基于激光靶向跟蹤的懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量系統(tǒng)研究

薛光輝， 李圓， 張云飛，3

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2. 煤礦智能化與機(jī)器人創(chuàng)新應(yīng)用應(yīng)急管理部重點(diǎn)實驗室，北京 100083；3. 青島鼎信通訊消防安全有限公司，山東 青島 266111）

0 引言

煤炭是我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，在當(dāng)前和未來相當(dāng)長時期內(nèi)，煤炭作為我國主體能源的地位不會改變，一次能源占比在50%以上，90%以上的煤炭以井工方式開采。“采掘并重，掘進(jìn)先行”是煤炭開采的原則，綜掘智能化落后于綜采智能化，采掘失衡矛盾突出。據(jù)統(tǒng)計，我國年煤巷掘進(jìn)量約為12 000 km，絕大多數(shù)采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)完成。我國煤礦掘進(jìn)工作面存在智能化程度不高、用人多、環(huán)境差、事故多發(fā)等突出問題，智能掘進(jìn)已成為國家和行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)和痛點(diǎn)，掘進(jìn)關(guān)鍵裝備的智能化是當(dāng)前卡脖子的問題[1-2]。懸臂式掘進(jìn)機(jī)絕對位姿的快速準(zhǔn)確測量是實現(xiàn)煤礦巷道智能掘進(jìn)的前提和基礎(chǔ)。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量方法主要有2類：一類是通過機(jī)載高精度傳感器如捷聯(lián)慣導(dǎo)[3]、加速度和超聲波傳感器的融合測量[4]等實現(xiàn)自主測量的方法，使用方便，但屬于相對測量，測量精度較低或成本較高；另一類是利用外置式測量裝置，如激光跟蹤儀、全站儀[5]、激光導(dǎo)向儀、機(jī)器視覺、iGPS[6]、UWB[7]等，測量精度高，受雜波干擾小，但布置繁瑣，測量范圍有限，受環(huán)境影響大。目前，利用激光的懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量方法因可靠性高、成本低、無誤差累計等優(yōu)點(diǎn)深受業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的關(guān)注。周玲玲等[8]利用2對激光指向儀和激光標(biāo)靶構(gòu)建了懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿實時檢測系統(tǒng)。吳淼等[9]提出了一種基于空間交匯測量技術(shù)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量方法，利用激光裝置得到了懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿參數(shù)。馬一心等[10]提出了多臺激光跟蹤儀聯(lián)合動態(tài)位姿測量方法，可實現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿精度評定。鄧國華[11]利用激光指向測距儀和光測角儀測量懸臂式掘進(jìn)機(jī)相對于指向激光的方向角和俯仰角，但測量過程中需要調(diào)動掘進(jìn)機(jī)使激光發(fā)射到光測角儀上。Li Jianguo等[12]利用激光裝置研究了金屬礦井下鏟運(yùn)車的位置參數(shù)測量方法。Du Yuxin等[13]利用視覺測量原理和雙十字激光源照射在標(biāo)靶上的圖像，實現(xiàn)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)相對于巷道的姿態(tài)參數(shù)和偏移參數(shù)的測量。張超等[14]將紅外LED光源組成圖像測量標(biāo)靶，人為構(gòu)造圖像特征來解決特征選取問題，實現(xiàn)了位姿參數(shù)求解。

綜上可知，基于激光的懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量方法存在非絕對位姿測量、測量精度較低、使用繁瑣和測量參數(shù)單一等問題，且多處于理論研究階段，尚不能滿足智能掘進(jìn)需要。為此，本文在已有研究基礎(chǔ)上[15-16]，優(yōu)化了基于激光靶向跟蹤的懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量方法，設(shè)計了基于激光靶向跟蹤的懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)在巷道大地坐標(biāo)系中絕對位姿的一次性全參數(shù)實時測量。仿真和實驗分析了該系統(tǒng)的誤差分布規(guī)律，為懸臂式掘進(jìn)機(jī)在巷道大地坐標(biāo)系絕對位姿的快速準(zhǔn)確測量提供思路。

1 系統(tǒng)組成與測量原理

1.1 系統(tǒng)組成

基于激光靶向跟蹤的懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量系統(tǒng)由激光跟蹤裝置和激光標(biāo)靶組成，激光跟蹤裝置安裝在后方巷道頂板處，激光標(biāo)靶安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上，如圖1所示。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量系統(tǒng)組成Fig. 1 Composition of pose measurement system of cantilever roadheader

懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理如圖2所示。激光跟蹤裝置由激光測距模塊、無線通信模塊、處理器模塊和二自由度云臺等組成。激光標(biāo)靶主要由激光靶面、傾角傳感器、2個高分辨率相機(jī)、無線通信模塊和機(jī)載工控機(jī)等組成，其中激光靶面由2個相互垂直的光學(xué)靶面組成，豎向靶面是一塊半透半反射分光板，橫向靶面是一塊散射透光板。在無線通信模塊引導(dǎo)下，激光跟蹤裝置的處理器模塊控制二自由度云臺俯仰或回轉(zhuǎn)，使激光測距模塊的激光束發(fā)射到激光標(biāo)靶的豎向靶面目標(biāo)區(qū)域并被反射至橫向靶面上，在2個靶面上各形成一塊光斑，并利用激光測距模塊測得激光標(biāo)靶和激光跟蹤裝置間的距離。激光標(biāo)靶的相機(jī)1和相機(jī)2分別采集豎向靶面和橫向靶面的光斑圖像，輸出至機(jī)載工控機(jī)，提取光斑中心坐標(biāo)；激光標(biāo)靶的無線通信模塊將光斑中心坐標(biāo)發(fā)送給激光跟蹤裝置，為其處理器模塊控制二自由度云臺提供信息，同時接收激光跟蹤裝置無線通信模塊發(fā)來的測距值和二自由度云臺的俯仰與偏向角度值，并傳輸給機(jī)載工控機(jī)；傾角傳感器測出激光標(biāo)靶的俯仰角并傳輸給機(jī)載工控機(jī)；機(jī)載工控機(jī)根據(jù)上述測量值解算出懸臂式掘進(jìn)機(jī)絕對位姿。

1.2 位姿測量原理

掘進(jìn)機(jī)機(jī)身坐標(biāo)系{S}以掘進(jìn)機(jī)機(jī)身中心點(diǎn)OS為原點(diǎn)，XS軸沿掘進(jìn)機(jī)機(jī)身中線指向巷道掘進(jìn)方向，ZS軸垂直掘進(jìn)機(jī)機(jī)身向上；激光跟蹤坐標(biāo)系{J}以激光跟蹤裝置的回轉(zhuǎn)和俯仰中心點(diǎn)OJ為原點(diǎn)，激光發(fā)射方向為XJ軸正向，回轉(zhuǎn)軸向上為ZJ軸正向；激光標(biāo)靶坐標(biāo)系{B}以激光標(biāo)靶的豎向靶面與橫向靶面交線右頂點(diǎn)OB為原點(diǎn)，沿交線向左為YB軸正向，沿豎向靶面向上為ZB軸正向；巷道大地坐標(biāo)系{H}以巷道中大地坐標(biāo)已知點(diǎn)OH為原點(diǎn)，XH軸沿巷道中線指向掘進(jìn)方向，ZH軸垂直水平面向上。掘進(jìn)機(jī)位姿測量就是要確定掘進(jìn)機(jī)在巷道大地坐標(biāo)系中的位姿，如圖3所示。

圖3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量系統(tǒng)坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig. 3 Coordinate systems of pose measurement system of cantilever roadheader and their transform relationships

設(shè)Jp為空間任一點(diǎn)p在激光跟蹤坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)，Hp為點(diǎn)p在巷道大地坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)，即

式中：（Jpx,Jpy,Jpz）為點(diǎn)p在激光跟蹤坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；（Hpx,Hpy,Hpz）為點(diǎn)p在巷道大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

根據(jù)圖3和式（1）有

其中：

同樣地，激光標(biāo)靶坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)q的坐標(biāo)記為Bq， 其在激光跟蹤坐標(biāo)系中的坐標(biāo)記為Jq，則有

式中：α1，β1，γ1分別為激光標(biāo)靶坐標(biāo)系沿激光跟蹤坐標(biāo)系ZJ軸、YJ軸和XJ軸旋轉(zhuǎn)的角度；為激光標(biāo)靶坐標(biāo)系原點(diǎn)OB在激光跟蹤坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

