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专利名称：基于线结构光的悬臂式掘进机截割头高差自动检测装置及方法
技术领域：
本发明属于煤矿采掘装备自动化、检测测量的技术领域，具体涉及一种基于线结构光的悬臂式掘进机截割头高差自动检测装置及方法。
背景技术：
悬臂式掘进机不仅是煤矿巷道掘进施工的主要设备，而且经过技术改造后在铁路隧道施工中也有广阔的使用前景。巷道掘进中，需要尽可能避免超采或欠采，不仅可以提高掘进效率，也减少了各种事故发生的概率。超采或欠采均由断面轮廓控制和巷道走向控制误差导致，因此，掘进机的位姿检测和控制就成为确定巷道最终走向和断面轮廓精度的关键因素之一。 目前，煤矿巷道的设计轴线由精确调整的激光指向仪指示，掘进机操作员通过目视断面上的激光光斑控制掘进机截割头在断面上的截割位置，由于掘进过程中工作面粉尘较大，作业现场光线差，特别是在截割巷道底板时，操作员的视线要受掘进机机身的遮挡，使得截割部在巷道掘进过程中，其位置难于准确判断，给掘进方向控制带来很大困难，工人的劳动强度大、掘进速度缓慢、生产效率低、巷道超采欠采现象严重，掘进质量很大程度上取决于操作员的经验和熟练程度。基于上述现状，掘进机自动化成为行业发展方向，而掘进机自动化的前提就是实现掘进方向的自动检测，这方面已有发明专利如公开号为CN 101629807A，名称为“掘进机机身位姿参数测量系统及其方法”的发明专利提出了一种掘进机机身位姿参数测量系统与方法，由线激光发射器、线激光发射器机架、激光标靶、可编程计算机控制器、A/D转换�？楹土礁銮憬谴�感器组成。线激光发射器由激光指向仪和线激光器机架定位，发出扇形激光束，在掘进机机身上形成线形光斑。在任意时刻，由光敏元件组成的两个激光标靶上分别有一个位置的光敏元件感应激光束并产生电流信号，其经过激光标靶内部电路和可编程计算机控制器处理计算，确定激光束在激光标靶上的位置，而激光标靶在掘进机上的安装位置已知，从而得到掘进机的偏向角和偏向位移。两个倾角传感器测量掘进机的俯仰角和滚动角，从而完成掘进机机身位姿参数测量。上述技术方案忽略了巷道掘进中很重要的高差测量，高差测量和控制对于巷道掘进的意义在于可以控制掘进机沿设计的巷道顶板或底板进行巷道掘进，从而保证巷道的顶板和底板不被破坏，否则有可能引发难以预料的后果。

发明内容
本发明为了解决现有掘进机测量技术忽略了巷道掘进中的高度测量，有可能造成巷道顶板底板破坏的问题，提供了一种基于线结构光的悬臂式掘进机截割头高差自动检测装置及方法。本发明采用如下的技术方案实现按照一般巷道掘进工艺要求，截割头高差定义为截割头末端中心与线结构光所在平面之间的距离。基于线结构光的悬臂式掘进机截割头高差自动检测装置，其特征在于包括计算机、数据采集装置、单轴倾角仪，一字线结构光激光器，光敏组件以及激光指向仪；单轴倾角仪安装在掘进机悬臂上，其测量轴线与悬臂轴向一致；光敏组件由若干光敏单元线性排列而成，安装在掘进机悬臂上，光敏单元线性排列的走向与掘进机悬臂轴向一致；一字线结构光激光器与激光指向仪的位置关系满足一字线结构光激光器发出的光面即基准平面包含激光指向仪发出的指向光束。具体来说一字线结构光激光器与激光指向仪安装在同一水平面上。具体来说一字线结构光激光器与激光指向仪通过连接件相连接，也可不进行物理连接，但应保证激光指向仪光束在线结构光形成的光面内。计算机及数据采集装置安装在掘进机机身控制台上。或者计算机及数据采集装置 替换为可编程逻辑控制器，安装在掘进机电控箱内。一种基于线结构光的悬臂式掘进机截割头高差自动检测方法，其步骤如下 第一步，掘进机到达截割位置并进行断面截割之前测量悬臂回转中心相对基准面的高
