掘进机激光引导定位定向装置及方法

1.一种掘进机激光引导定位定向装置，其特征在于该装置包括在掘进机后部的巷道顶板(12)上设置一个激光指向器(11)、安装在掘进机前部的悬臂(15)上的激光接收装置(13)；所述的激光接收装置(13)中，激光接收器的输出端接多路转换开关(22)的输入端，多路转换开关(22)的输出端接模数转换器(23)的输入端，模数转换器(23)的输出端接单片机(24)的输入端，单片机(24)的输出端输出掘进机偏离激光引导方向的偏差和掘进悬臂对准掘进断面中心坐标的信息，所述单片机的型号为89S51。
2.根据权利要求1所述的掘进机激光引导定位定向装置，其特征在于所述激光指向器(11)发射的激光采用调制光。
3.根据权利要求1所述的掘进机激光引导定位定向装置，其特征在于：所述激光接收装置(13)由光电接收元件和与之对应的放大器组成；光电接收元件由多个光敏管组成光敏管矩阵，光敏管矩阵中心位置的光敏管为基准光敏管(31)，每一个光敏管后接一个光电转换放大电路；光敏管的一端接地，另一端接第一运算放大器(U1)的同向输入端，其正输入端与输出端之间接第二电阻(R2)，构成前级运放电路；为了消除暗电流的影响，第二电阻(R2)两端并联第二电容(C2)，第一运算放大器(U1)的反向输入端通过相并联的第一电容(C1)、第一电阻(R1)接地；第一运算放大器(U1)的输出端接第二运算放大器(U2)的同向输入端构成主放大电路，改变第4电阻(R4)的阻值可以改变放大倍数。
4.根据权利要求1所述的掘进机激光引导定位定向装置，其特征在于：所述多路转换开关(22)由第一多路转换开关(UIB)、第二多路转换开关(U2B)构成32选1功能的多路选择电路，两路多路转换开关的输入端连接激光接收器的输出端，用以接收27路模拟量信号，其输出端接模数转换器(U2B)的输入端10VIN；两个多路转换开关的通道选择控制端(A0、A1、A2、A3)分别对应接单片机(U3A)的控制信号输出端(P1.0、P1.2、P1.3、P1.4)。
5.一种如权利要求1所述的掘进机激光引导定位定向装置的定位定向方法，其特征在于该定位定向方法包括以下步骤：
a 在掘进机后面的巷道顶板上设置一个激光指向器(11)；激光指向器(11)位于巷道的中心线上，其中的激光发射器发射指向激光，激光束提供巷道施工的中心线；
b 在距截割头约50～100cm处的悬臂(15)上安装一个激光接收器(21)，用以接收指向激光；
c 将截割头(14)对准指向激光，调整悬臂使基准光敏管接收到指向激光，即完成了截割头的位置标定，并以此为坐标基准，控制截割头的正常掘进；
d 将激光接收器(21)的输出端与多路转换器的输入端连接，多路转换器的输出端与模数转换器输入端连接，模数转换器将数字信号传送至单片机；
e 激光接收器中的任何一个光敏管接收到指向激光，单片机都能计算出切割头的位置，并对悬臂的实际位置和基准坐标进行比较、处理，输出掘进悬臂对准掘进断面中心坐标的信息，实现截割头的定位截割；
f 当控制悬臂使基准光敏管接收到指向激光束时，根据安装在截割悬臂上的角位移检测器和机身上的倾斜检测器与前进方向倾角检测器，得到悬臂的偏转角度和机身姿态信息，通过计算机处理中心的计算，输出掘进机机身与激光引导方向的偏离误差，实现掘进机激光引导的定向控制。

掘进机激光引导定位定向装置及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种掘进机激光引导定位定向装置及方法，尤其适用于环境恶劣煤矿井下实现掘进机的远程控制，缩短悬臂调整时间，提高掘进的速度，也保证了掘进机在指向激光方向上的定向掘进，为掘进断面的精确截割提供了基准依据。\n背景技术\n[0002] 巷道掘进时的精确导向问题是巷道施工时的一个关键问题，导向精度的高低直接影响巷道的施工质量和施工效率。