測量時，激光跟蹤裝置發(fā)射一束激光照射到激光標(biāo)靶的豎向靶面上，經(jīng)豎向靶面反射后又照射到激光標(biāo)靶的橫向靶面上，在2個靶面上形成2塊激光光斑，如圖3中的點(diǎn)A和a。設(shè)點(diǎn)A在激光標(biāo)靶坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（0,yA,zA），在激光跟蹤坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（d,0,0），其中d為激光跟蹤裝置坐標(biāo)原點(diǎn)OJ與點(diǎn)A之間的距離。點(diǎn)a在激光標(biāo)靶坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（-xa,ya, 0），點(diǎn)a關(guān)于YBOBZB平面的對稱點(diǎn)為a′（xa,ya, 0），該點(diǎn)在激光跟蹤坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（dc,0,0），其中dc為激光束到達(dá)豎向靶面經(jīng)反射后到達(dá)橫向靶面的距離，由激光跟蹤裝置中的激光測距模塊測得。則有

為便于接收激光跟蹤裝置發(fā)射的激光，使激光標(biāo)靶的2個正交靶面與水平面夾角呈45°，使用時激光標(biāo)靶靶面開口應(yīng)朝向巷道后方的激光跟蹤裝置。激光標(biāo)靶底座上安裝有傾角傳感器，用于測量激光標(biāo)靶與巷道大地坐標(biāo)系水平面間的夾角γq，利用γq可計算得到γ1。

設(shè)Sn為空間任意一點(diǎn)n在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)，Bn為點(diǎn)n在激光標(biāo)靶坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)，則有

其中：

同時，設(shè)α，β，γ為掘進(jìn)機(jī)在巷道大地坐標(biāo)系中的偏向角、俯仰角和翻滾角，（x,y,z）為掘進(jìn)機(jī)在巷道大地坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，對應(yīng)掘進(jìn)方向位置、偏距和高度，則掘進(jìn)機(jī)機(jī)身坐標(biāo)系到巷道大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為

由圖3（b）所示的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系可知：

將式（3）、式（5）、式（11）和式（12）代入式（13），并利用等式兩邊矩陣對應(yīng)元素相等建立方程組，可解得掘進(jìn)機(jī)在巷道大地坐標(biāo)系中的絕對位姿，即掘進(jìn)機(jī)位姿測量數(shù)學(xué)模型：

綜上可知，懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量與解算流程如下：

（1） 將激光標(biāo)靶安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上，并通過標(biāo)定獲得掘進(jìn)機(jī)機(jī)身坐標(biāo)系到激光標(biāo)靶坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

（2） 將激光跟蹤裝置安裝在巷道某位置，標(biāo)定獲得其在巷道大地坐標(biāo)系中的位置

（3） 激光跟蹤裝置根據(jù)無線模塊接收的信息，控制二自由度云臺運(yùn)動，使發(fā)射的激光束照射到激光標(biāo)靶的豎向靶面上，利用此時的偏向角α0和俯仰角β0，結(jié)合步驟（2）得到的坐標(biāo)利用式（3）求得巷道大地坐標(biāo)系到激光跟蹤坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。同時，激光測距模塊測得激光跟蹤裝置到激光標(biāo)靶的距離dc。

（4） 利用相機(jī)1和相機(jī)2分別獲取豎向和橫向靶面上激光光斑的坐標(biāo)（0,yA,zA）和（-xa,ya, 0），結(jié)合激光標(biāo)靶內(nèi)部傾角傳感器測得的夾角γq，代入式（7）-式（9）和式（5），獲得激光跟蹤坐標(biāo)系到激光標(biāo)靶坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

（6） 利用式（14）解算出掘進(jìn)機(jī)在巷道大地坐標(biāo)系中的絕對位置（x,y,z）和姿態(tài)（α, β, γ）。

（7） 重復(fù)步驟（3）-步驟（6），可連續(xù)測量得到掘進(jìn)機(jī)在巷道大地坐標(biāo)系中的絕對位姿。

（8） 當(dāng)超出測量范圍時，將激光跟蹤裝置前移，然后重復(fù)步驟（2）-步驟（7），即可實現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)在巷道掘進(jìn)過程中的絕對位姿測量。