差，具体步骤为，
掘进机悬臂向上抬起，直到掘进机悬臂上安装的光敏组件中某一光敏单元接收到一字线结构光激光器发出的激光信号，数据采集装置采集此时光敏组件的输出信号，光敏组件的输出信号为一字线结构光激光器发出光束与光敏组件交点到悬臂回转中心的距离
￡，同时单轴倾角仪测得悬臂俯仰角cr，悬臂回转中心与结构光平面之间的高差Hd由下式
(I)得出，
= L■ ski ex(I)，
第二步，掘进机开始截割后截割头相对基准面高差的实时测量，截割过程中，单轴倾角仪实时检测悬臂的倾角％，截割头在时刻I与悬臂回转中心所在水平面的高差Ht，也即截割头相对悬臂回转中心所在水平面的实时高差，由下式(2)得出，
Ht = Lq. Sm at(2),
式中Ai为截割头末端中心与悬臂回转中心之间距离，可由掘进机结构参数获�。�
截割头在时刻I与基准平面的高差H，也即截割头相对基准平面的实时高差，由下式
(3)得出，
H = H ⑶，
则截割头末端中心在时刻I到巷道顶板、底板的距离、Hfl由下式(4)、(5)得出，
Htl = — Ht + H1(4)，
Hti = H2-HQ+Ht(5),
式中、 ζ为基准平面与巷道顶板、底板间的距离。本发明相对现有技术具有如下有益效果如果巷道顶板或底板被破坏可能引发冒顶、透水等严重后果，造成重大人员伤亡和财产损失，因此煤矿巷道掘进一般都有沿顶底板或腰线掘进的要求。本发明既可在现阶段几乎所有型号掘进机上应用以辅助掘进机操作人员进行掘进作业，也可用于未来掘进机的无人作业。本发明具有结构简单、实时性好、使用方便、准确性高的特点。本发明中高差检测精度取决于光敏单元的尺寸及线结构光在光敏单元上形成的线状激光的线宽，以目前较为常用的元器件建立的测量装置，其检测精度可达厘米级。


图I为本发明的系统结构示意图，
图2为光敏组件结构示意图，
图3为悬臂回转中心所在水平面高差测量原理示意图，图4为截割头高差测量原理示意图，
图中1-掘进机机身，2-掘进机悬臂，3-巷道断面，4- 一字线激光光斑，5-单轴倾角仪，6-光敏组件，7-激光指向仪光束，8-激光指向仪及一字线结构光激光器，9-数据采集装置，10-计算机。
具体实施例方式结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步说明。如图I所示，本发明的系统组成包括计算机10及数据采集装置9(可替换为可编程逻辑控制器)，单轴倾角仪5，一字线结构光激光器，光敏组件6，激光指向仪等。单轴倾角仪5安装在掘进机悬臂2上，其测量轴线与掘进机悬臂轴向一致，用于检测悬臂俯仰角度；光敏组件6由大量光敏单元线性排列而成，安装在掘进机悬臂上，线性排列的走向与掘进机悬臂方向一致，用于接收一字线结构光激光器发出的光信号；一字线结构光激光器与激光指向仪通过连接件相连接并可在安装好激光指向仪后调整一字线结构光激光器使其发出的结构光平面水平且包含激光指向仪所发出指向光束；计算机及数据采集装置安装在掘进机机身控制台上，或替换为可编程逻辑控制器安装在掘进机电控箱内，用于采集单轴倾角仪、光敏组件等传感器的输出信号，经过系统软件处理和计算，得到悬臂回转中心所在水平面于结构光平面之间的高差。