煤矿掘进机为了按照预先规定的路线掘进，目前国内将激光束投射到需要挖掘的煤岩上，根据激光束的指向，人工不断地给操作司机提示，非常麻烦；国外将激光接收器安装在掘进机上，通过掘进机身的调整，进行定向挖掘，这种方法的缺点是由于掘进机的倾斜、跑偏等现象，机身上的激光接收器很难接收到进行导向的激光束，国内有关研究提出了“智能经纬仪导向”的思路，即将激光接收器设计成可以自由活动的测量机器人，该方法实际上由于现场地形和环境的复杂难以实施，此外通过左右行走马达将机身调正需要很长的时间，会大大影响掘进机的工作效率。公开号为CN101266134，名称为“悬臂掘进机头位姿的测量系统及其方法”的专利通过测量掘进机车体在大地坐标系的坐标，测量掘进机车体偏摆角、仰俯角、横滚角和油缸行程，计算悬臂掘进机头相对车体以及大地坐标系的位姿。此法数据采集处理复杂，没有直接标定掘进悬臂对准掘进断面中心坐标的信息，且调整时间较长。\n发明内容\n[0003] 技术问题：本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种结构简单，光的抗干扰性能强，工作效率高，掘进机在机身倾斜、跑偏等不同情况下，在指向激光方向上定向掘进的装置及方法。\n[0004] 技术方案：本发明的装置是由激光发射器、安装在悬臂上的激光接收器和多路转换开关、模数转换器、单片机和控制系统构成，其中激光接收器的输出端与多路装换开关的输入端相连，多路装换开关的输出端和模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与单片机的输入端相连接，单片机输出掘进机偏离激光引导方向的偏差和掘进悬臂对准掘进断面中心坐标的信息。\n[0005] 装置包括在掘进机后部的巷道顶板上设置一个激光指向器、安装在掘进机前部的悬臂上的激光接收装置；所述的激光接收装置中，激光接收器的输出端接多路转换开关的输入端，多路转换开关的输出端接模数转换器的输入端，模数转换器的输出端接单片机的输入端，单片机的输出端输出掘进机偏离激光引导方向的偏差和掘进悬臂对准掘进断面中心坐标的信息。\n[0006] 所述激光指向器发射的激光采用调制光。\n[0007] 所述激光接收装置由光电接收元件和与之对应的放大器组成；光电接收元件由多个光敏管组成光敏管矩阵，光敏管矩阵中心位置的光敏管为基准光敏管，每一个光敏管后接一个光电转换放大电路；光敏管的一端接地，另一端接第一运算放大器的同向输入端，其正输入端与输出端之间接第二电阻，构成前级运放电路；为了消除暗电流的影响，第二电阻两端并联第二电容，第一运算放大器的反向输入端通过相并联的第一电容、第一电阻接地；\n第一运算放大器的输出端接第二运算放大器的同向输入端构成主放大电路，改变第4电阻的阻值可以改变放大倍数。\n[0008] 所述多路转换开关由第一多路转换开关、第二多路转换开关构成32选1功能的多路选择电路，两路多路转换开关的输入端连接激光接收器的输出端，用以接收27路模拟量信号，其输出端接模数转换器的输入端10VIN；两个多路转换开关的通道选择控制端分别对应接单片机的控制信号输出端。\n[0009] 所述单片机的型号为89S51。\n[0010] 掘进机激光引导定位定向装置的定位定向方法包括以下步骤：\n[0011] a在掘进机后面的巷道顶板上设置一个激光指向器；激光指向器位于巷道的中心线上，其中的激光发射器发射指向激光，激光束提供巷道施工的中心线；\n[0012] b在距截割头约50～100cm处的悬臂上安装一个激光接收器，用以接收指向激光；\n[0013] c将截割头对准指向激光，调整悬臂使基准光敏管接收到指向激光，即完成了截割头的位置标定，并以此为坐标基准，控制截割头的正常掘进；\n[0014] d将激光接收器的输出端与多路转换器的输入端连接，多路转换器的输出端与模数转换器输入端连接，模数转换器将数字信号传送至单片机；\n[0015] e激光接收器中的任何一个光敏管接收到指向激光，单片机都能计算出切割头的位置，并对悬臂的实际位置和基准坐标进行比较、处理，输出掘进悬臂对准掘进断面中心坐标的信息，实现截割头的定位截割；\n[0016] f当控制悬臂使基准光敏管接收到指向激光束时，根据安装在截割悬臂上的角位移检测器和机身上的倾斜检测器与前进方向倾角检测器，得到悬臂的偏转角度和机身姿态信息，通过计算机处理中心的计算，输出掘进机机身与激光引导方向的偏离误差，实现掘进机激光引导的定向控制。