2 位姿測量誤差仿真分析

根據(jù)建立的懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量數(shù)學(xué)模型，分析懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量系統(tǒng)中影響位姿解算精度的因素及位姿測量誤差，確定系統(tǒng)各組成部分的結(jié)構(gòu)尺寸和技術(shù)參數(shù)，建立系統(tǒng)仿真模型，分析掘進(jìn)距離及激光跟蹤裝置安裝位置對系統(tǒng)測量誤差的影響規(guī)律，為系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用和后續(xù)改進(jìn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

2.1 精度影響因素

由懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量數(shù)學(xué)模型可知，掘進(jìn)機(jī)位姿參數(shù)解算與激光跟蹤裝置到激光標(biāo)靶的距離、提取的激光光斑中心坐標(biāo)、激光標(biāo)靶傾角測量值、激光跟蹤裝置俯仰角與偏向角測量值有關(guān)，這些參數(shù)的測量誤差均會影響掘進(jìn)機(jī)位姿解算精度。

（1） 光斑中心坐標(biāo)提取誤差?，F(xiàn)有的光斑視覺定位精度可達(dá)到像素級[17]，設(shè)計豎向、橫向靶面的寬度均為 200 mm、高度均為 225 mm，以相機(jī)像素為960 dpi為例，每個像素點(diǎn)代表的實際尺寸為0.23 mm，考慮相機(jī)畸變標(biāo)定后的殘余誤差，將激光標(biāo)靶光斑中心坐標(biāo)提取精度設(shè)為1 mm。

（2） 激光跟蹤裝置角度定位誤差。激光跟蹤裝置偏向角和俯仰角跟蹤的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用直流無刷伺服電動機(jī)，其定位誤差與所用編碼器精度有關(guān)。系統(tǒng)中選用的編碼器為16 位，精度為0.005°。

（3） 激光測距誤差。系統(tǒng)中采用SK80激光測距模塊，最大測量范圍為80 m，測量精度為2 mm。

（4） 激光標(biāo)靶傾角測量誤差。采用的傾角傳感器分辨力為0.001°，全量程線性精度為0.005°。

2.2 仿真結(jié)果

合理設(shè)計系統(tǒng)各裝置尺寸對其工程應(yīng)用具有重要意義。掘進(jìn)機(jī)位姿測量時，激光標(biāo)靶安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上，外形尺寸過大不利于測量的靈活性和安裝的便利性，過小則不能滿足測量范圍要求。以EBZ220型掘進(jìn)機(jī)為例，按掘進(jìn)方向測量范圍為5～80 m計算，偏向角α的變化范圍為-27.7 ～ 42.6°，要滿足上述要求會使激光標(biāo)靶的尺寸非常大，不利于其安裝使用。本文系統(tǒng)設(shè)計的激光標(biāo)靶尺寸為225 mm×200 mm（高×寬），在5～80 m范圍內(nèi)其偏向角α測量范圍為-16.25～+16.25°。為滿足測量要求，需要對激光跟蹤裝置和激光標(biāo)靶的安裝位置進(jìn)行分析。激光標(biāo)靶的較佳安裝位置：將底座安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上，使激光標(biāo)靶坐標(biāo)系的XB軸與掘進(jìn)機(jī)機(jī)身坐標(biāo)系的XS軸呈45°夾角，YB軸與YS軸平行。假定激光跟蹤裝置安裝在激光標(biāo)靶正后方（標(biāo)靶正后）、巷道左幫頂板處（頂部左幫）、巷道右?guī)晚敯逄帲敳坑規(guī)停?、激光?biāo)靶正后方頂板處（頂部正后）、與激光標(biāo)靶同一水平面巷道左幫處（標(biāo)靶左幫）和與激光標(biāo)靶同一水平面巷道右?guī)吞帲?biāo)靶右?guī)停?個位置。由于光斑中心坐標(biāo)提取誤差服從正態(tài)分布[18]，而傾角傳感器和激光測距模塊經(jīng)過修正后誤差可忽略不計，其隨機(jī)誤差也服從正態(tài)分布，假定光斑中心坐標(biāo)提取誤差、傾角傳感器和激光測距模塊的測量誤差分布分別為正態(tài)分布N（500，2）、N（500，1）和N（500，1），為分析在5～80 m測量范圍內(nèi)掘進(jìn)機(jī)位姿誤差分布規(guī)律，每次均加入隨機(jī)誤差源分別對6個位置進(jìn)行1 000次仿真解算，取誤差最大值作為掘進(jìn)機(jī)位姿測量誤差。在5～80 m測量范圍內(nèi)每隔5 m進(jìn)行1次仿真，結(jié)果如圖4所示。