结构光激光器与激光指向仪可以不进行物理上的连接，但必须安装在同一水平面并保证结构光激光器使其发出的结构光平面水平且包含激光指向仪所发出指向光束，由此将激光指向仪所确定的高度基准传递到结构光激光器所形成的激光平面上来。如图2所示，光敏组件由光敏元件和信号转换电路构成。按照设计，光敏组件仅对结构光激光器发出的特定波长的激光敏感，并且，光敏组件中不同位置接收到结构光后输出的信号也不同。按照一般巷道掘进工艺要求，截割头高差定义为截割头末端中心与结构光所在平面之间的距离，其中，结构光平面水平且包含激光指向仪所发出指向光束。巷道的顶板和底板是经过地质勘探确定的，激光指向仪的指向一旦确定即作为基准，与巷道的顶板底板形成确定的关系，具体关系取决于顶板底板之间距离及激光指向仪的悬挂高度。
本发明中截割头高差测量分两步，第一步是掘进机到达截割位置并进行断面截割之前测量悬臂回转中心相对基准面的高差测量；第二步是掘进机开始截割后截割头相对基准面高差的实时测量。这种测量方式是基于一个断面截割过程中机身(包括悬臂回转中心)高差不改变，其改变一般发生在掘进机从一个截割位置行进到下一个截割位置的过程中的事实，如果在特定环境下这一条件不满足的话也可在一个断面截割过程中多次重复上述第一步的工作。工作原理如图3所示，进行上述第一步测量时，掘进机悬臂向上抬起，直到悬臂上安装的光敏组件中某一光敏单元接收到一字线激光器发出的激光信号，数据采集装置采集此时光敏组件的输出信号，与单轴倾角仪检测到的悬臂俯仰角一起计算悬臂回转中心所在水平面与结构光平面之间的距离，即机身高差。如图4所示，获得悬臂回转中心相对基准面之间的高差后，即可开始进行断面截害I]，截割过程中，单轴倾角仪实时检测悬臂的倾角，利用已知的悬臂结构长度。即可计算截割头相对悬臂回转中心所在水平面的实时高差，从而可计算截割头相对基准面的实时高 差。具体计算方法如下
假设单轴倾角仪测得悬臂俯仰角为《，一字线结构光激光器发出光束与光敏组件交点到悬臂回转中心的距离为ζ，悬臂回转中心到截割头末端中心的距离是Α)，截割过程中某
时刻！悬臂俯仰角为则悬臂回转中心与结构光平面之间的高差 H0 = L - sm a ；
截割头在时刻I与悬臂回转中心所在水平面的高差为
Ht = ￡0 - sin at
截割头在时刻 与基准平面的高差为
H = H0- Ht
假设基准平面与巷道顶板、底板间的距离分别为if、#,则截割头末端中心在时刻I到巷道顶板、底板的距离分别为
ZffI = Zfj _ H。+Zfi。实施例
设单轴倾角仪测得悬臂俯仰角为Oi= 35°,—字线结构光激光器发出光束与光敏组件交点到悬臂回转中心的距离为￡=2.13 m,悬臂回转中心到截割头末端中心的距离是
La = 2.8 m,激光指向仪即基准平面与巷道顶板、底板之间的距离分别为=
则悬臂回转中心与结构光平面之间的高差 Hn = 1.22 m ；
设截割过程中某一时刻悬臂俯仰角为A = 20° ,则截割头在此时与悬臂回转中心所在水平面的高差为Ht=0.96 m；
贝U，此时截割头末端中心与基准平面之间的高差为 H = 0.26 m ；
截割头末端中心在时刻 < 到巷道顶板、底板的距离分别为— I, idlfe In ; Htl - 3.74 m。
权利要求