\n[0017] 有益效果：保证掘进机在机身倾斜、跑偏等不同情况下通过截割头的定向控制来实现定向掘进；截割头对准指向激光，基准光敏管接收到指向激光，可以快速定位，并以此为坐标基准；激光接收器中的任何一个光敏管接收到指向激光，都可以计算出切割头的位置，根据悬臂的偏转角度和机身姿态信息，以便在挖掘一段截面后前移时进行调整，并储存修正数据，供下一步调整悬臂参考；截割悬臂的调整比较方便，可以很快地接收到激光束，缩短悬臂调整时间，提高掘进的速度，也保证了掘进机在指向激光方向上的定向掘进，为掘进断面的精确截割提供了基准依据。\n附图说明\n[0018] 图1是本发明的掘进机激光引导定位定向方法的装置示意图；\n[0019] 图2是本发明的掘进机激光引导定位定向方法的装置构成框图；\n[0020] 图3是激光接收器的光敏管排列示意图；\n[0021] 图4是本发明的掘进机激光引导定位定向方法的装置电路结构示意图。\n具体实施方式\n[0022] 所述的激光接收器由光电接收转换元件、电阻、电容、放大器组成；光电接收转换元件由27个光敏管组成，水平位置设置9个光敏管，垂直位置上设置3排光敏管，每个光敏管后接一个光电转换放大电路；光敏管一端接地，另一端接运算放大器TL082的引脚3，引脚3与6之间接入电阻R2，构成前级运放电路；为了消除暗电流的影响，电阻R2两端并联电容C2，引脚2通过电阻R1接地，电阻R2两端并联电容C1，前级运放电路输出接U2的引脚3构成主放大电路，改变R4的阻值可以改变放大倍数，将放大后的电压信号送入多路转换开关的输入端；所述多路转换开关由两片十六路输入转换开关组成，具有32选一功能，其型号为AD7506；所述模数转换器的型号为AD1674；所述单片机的型号为89S51。\n[0023] 本发明掘进机激光引导定位定向装置的定位定向方法：\n[0024] a在掘进机后面的巷道顶板上设置一个激光导向装置；激光导向装置位于巷道的中心线上，激光发射器发射指向激光，激光束提供巷道施工的中心线；\n[0025] b在距截割头约50～100cm处的悬臂上安装一个激光接收器，用以接收指向激光；\n[0026] c使截割头对准指向激光，调整悬臂使基准光敏管接收到指向激光，即完成了截割头的位置标定，并以此为坐标基准，可以控制截割头的正常掘进；\n[0027] d将激光接收器的导线与多路转换器的输入端连接，多路转换器的输出端与模数转换器输入端连接，模数转换器将数字信号传送至单片机；\n[0028] e激光接收器中的任何一个光敏管接收到指向激光，单片机都可以计算出切割头的位置，并对悬臂的实际位置和基准坐标进行比较、处理，输出掘进悬臂对准掘进断面中心坐标的信息，实现截割头的定位截割；\n[0029] f当控制悬臂使基准光敏管接收到指向激光束时，根据安装在截割悬臂上的角位移检测器和机身上的倾斜检测器与前进方向倾角检测器，得到悬臂的偏转角度和机身姿态信息，通过计算机处理中心的计算，输出掘进机机身与激光引导方向的偏离误差，实现掘进机激光引导的定向控制。\n[0030] 下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：\n[0031] 图1所示，由激光指向器、掘进机、激光接收器构成，激光发射器安装在掘进机后面位于巷道中心线的巷道顶板上，激光接收器安装在距截割头约50～100cm处的悬臂上。