圖4 懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量誤差仿真曲線Fig. 4 The error simulation curves of pose measurement of cantilever roadheader

由圖4可知，在5～80 m測量范圍內(nèi)，掘進(jìn)機(jī)位姿測量誤差呈現(xiàn)出以下規(guī)律：

（1） 偏向角誤差小于1.30°，俯仰角誤差小于1°，翻滾角誤差小于0.03°；掘進(jìn)方向位置誤差小于5 mm，偏距和高度誤差小于20 mm。

（2） 隨著掘進(jìn)距離增加，掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)誤差均在一定范圍內(nèi)變化，且偏向角呈收斂趨勢；偏距和高度誤差隨掘進(jìn)距離增加呈線性增加趨勢，但掘進(jìn)方向位置誤差不隨掘進(jìn)距離增加而增加。

（3） 激光跟蹤裝置安裝位置對掘進(jìn)機(jī)位姿測量誤差有一定影響，標(biāo)靶正后、標(biāo)靶左幫和標(biāo)靶右?guī)驼`差相對較小，其次為頂部正后，再次為頂部左幫和頂部右?guī)?。激光跟蹤裝置安裝位置為標(biāo)靶正后、標(biāo)靶左幫和標(biāo)靶右?guī)蜁r，偏向角誤差小于1°，俯仰角誤差小于0.7°，翻滾角誤差小于0.03°，掘進(jìn)方向位置誤差小于5 mm，偏距和高度誤差小于20 mm。激光跟蹤裝置安裝在頂部左幫和頂部右?guī)蜁r，偏向角誤差小于1.30°，俯仰角誤差小于0.90°，翻滾角誤差小于0.03°，掘進(jìn)方向位置誤差小于5 mm，偏距和高度誤差小于20 mm。激光跟蹤裝置安裝在巷道頂部正后時，偏向角誤差小于1.30°，俯仰角誤差小于0.85°，翻滾角誤差小于0.03°，掘進(jìn)方向位置誤差小于5 mm，偏距和高度誤差小于20 mm?？紤]到煤礦掘進(jìn)工作面實際工況和遮擋問題，激光跟蹤裝置不宜安裝在巷道兩幫或中間較低位置，在允許情況下盡可能提高激光標(biāo)靶安裝高度。

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 實驗系統(tǒng)搭建

以履帶式機(jī)器人底盤模擬掘進(jìn)機(jī)機(jī)身，以樓道長走廊環(huán)境模擬煤礦巷道，將激光標(biāo)靶安裝在履帶式機(jī)器人底盤上，激光跟蹤裝置放置在三腳架上，搭建掘進(jìn)機(jī)位姿測量實驗系統(tǒng)，如圖5所示。履帶式機(jī)器人機(jī)身坐標(biāo)系原點(diǎn)OS在激光標(biāo)靶坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)標(biāo)定結(jié)果為（-400，200，-230），掘進(jìn)機(jī)機(jī)身坐標(biāo)系在激光標(biāo)靶坐標(biāo)系中的偏向角α2為0，俯仰角β2為-45°。α0和β0分別為激光發(fā)射與激光測距模塊的偏向角和俯仰角，為激光跟蹤坐標(biāo)系原點(diǎn)OJ在巷道大地坐標(biāo)系中的位置參數(shù)，標(biāo)定為（0,0,900）。

圖5 懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量實驗系統(tǒng)Fig. 5 Experimental system for pose measurement of cantilever roadheader

3.2 實驗結(jié)果

利用全站儀標(biāo)定出履帶式機(jī)器人在模擬巷道中的位姿，再利用搭建的實驗系統(tǒng)測量掘進(jìn)機(jī)位姿。測量過程中，微調(diào)激光跟蹤裝置的姿態(tài)角，使激光束入射到激光標(biāo)靶豎向靶面的不同位置，以觀察激光跟蹤裝置測量激光標(biāo)靶的位姿精度變化情況。為了避免實驗誤差，進(jìn)行了10組不同位姿參數(shù)的測量實驗。第1-6組實驗中履帶式機(jī)器人在巷道大地坐標(biāo)系下的位姿參數(shù)：x=4 510.0 mm，y=-328.0 mm，z=368.0 mm，α=-2.000°，β=0.500°，γ=0.001°。第7-10組實驗中履帶式機(jī)器人在巷道大地坐標(biāo)系下的位姿 參 數(shù)：x=5 820.0 mm，y=196.0 mm，z=435.0 mm，α=-2.500°，β=1.000°，γ=0.001°。實驗結(jié)果見表1。

