基于有源红外传感器的掘进机定位系统的开发

邵小军

（山西宁武大运华盛老窑沟煤业有限公司，山西 宁武 036002）

引言

掘进机是一种设计用来破坏岩体，将岩体装载在车辆（卡车、输送机、装载机等）上的采矿机械，适用于掘进山区水平、倾斜巷道、竖井、隧道施工。远程控制是掘进机工作中最重要的技术之一，该技术可大大降低隧道施工过程中的事故风险。掘进机在地下进行位置确定和感知主要依靠视频进行作业[1-2]，无法精确感知在地下的位置信息，也就无法实现精确开采。过去掘进机在井下开采定位问题主要依靠人工和视频方式进行作业。本文针对上述问题，基于红外激光传感器采用惯性导航仪、加速度计、陀螺仪构建网路解决井下掘进机的定位并规避上述技术方法出现的问题。

1 定位系统

1.1 定位系统构成

本文定位系统由红外激光传感器、惯性导航仪器、加速度和陀螺仪、控制部件等组成。红外传感器采集环境信息、位置信息和姿态信息。惯性导航用来测量掘进机加速度，通过内部运算，转换为导航坐标中的速度、偏转角和位置。加速度和陀螺仪组成测量系统，能够实现水平，垂直角度的测量，还能够进行距离和高度差的测量[3-4]。

控制部件可实现远程遥控，通过发出指令与定位装置相连，采集定位信息并反馈给后台界面得到定位信息。操作人员实现远程操作执行机构实现定位。整体构成如图1所示。

图1 定位系统构成

1.2 掘进机位姿确定方法

定位原理如图2所示，将激光定位靶球安装在掘进机上，测量系统确定靶球的位置，从而确定测量系统本身的坐标和姿态角，进而得到测量系统所在的坐标系，那么就能实现靶球位置，掘进机的姿态角由惯性导航仪测定，其与靶球共同确定掘进机坐标系，实现定位功能。

图2 位姿状态确定

1.3 坐标系的确定

根据前述位姿状态确定原理可知、掘进机绝对坐标系由地面坐标系统、掘进机坐标系，巷道坐标系统和测量系统坐标系4个坐标系统组成，见下页图3。采用右手法则确定所有系统方向。根据右手法则，确定地面坐标系X方向为东面，Y轴为北面。同时垂直此两轴向为Z轴正向。同理，根据右手定则，X轴方向在右，垂直巷道地面向上的方向就是Z轴方向，此时，就确定了巷道坐标系统。掘进机坐标系统的Y轴定义为北面，X轴则为垂直Y轴向右，垂直XY方向则为Z方向。

图3 定位方位坐标

2 系统开发

2.1 关键技术

要解决掘进机远程控制而不需要作业人员可视控制的问题，就必须解决几个问题：

首先，实现数据采集，主要是通过安装在掘进机上的传感器来实现，这类传感器功能主要是采集掘进机的工作体的位置和倾斜角度传感器。此外，还有以电控控制阀驱动的执行机构，除了更好地控制动力设备的状态外，在掘进机的液压和电气电路中还将引入传感器来收集掘进机负载的信息。当掘进机负载异常时，掘进机将停止工作，操作员将收到错误信息。

要实现掘进机的远程操控，需要一个可以进行交互的远程控制器来实现操作人员和掘进机的信息传递和交流，为了建立这个系统，需要进行一系列的仿真和实际实验来确定信号处理和传输。

其次，从技术角度来看，在掘进机移动时出现的各种障碍中，掘进机提供线性运动的系统是最困难的。该系统对掘进机机体在三个平面上的位置进行连续监测。这是为了保证隧道工程的准确性能。在此基础上，该系统将计算出的工作机构的位置传送给操作人员，以保证过程的可视化。目前，这种系统存在于连续掘进机中，但可靠性较低。这些系统大部分是基于激光传感器与反射系统。因此，系统如图4所示,由一个激光指针1、2和三个反射器传感器3组成。

在所开发的系统中，计划实现红外距离传感器与主动照明系统。接收机沿掘进机运动轴线随机定位。发射机信号位于掘进机本体上。当掘进机打开时，系统初始化其在空间中的位置。从而根据传感器的读数将掘进机的位置和工作体计算出来。如果任一掘进机元件被加热到与红外辐射器温度相等的温度，则辐射器改变其工作温度。这样的系统应确保最大的可靠性和准确性。

在确定了掘进机本体的位置后，操作者可以通过遥控器发出指令。在这种情况下，远程控制系统通过交换机与井下掘进机的下位机进行交互。下位机得到指令后给执行机构发出指令，执行机构实现掘进运动。同时在地面显示设备上反馈信息精确显示位置信息，并对掘进机系统的操作性进行应急状态监测，以提高掘进机工程的安全性。

2.2 定位算法

掘进机在巷道中的定位问题用以往的文献中单纯使用惯性导航得出实时状态的姿态角是无法完成的，表示旋转过程的欧拉角也无法利用惯性导航得出。按照一定顺序旋转根据相同角度是无法得到相应的实时状态。这种问题是由于旋转顺序和坐标定义不同都会使得旋转角度计算结果不同。目前还没有发现根据姿态角旋转，利用惯性导航实时计算姿态角算法[5]。

因此，利用惯性导航进行定位算法是十分必要的。首先，根据惯性导航仪测出的姿态角定义为α，β，γ，坐标向量由此姿态角计算得出，解算得出掘进机的坐标系定义为O、X、Y、Z，最后用测量设备测量出定位靶球的坐标，输出参数距离L，方位角αf和倾角αq，在这里假设测量设备的基准点坐标定位为（x0，y0，z0）。根据上述内容用公式（1）计算出测量设备的坐标（x0b，y0b，z0b）：

使用加速度计、陀螺仪和红外传感器系统测定测量设备姿态角，解算出测量设备所在的坐标系O、X、Y、Z向量，由测量设备基准点和坐标解得靶球在地面坐标系统中的绝对坐标点。求出靶球在掘进机坐标系中的坐标，在根据测量设备在掘进机坐标系中坐标增量，求出绝对坐标。

1）将方位角定义为azimuth、横滚角定义为Roll angle、俯仰角定义为angle of pitch，这些姿态角由惯导实时输出；

2）将掘进机Y轴向量投影在XOY平面上，假设单位长度为l;

3）由azimuth和angle of pitch求出Y轴向量；

4）对Y轴向量进行标准化；

5）X轴和Y轴垂直，坐标正交内积为0；

6）已知Roll angle，长度l，可求出X轴单位向量；

7）用X、Y轴向量差积正交化求得Z轴向量；

8）由已知相对坐标，根据所求坐标系，求得该坐标点在坐标系下的投影坐标增量；

9）计算定位坐标。

3 结语

基于无线红外传感器，研制新的掘进机井下定位系统，应用本系统可以实时定位掘进机工作位置，感知工作环境。为后续实现和周围环境交互工作提供基础。