1.一种基于线结构光的悬臂式掘进机截割头高差自动检测装置，其特征在于包括计算机(10)、数据采集装置(9)、单轴倾角仪(5)、一字线结构光激光器、光敏组件(6)以及激光指向仪；单轴倾角仪(5)安装在掘进机悬臂(2)上，其测量轴线与掘进机悬臂轴向一致；光敏组件(6)由若干光敏单元线性排列而成，安装在掘进机悬臂(2)上，光敏单元线性排列的走向与掘进机悬臂轴向一致；一字线结构光激光器与激光指向仪的位置关系满足一字线结构光激光器发出的光面即基准平面包含激光指向仪发出的指向光束。
2.根据权利要求I所述的基于线结构光的悬臂式掘进机截割头高差自动检测装置，其特征在于一字线结构光激光器与激光指向仪安装在同一水平面上。
3.根据权利要求I或2所述的基于线结构光的悬臂式掘进机截割头高差自动检测装置，其特征在于计算机及数据采集装置安装在掘进机机身控制台上。
4.根据根据权利要求3所述的基于线结构光的悬臂式掘进机截割头高差自动检测装置，其特征在于计算机及数据采集装置替换为可编程逻辑控制器，安装在掘进机电控箱内。
5.一种基于线结构光的悬臂式掘进机截割头高差自动检测方法，其步骤如下 第一步，掘进机到达截割位置并进行断面截割之前测量悬臂回转中心相对基准面的高差，具体步骤为， 掘进机悬臂(2 )向上抬起，直到掘进机悬臂(2 )上安装的光敏组件(6 )中某一光敏单元接收到一字线结构光激光器发出的激光信号，数据采集装置(9)采集此时光敏组件的输出信号，光敏组件的输出信号为一字线结构光激光器发出光束与光敏组件交点到悬臂回转中心的距离￡，同时单轴倾角仪(5)测得悬臂俯仰角Qf，悬臂回转中心与结构光平面之间的高差Iq由下式⑴得出， /Z0 = Zi- sm α·(I)， 第二步，掘进机开始截割后截割头相对基准面高差的实时测量，截割过程中，单轴倾角仪实时检测悬臂的倾角仏，截割头在时刻I与悬臂回转中心所在水平面的高差,也即截割头相对悬臂回转中心所在水平面的实时高差，由下式(2)得出，Ht=L0- sin at⑵，式中￡Q为截割头末端中心与悬臂回转中心之间距离， 截割头在时刻I与基准平面的高差H，也即截割头相对基准平面的实时高差，由下式(3)得出， H = Hfj - Ht (3)， 则截割头末端中心在时刻I到巷道顶板、底板的距离Htl、Ht2由下式(4)、(5)得出， Htl = Hli - Ht + H1(4)， Htl^ H2-H ,+Ht(5), 式中#、丑2为基准平面与巷道顶板、底板间的距离。
全文摘要
本发明属于煤矿采掘装备自动化、检测测量的技术领域，具体是一种基于线结构光的悬臂式掘进机截割头高差自动检测装置及方法，解决了现有掘进机测量技术可能造成巷道顶板底板破坏的问题。其单轴倾角仪安装在掘进机悬臂上，光敏组件由若干光敏单元线性排列而成，安装在掘进机悬臂上，一字线结构光激光器与激光指向仪的位置关系满足一字线结构光激光器发出的光面即基准平面包含激光指向仪发出的指向光束。检测方法，步骤为掘进机到达截割位置并进行断面截割之前测量悬臂回转中心相对基准面的高差，掘进机开始截割后截割头相对基准面高差的实时测量，然后计算。本发明具有结构简单、实时性好、使用方便、准确性高的特点。
文档编号G01B11/02GK102829727SQ201210312009
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者田原, 于向东, 侯林, 张梦奇, 袁晓明, 呼守信, 鲍文亮, 王德光, 李仁杰, 彭利明 申请人:中国煤炭科工集团太原研究院, 山西天地煤机装备有限公司