表1 實驗結(jié)果Table 1 The experimental results

根據(jù)表1，繪制掘進(jìn)機(jī)位置誤差和姿態(tài)誤差曲線，如圖6所示。由圖6可知，掘進(jìn)方向位置x、偏距y和高度z測量絕對誤差均小于5 mm，偏向角α測量絕對誤差小于1°，俯仰角β測量絕對誤差小于0.6°，翻滾角γ測量絕對誤差可忽略不計，實驗結(jié)果優(yōu)于仿真結(jié)果。

圖6 位姿測量誤差實驗曲線Fig. 6 The experimental curves of pose measurement error

3.3 討論

定向掘進(jìn)及斷面自動截割成形是煤礦巷道智能掘進(jìn)的題中之義。定向掘進(jìn)的要義是控制好掘進(jìn)巷道的中線和腰線。巷道中線控制需要知道掘進(jìn)機(jī)的偏向角和偏距，而巷道腰線控制需要準(zhǔn)確測量掘進(jìn)機(jī)在巷道大地坐標(biāo)系中的俯仰角和高度。仿真和實驗結(jié)果均表明，本文系統(tǒng)偏向角測量誤差較大，偏距和高度隨掘進(jìn)距離增加呈線性增加趨勢。隨著掘進(jìn)距離增加，為保證掘進(jìn)機(jī)偏距和高度的測量精度，需要將激光跟蹤裝置前移，自主快速標(biāo)定其在巷道大地坐標(biāo)系中的位姿。另外，煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，粉塵大，照明不足，系統(tǒng)的有效性和環(huán)境適應(yīng)性需要在現(xiàn)場環(huán)境下檢驗。因此，下一步應(yīng)重點(diǎn)研究掘進(jìn)機(jī)偏向角測量精度的改進(jìn)措施、移站后自主快速標(biāo)定技術(shù)和環(huán)境適應(yīng)性等。

4 結(jié)論

（1） 基于激光靶向跟蹤的懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量系統(tǒng)主要由激光跟蹤裝置和激光標(biāo)靶組成。激光跟蹤裝置發(fā)射激光到激光標(biāo)靶并在其2個靶面上形成光斑，且保持激光跟蹤。激光標(biāo)靶接收激光跟蹤裝置發(fā)射的激光束，根據(jù)2個靶面上的光斑位置和激光測距模塊的測距信息，依據(jù)巷道大地坐標(biāo)系、激光跟蹤裝置坐標(biāo)系、激光標(biāo)靶坐標(biāo)系和掘進(jìn)機(jī)機(jī)身坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系求解掘進(jìn)機(jī)在巷道中的絕對位姿，實現(xiàn)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)在巷道坐標(biāo)系中絕對位姿的全參數(shù)實時測量。

（2） 建立了懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量數(shù)學(xué)模型，分析了系統(tǒng)的誤差影響因素，仿真研究了系統(tǒng)的位姿測量誤差分布規(guī)律，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足掘進(jìn)機(jī)位姿檢測精度要求，為工程應(yīng)用提供支撐。

（3） 搭建了位姿測量實驗系統(tǒng)，開展了其在模擬巷道中的位姿測量實驗，分析了系統(tǒng)的測量精度，結(jié)果表明，掘進(jìn)方向位置、偏距和高度測量絕對誤差均小于5 mm，偏向角測量絕對誤差小于1°，俯仰角測量絕對誤差小于0.6°，翻滾角測量絕對誤差可忽略不計，實驗結(jié)果優(yōu)于仿真結(jié)果。

（4） 煤礦井下粉塵大，照明條件差，懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測量系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性還需后續(xù)現(xiàn)場實驗驗證。仿真和實驗研究表明，掘進(jìn)機(jī)偏向角測量誤差稍大，為保障測量結(jié)果滿足工程需要，系統(tǒng)測量范圍有限，提高偏向角測量精度及移站后的自主標(biāo)定是下一步研究重點(diǎn)。