几何模型的正视图XOZ，基站4(X4、Y4、Z4)、5(X5、Y5、Z5)、6(X6、Y6、Z6)到7(X7、Y7、Z7)点的距离分表表示为R47、R57、R67.同理各基站到8点(X8、Y8、Z8)的距离分表表示为R48、R58、R68。根据计算可得出待求参数横滚角β与原始参数的关系为

[0084]

[0085] 当β值为正时，滚向向左。

[0086] 当β值为负时，滚向向右。

[0087] 如图6(d)所示，图中为定位系统几何模型的侧视图YOZ，基站4(X4、Y4、Z4)、5(X5、Y5、Z5)、6(X6、Y6、Z6)到7(X7、Y7、Z7)点的距离分表表示为R47、R57、R67.同理各基站到9点(X9、Y9、Z9)的距离分表表示为R49、R59、R69。根据计算可得出待求参数俯仰角θ与原始参数的关系为

[0088]

[0089] 当θ值为正时，俯向向前。

[0090] 当θ值为负时，俯向向后。

[0091] 掘进机自主定位定向系统及方法的实施步骤为：

[0092] (1)将自主行走式定位基站群2放置在巷道起始坐标处，巷道起始坐标及巷道掘进路线由地测人员给出，并输入至掘进机电控箱31中的可编程计算机控制器10中，启动掘进机自主定位定向程序。

[0093] (2)可编程计算机控制器10通过掘进机机身定位匣7中的超宽带无线电模块向自主行走式定位基站群2发送激活指令使得基站群启动。

[0094] (3)为了避免各模块之间的信号冲突，单次测距步骤内，只有两个超宽带无线电模块处于工作状态，其余模块处于休眠状态。

[0095] (4)首先激活自主行走式定位基站3及机身超宽带定位匣7。由基站3的单片机17(3)向基站超宽带无线电模块19(3)发送脉冲测距指令，经过微处理器20(3)处理，向脉冲电路23(3)发送发射指令，与此同时，向铷原子钟21(3)发射计时指令。脉冲电路通过天线24(3)向周围空间发送无差别超宽带无线电波。

[0096] (5)当定位匣7中的机身超宽带无线电模块29(7)中的天线24(7)接收到来自自主行走式定位基站3中的天线24(3)发出的超宽带脉冲信号时，定位匣7中的铷原子钟21(7)立刻开始计时，经过微处理器20(7)处理后，通过脉冲电路23(7)及天线24(7)，定位匣7中的机身超宽带无线电模块29(7)再次向周围发送一次无差别超宽带无线电波，此电波中附带定位匣7从接收脉冲到再次发射脉冲中的时间包，该时间包由定位匣7中的铷原子钟21(7)提供。

[0097] (6)当定位基站3接收到来自定位匣7返回发射的超宽带无线脉冲时，由铷原子钟21(3)

[0098] 记录下接收时刻，根据公式 其中，R是两模块之间直线距离，t3是接收时刻，t1是发射时刻，t2是时间包，c是电磁波传播速度。微处理器经过解算可得R37。将得到的距离信息R通过通信电路22和天线24发射至可编程计算机控制器10。

[0099] (7)同理，自主行走式定位基站群2依次对掘进机机身定位匣7、8、9进行两两测距，并且将处理得到的距离信息R依次发送至可编程计算机控制器10。

[0100] (8)可编程计算机控制器10经过解算可得到掘进机机身坐标及机身航向角α、横滚角β、俯仰角θ。

[0101] (9)当掘进机掘进距离超过系统最大检测范围时，在掘进机停机支护的情况下，启动自主行走式定位基站群坐标平移程序。

[0102] (10)如图7(a)所示，首先可编程计算机控制器10根据各基站位置规划各基站行进距离，分别发送至各基站单片机17中。然后，基站4、5、6保持静止状态，基站3按照规划好的行进距离，通过步进电机16控制轮式行走装置14向前移动。行进过程中，5路红外测距探测仪15保持运转状态，当前方遇到垮落煤岩等障碍物时，将测得的距离信息反馈给单片机17，由单片机17控制左右两个步进电机16进行避障行走。当行进结束后，基站3分别与基站4、5、6进行测距，通过可编程计算机控制器将测得的基站3与其他基站间新的距离关系结算成坐标，更新到可编程计算机控制器10数据库中。

[0103] (11)同理，如图7(b)(c)(d)所示，自主行走式定位基站4、5、6依次按照规划路径向前移动，并且更新坐标到可编程计算机控制器10的数据库中。完成基准坐标系的平移变换。

[0104] 上述如此结构构成的本实用新型掘进机自主定位定向系统及方法的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

[0105] 如上所述是本实用新型的基本构思。但是，在本实用新型的技术领域内，只要具备最基本的知识，可以对本实用新型的其他可操作的实施例进行改进。在本实用新型中对实质性技术方案提出了专利保护请求，其保护范围应包括具有上述技术特点的一切变化方式。

[0106] 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。