\n[0032] 图2所示，由激光指向器、激光接收器、多路转换开关、模数转换器和单片机构成，激光发射器安装在掘进机后面的巷道顶板上，激光接收器安装在悬臂上，其中激光接收器的输出端与多路装换开关的输入端相连，多路装换开关的输出端和模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与单片机的输入端相连接。当激光接收器接收到激光后，激光接收器将接收到的光信号转换为电流信号，送至多路转换开关和模数转换器，模数转换器将模拟信号转换成数字信号传送至单片机，单片机对数字信号进行处理，计算得出激光接收器中接收到指向激光的光敏管位置，可以计算出切割头的位置，单片机输出掘进机偏离激光引导方向的偏差和掘进悬臂对准掘进断面中心坐标的信息，进行截割头的标定和掘进机在激光指向方向上的定向。\n[0033] 图3所示，激光接收器由光电接收器件、电阻、电容、放大器组成；光电接收器件由\n27个光敏管组成，水平位置设置9个光敏管，垂直位置上设置3排光敏管，每个光敏管后接一个光电转换放大电路；正中位置光敏管为基准光敏管。\n[0034] 图4所示，激光接收器由光电接收器件、电阻、电容、放大器组成；光敏管一端接地，另一端接TL082的引脚3；引脚3连接电阻R2，电阻R2连接TL082的引脚6，构成前级运放电路；为了消除暗电流的影响，TL082的引脚2连接电容C2，电容C2连接TL082的引脚\n6，TL082引脚2连接电阻R1，电阻R1接地，引脚2连接电容C1，电容C1接地；前级运放电路输出接U2的引脚3构成主放大电路，改变R4的阻值可以改变放大倍数；将放大后的电压信号送入多路转换开关的输入端。\n[0035] 多路转换开关由两片AD7506构成32选1功能的多路选择，两片AD7506的输入端连接激光接收器的输出端，用以接收27路模拟量信号。AD7506的工作电源端VDD接+15V、VSS接-15V。其中一片AD7506的通道选择控制端A0、A1、A2、A3分别连接89S51单片机的引脚2、3、4、5，其引脚17接89S51单片机的引脚1，输出端OUT接AD1674模数转换器的引脚\n13；另一片AD7056的通道选择控制端A0、A1、A2、A3的分别接89S51单片机的引脚2、3、4、5，EN端连接非门74LS05的引脚1，74LS05的引脚2连接9S51单片机的引脚1，输出端OUT接AD1674模数转换器的引脚13。\n[0036] 模数转换器AD1674的输入端10VIn连接多路转换开关的输出端，用以接收电路的输出信号。AD1674模数转换器的工作电源端VCC、Veer分别接+15V、接-15v，其引脚1接+5V，引脚2、9、15分别接地，其引脚4接74LS373的引脚2，其引脚3接89S51单片机的引脚\n28，其引脚5连接非门74LS04的引脚2，74LS04的引脚1接89S51单片机的引脚17，AD1674模数转换器的引脚6连接与非门SN74LS00的引脚3，SN74LS00的引脚1、2分别连接89s51单片机的引脚16、17，AD1674模数转换器的引脚28接单片机89S51的引脚13，引脚20至\n27分别接89s51单片机的8个引脚39至32，其引脚16至19分别接AD1674模数转换器的引脚24至27；74LS373的输出端D0至D7分别接89s51单片机的引脚39至32，其引脚11接单片机89S51的引脚30。\n[0037] 本发明的激光引导定位定向方法：在掘进机后面的巷道顶板上安装激光发射器，在距截割头约50～100cm处的悬臂上安装一个激光接收器，将激光接收器的导线通过多路开关与模数转换器输入端相连，激光接收器将检测到的光信号转换为电信号，通过多路转换开关、模数转换器将数字信号传送至单片机，经单片机程序运算和处理后，即可计算出激光接收器中具体某一个光敏管接收到指向激光，从而计算出切割头的位置，得到掘进悬臂对准掘进断面中心坐标的信息并能确定掘进机机身与前进方向的偏离误差，以便在挖掘一段截面后前移时进行调整。