本發(fā)明涉及懸臂式掘進(jìn)機(jī)精確糾偏裝置及方法，尤其是一種基于線激光陣列旋轉(zhuǎn)掃描與捷聯(lián)慣導(dǎo)聯(lián)合作用的掘進(jìn)機(jī)精確糾偏裝置及方法。

背景技術(shù)：

掘進(jìn)機(jī)作為巷道機(jī)械化掘進(jìn)中最重要的設(shè)備，其工作情況直接影響到施工質(zhì)量。實(shí)際施工中，掘進(jìn)機(jī)無(wú)論是在行走過(guò)程中還是作業(yè)過(guò)程中，其運(yùn)行軌跡總是會(huì)發(fā)生與巷道軸線偏離的問(wèn)題，在掘進(jìn)機(jī)的行進(jìn)軌跡測(cè)量及糾偏控制上，目前掘進(jìn)機(jī)使用的多個(gè)激光點(diǎn)測(cè)量到巷道兩側(cè)距離，由于巷道兩側(cè)凹凸不平等影響，每個(gè)激光點(diǎn)測(cè)出的距離偏差很大，無(wú)法反應(yīng)出平均距離特征，這種方式測(cè)量及糾偏的結(jié)果存在很大偏差，不能較高程度的跟巷道設(shè)計(jì)軌跡吻合，從而影響工程質(zhì)量。因此，一種便捷高效、自動(dòng)精確測(cè)量和糾偏作業(yè)的掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)函待出現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明目的是克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種基于線激光陣列的旋轉(zhuǎn)掃描的掘進(jìn)機(jī)精確糾偏裝置及方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：一種基于線激光陣列旋轉(zhuǎn)掃描的掘進(jìn)機(jī)精確糾偏裝置，包括控制系統(tǒng)、捷聯(lián)慣導(dǎo)和線激光陣列，控制系統(tǒng)通過(guò)通訊控制電纜分別連接捷聯(lián)慣導(dǎo)和線激光陣列，線激光陣列包括固定基臺(tái)、旋轉(zhuǎn)柱、激光測(cè)距傳感器和步進(jìn)電機(jī)，固定基臺(tái)上設(shè)置步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)輸出軸與旋轉(zhuǎn)柱相連，在旋轉(zhuǎn)柱的外圓柱表面沿軸向間隔設(shè)置若干激光測(cè)距傳感器。

一種上述糾偏裝置的掘進(jìn)機(jī)糾偏方法，該方法包括：

在掘進(jìn)機(jī)左右兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)糾偏裝置，在掘進(jìn)機(jī)中心設(shè)置捷聯(lián)慣導(dǎo)，在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)捷聯(lián)慣導(dǎo)實(shí)時(shí)采集掘進(jìn)機(jī)位置坐標(biāo)信息，對(duì)掘進(jìn)機(jī)做粗略定位，每隔固定周期通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)柱上的激光測(cè)距傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)θ角度，從而獲取掘進(jìn)機(jī)相對(duì)于巷道軸線的偏移量，根據(jù)偏移量對(duì)掘進(jìn)機(jī)做位置修正，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的精確糾偏。

進(jìn)一步的，獲取掘進(jìn)機(jī)相對(duì)于巷道軸線的偏移量具體包括以下步驟：

通過(guò)捷聯(lián)慣導(dǎo)實(shí)時(shí)采集掘進(jìn)機(jī)位置坐標(biāo)信息，確定掘進(jìn)機(jī)中心的坐標(biāo)點(diǎn)o；

確定掘進(jìn)機(jī)左側(cè)糾偏裝置的旋轉(zhuǎn)柱的軸心坐標(biāo)點(diǎn)d、坐標(biāo)點(diǎn)d在巷道側(cè)壁的投影點(diǎn)a、f，坐標(biāo)點(diǎn)o在af連線上的投影點(diǎn)e，確定左側(cè)糾偏裝置的激光測(cè)距傳感器相鄰兩次發(fā)射激光在巷道側(cè)壁的光斑坐標(biāo)點(diǎn)b、c，確定bd、cd長(zhǎng)度和θ角度；

由三角形面積計(jì)算公式、余弦定理、正弦定理，列出如下等式：

de＝do·cosα＝do·sin(β+θ)(4)

ae＝ad+do(5)

聯(lián)立1-5式，解出：

其中：s1為b、c、d三點(diǎn)構(gòu)成的三角形面積；θ角為bc連線與bd連線所成的夾角，即步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)柱上的激光測(cè)距傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)角度，β為bc連線與cd連線所成的夾角；

確定掘進(jìn)機(jī)右側(cè)糾偏裝置的旋轉(zhuǎn)柱的軸心坐標(biāo)點(diǎn)g，坐標(biāo)點(diǎn)g在巷道側(cè)壁的投影點(diǎn)j，確定jg與oe的交點(diǎn)k，確定右側(cè)糾偏裝置的激光測(cè)距傳感器相鄰兩次發(fā)射激光在巷道側(cè)壁的光斑坐標(biāo)點(diǎn)h、i；確定ig和hg長(zhǎng)度；

由三角形面積計(jì)算公式、余弦定理、正弦定理，列出如下等式：

gk＝go·cosα＝go·sin(β+θ)(11)

ef＝j(luò)k＝j(luò)g+gk(12)

