基于有源紅外傳感器的掘進機定位系統的開發

邵小軍

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司，山西 寧武 036002）

引言

掘進機是一種設計用來破壞巖體，將巖體裝載在車輛（卡車、輸送機、裝載機等）上的采礦機械，適用于掘進山區水平、傾斜巷道、豎井、隧道施工。遠程控制是掘進機工作中最重要的技術之一，該技術可大大降低隧道施工過程中的事故風險。掘進機在地下進行位置確定和感知主要依靠視頻進行作業[1-2]，無法精確感知在地下的位置信息，也就無法實現精確開采。過去掘進機在井下開采定位問題主要依靠人工和視頻方式進行作業。本文針對上述問題，基于紅外激光傳感器采用慣性導航儀、加速度計、陀螺儀構建網路解決井下掘進機的定位并規避上述技術方法出現的問題。

1 定位系統

1.1 定位系統構成

本文定位系統由紅外激光傳感器、慣性導航儀器、加速度和陀螺儀、控制部件等組成。紅外傳感器采集環境信息、位置信息和姿態信息。慣性導航用來測量掘進機加速度，通過內部運算，轉換為導航坐標中的速度、偏轉角和位置。加速度和陀螺儀組成測量系統，能夠實現水平，垂直角度的測量，還能夠進行距離和高度差的測量[3-4]。

控制部件可實現遠程遙控，通過發出指令與定位裝置相連，采集定位信息并反饋給后臺界面得到定位信息。操作人員實現遠程操作執行機構實現定位。整體構成如圖1所示。

圖1 定位系統構成

1.2 掘進機位姿確定方法

定位原理如圖2所示，將激光定位靶球安裝在掘進機上，測量系統確定靶球的位置，從而確定測量系統本身的坐標和姿態角，進而得到測量系統所在的坐標系，那么就能實現靶球位置，掘進機的姿態角由慣性導航儀測定，其與靶球共同確定掘進機坐標系，實現定位功能。

圖2 位姿狀態確定

1.3 坐標系的確定

根據前述位姿狀態確定原理可知、掘進機絕對坐標系由地面坐標系統、掘進機坐標系，巷道坐標系統和測量系統坐標系4個坐標系統組成，見下頁圖3。采用右手法則確定所有系統方向。根據右手法則，確定地面坐標系X方向為東面，Y軸為北面。同時垂直此兩軸向為Z軸正向。同理，根據右手定則，X軸方向在右，垂直巷道地面向上的方向就是Z軸方向，此時，就確定了巷道坐標系統。掘進機坐標系統的Y軸定義為北面，X軸則為垂直Y軸向右，垂直XY方向則為Z方向。

圖3 定位方位坐標

2 系統開發

2.1 關鍵技術

要解決掘進機遠程控制而不需要作業人員可視控制的問題，就必須解決幾個問題：

首先，實現數據采集，主要是通過安裝在掘進機上的傳感器來實現，這類傳感器功能主要是采集掘進機的工作體的位置和傾斜角度傳感器。此外，還有以電控控制閥驅動的執行機構，除了更好地控制動力設備的狀態外，在掘進機的液壓和電氣電路中還將引入傳感器來收集掘進機負載的信息。當掘進機負載異常時，掘進機將停止工作，操作員將收到錯誤信息。

要實現掘進機的遠程操控，需要一個可以進行交互的遠程控制器來實現操作人員和掘進機的信息傳遞和交流，為了建立這個系統，需要進行一系列的仿真和實際實驗來確定信號處理和傳輸。

其次，從技術角度來看，在掘進機移動時出現的各種障礙中，掘進機提供線性運動的系統是最困難的。該系統對掘進機機體在三個平面上的位置進行連續監測。這是為了保證隧道工程的準確性能。在此基礎上，該系統將計算出的工作機構的位置傳送給操作人員，以保證過程的可視化。目前，這種系統存在于連續掘進機中，但可靠性較低。這些系統大部分是基于激光傳感器與反射系統。因此，系統如圖4所示,由一個激光指針1、2和三個反射器傳感器3組成。

在所開發的系統中，計劃實現紅外距離傳感器與主動照明系統。接收機沿掘進機運動軸線隨機定位。發射機信號位于掘進機本體上。當掘進機打開時，系統初始化其在空間中的位置。從而根據傳感器的讀數將掘進機的位置和工作體計算出來。如果任一掘進機元件被加熱到與紅外輻射器溫度相等的溫度，則輻射器改變其工作溫度。這樣的系統應確保最大的可靠性和準確性。

在確定了掘進機本體的位置后，操作者可以通過遙控器發出指令。在這種情況下，遠程控制系統通過交換機與井下掘進機的下位機進行交互。下位機得到指令后給執行機構發出指令，執行機構實現掘進運動。同時在地面顯示設備上反饋信息精確顯示位置信息，并對掘進機系統的操作性進行應急狀態監測，以提高掘進機工程的安全性。

2.2 定位算法

掘進機在巷道中的定位問題用以往的文獻中單純使用慣性導航得出實時狀態的姿態角是無法完成的，表示旋轉過程的歐拉角也無法利用慣性導航得出。按照一定順序旋轉根據相同角度是無法得到相應的實時狀態。這種問題是由于旋轉順序和坐標定義不同都會使得旋轉角度計算結果不同。目前還沒有發現根據姿態角旋轉，利用慣性導航實時計算姿態角算法[5]。

因此，利用慣性導航進行定位算法是十分必要的。首先，根據慣性導航儀測出的姿態角定義為α，β，γ，坐標向量由此姿態角計算得出，解算得出掘進機的坐標系定義為O、X、Y、Z，最后用測量設備測量出定位靶球的坐標，輸出參數距離L，方位角αf和傾角αq，在這里假設測量設備的基準點坐標定位為（x0，y0，z0）。根據上述內容用公式（1）計算出測量設備的坐標（x0b，y0b，z0b）：

使用加速度計、陀螺儀和紅外傳感器系統測定測量設備姿態角，解算出測量設備所在的坐標系O、X、Y、Z向量，由測量設備基準點和坐標解得靶球在地面坐標系統中的絕對坐標點。求出靶球在掘進機坐標系中的坐標，在根據測量設備在掘進機坐標系中坐標增量，求出絕對坐標。

1）將方位角定義為azimuth、橫滾角定義為Roll angle、俯仰角定義為angle of pitch，這些姿態角由慣導實時輸出；

2）將掘進機Y軸向量投影在XOY平面上，假設單位長度為l;

3）由azimuth和angle of pitch求出Y軸向量；

4）對Y軸向量進行標準化；

5）X軸和Y軸垂直，坐標正交內積為0；

6）已知Roll angle，長度l，可求出X軸單位向量；

7）用X、Y軸向量差積正交化求得Z軸向量；

8）由已知相對坐標，根據所求坐標系，求得該坐標點在坐標系下的投影坐標增量；

9）計算定位坐標。

3 結語

基于無線紅外傳感器，研制新的掘進機井下定位系統，應用本系統可以實時定位掘進機工作位置，感知工作環境。為后續實現和周圍環境交互工作提供基礎。