聯(lián)立8-12式，解出：

其中：s2為g、h、i三點(diǎn)構(gòu)成的三角形面積；

最終，通過(guò)下式獲得掘進(jìn)機(jī)相對(duì)于巷道軸線的偏移量：

其中：d為偏距，α為偏角。

有益效果：本發(fā)明通過(guò)捷聯(lián)慣導(dǎo)與線激光陣列旋轉(zhuǎn)掃描聯(lián)合作用，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的精確糾偏。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明掘進(jìn)機(jī)精確糾偏裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的車(chē)身相對(duì)于巷道偏轉(zhuǎn)角度示意圖；

圖3偏角和偏距幾何關(guān)系圖一；

圖4偏角和偏距幾何關(guān)系圖二；

圖中：1—固定基臺(tái)；2—旋轉(zhuǎn)柱；3—激光測(cè)距傳感器；4—步進(jìn)電機(jī)。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。

如圖1所示，本發(fā)明的一種基于線激光陣列旋轉(zhuǎn)掃描的掘進(jìn)機(jī)精確糾偏裝置，包括控制系統(tǒng)、捷聯(lián)慣導(dǎo)和線激光陣列，控制系統(tǒng)通過(guò)通訊控制電纜分別連接捷聯(lián)慣導(dǎo)和線激光陣列，線激光陣列包括固定基臺(tái)1、旋轉(zhuǎn)柱2、激光測(cè)距傳感器3和步進(jìn)電機(jī)4，固定基臺(tái)1上設(shè)置步進(jìn)電機(jī)4，步進(jìn)電機(jī)4輸出軸與旋轉(zhuǎn)柱2相連，在旋轉(zhuǎn)柱2的外圓柱表面沿軸向間隔設(shè)置若干激光測(cè)距傳感器3。本實(shí)施例中，激光測(cè)距傳感器3數(shù)量為5個(gè)，激光測(cè)距傳感器3利用漫反射原理發(fā)射并接收激光，工作頻率為50hz，為防止各激光之間互相干擾，多個(gè)激光測(cè)距傳感器3之間采用依次間隔0.02s發(fā)射接收的工作方式。

基于上述糾偏裝置的掘進(jìn)機(jī)糾偏方法，該方法包括：

在掘進(jìn)機(jī)左右兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)糾偏裝置，在掘進(jìn)機(jī)中心設(shè)置捷聯(lián)慣導(dǎo)，在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)捷聯(lián)慣導(dǎo)實(shí)時(shí)采集掘進(jìn)機(jī)位置坐標(biāo)信息，對(duì)掘進(jìn)機(jī)做粗略定位，每隔固定周期通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)柱上的激光測(cè)距傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)θ角度，從而獲取掘進(jìn)機(jī)相對(duì)于巷道軸線的偏移量，根據(jù)偏移量對(duì)掘進(jìn)機(jī)做位置修正，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的精確糾偏。

如圖2至4所示，獲取掘進(jìn)機(jī)相對(duì)于巷道軸線的偏移量具體包括以下步驟：

通過(guò)捷聯(lián)慣導(dǎo)實(shí)時(shí)采集掘進(jìn)機(jī)位置坐標(biāo)信息，確定掘進(jìn)機(jī)中心的坐標(biāo)點(diǎn)o；

確定掘進(jìn)機(jī)左側(cè)糾偏裝置的旋轉(zhuǎn)柱的軸心坐標(biāo)點(diǎn)d、坐標(biāo)點(diǎn)d在巷道側(cè)壁的投影點(diǎn)a、f，坐標(biāo)點(diǎn)o在af連線上的投影點(diǎn)e，確定左側(cè)糾偏裝置的激光測(cè)距傳感器相鄰兩次發(fā)射激光在巷道側(cè)壁的光斑坐標(biāo)點(diǎn)b、c，確定bd、cd長(zhǎng)度和θ角度；

由三角形面積計(jì)算公式、余弦定理、正弦定理，列出如下等式：

de＝do·cosα＝do·sin(β+θ)(4)

ae＝ad+do(5)

聯(lián)立1-5式，解出：

其中：s1為b、c、d三點(diǎn)構(gòu)成的三角形面積；θ角為bc連線與bd連線所成的夾角，即步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)柱上的激光測(cè)距傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)角度，β為bc連線與cd連線所成的夾角；

確定掘進(jìn)機(jī)右側(cè)糾偏裝置的旋轉(zhuǎn)柱的軸心坐標(biāo)點(diǎn)g，坐標(biāo)點(diǎn)g在巷道側(cè)壁的投影點(diǎn)j，確定jg與oe的交點(diǎn)k，確定右側(cè)糾偏裝置的激光測(cè)距傳感器相鄰兩次發(fā)射激光在巷道側(cè)壁的光斑坐標(biāo)點(diǎn)h、i；確定ig和hg長(zhǎng)度；

由三角形面積計(jì)算公式、余弦定理、正弦定理，列出如下等式：

gk＝go·cosα＝go·sin(β+θ)(11)

ef＝j(luò)k＝j(luò)g+gk(12)

聯(lián)立8-12式，解出：

其中：s2為g、h、i三點(diǎn)構(gòu)成的三角形面積；

最終，通過(guò)下式獲得掘進(jìn)機(jī)相對(duì)于巷道軸線的偏移量：

其中：d為偏距，α為偏角。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。