[发明专利]自行走式地下掘进机器人姿态测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明属于地下机器人掘进过程中导航定位技术领域。

背景技术

传统的自行走式地下掘进机器人位姿测量方法是人工测量，利用全站仪测量安装在机器人机身上的多个棱镜坐标，再根据测量前已测得的棱镜与掘进机器人轴线的几何关系，就可计算出机器人的地下掘进位姿。该方法精度高，但操作复杂，耗费时间，掘进过程中不能测量，实时性弱。

随着技术的发展，出现了自动全站仪导航定位和基于惯性导航系统的两种定位方式。对于自动全站仪导航定位，机器人在地下行进过程中可以自动跟踪标靶，对目标点进行实时连续检测。但在同一时刻全站仪只能检测一个点的坐标，而为了检测掘进机器人机身姿态，需要检测同一时刻离散分布的若干点的空间坐标，所以全站仪更适合掘进机器人静态位姿检测。对于惯性导航系统，定位误差会随时间而增大，不适用于长距离长时间的测量，需要定期的矫正。

发明内容

本发明的目的主要提供一种新型的地下掘进机器人姿态定位的新方法。该系统的核心是两个激光发射器和多个激光接收器（至少三个）。发射器发射三束带有发射器旋转角速度和位置特征信息的激光，包括一束选通光和两束扇形光。接收器接收到光束后，利用光束之间的几何关系、发射器的旋转速度，坐标位置和光束被接收的时间差来计算接收器相对于两发射器所在水平面的水平角和俯仰角，通过前方交会原理确定接收器即目标点空间坐标。系统可以在一个旋转周期内检测掘进机器人机身上多个点的空间坐标，利用多点与机器人轴线的几何关系可以计算出机器人地下掘进位姿。该测量方法操作简单，实时性好。在同一时刻完成对机身上多目标点的测量。这是传统姿态测量系统所不具备的。

本发明所述的测量系统，其特征在于：由两组发射装置、多组接收装置（至少三组）和上位机组成。两组发射装置的组成电路相同，含有电子罗盘电路1、电源电路2、键盘输入设备3、整平基座4、控制器5、无线电通讯电路6、激光发射调制电路7、旋转平台驱动电路8。多组发射装置的组成电路相同，含有激光接收电路9、无线通讯电路10、坐标解算器11。其中发射装置中的控制器5的相应端口分别与电子罗盘电路1、电源电路2、键盘输入设备3、整平基座4、无线电通讯电路6、激光发射调制电路7、旋转平台驱动电路8互连。接收装置中的坐标解算器11相应端口分别与激光接收电路9、无线通讯电路10互连。

电子罗盘电路1，用于建立与机器人掘进设计路线相符合的世界坐标系x轴（南北），y轴（东西）。与控制器5相应端口相连，传递信息给控制器用于计算接收器即目标点相对于发射器的水平偏角。

电源电路2，用于发射装置中各电路模块的供电。

输入设备3，用于对测量系统的初始化和启动。

整平基座4，整平激光发射器，使其轴线垂直于水平面，建立与机器人掘进设计路线相符合的世界坐标系的z轴。

控制器5，实现与其相连电路模块的综合协调、控制、数据通讯和智能信息处理，是整个姿态测量系统的核心。其相应端口与旋转平台驱动电路8互连，根据设定程序控制旋转平台旋转。控制器5对开始测量前输入设备输入的位置信息和角速度信息进行编码，以TTL高低电平形式输入给与其相应端口相连的激光发射调制电路，从而发射器才能发射出带有位置和角速度特征信息的激光被接收器接收识别。控制器5相应端口与无线通讯模块电路6互连，以无线电方式与接收器互相通信，接收发射器的选通光被接收器接收时刻的信息和发送计算后得到的水平偏角的信息。控制器5相应端口与电子罗盘模块电路互连，在得到无线电模块6反馈回的时刻信息后，控制器5读取电子罗盘上选通光与正北方向的夹角，得到接收器相对于本发射器的水平偏角。

无线通讯模块6与控制器5相应端口相连，实现发射器与接收器之间的通讯。

激光发射调制电路7用于红外线激光的调制和发射，发射出带有发射器位置和角速度特征信息的激光信号，光束包括一束选通光和两束扇形激光。两束扇形光水平面的夹角为θ取值范围0°～180°。考虑到机械设计和计算复杂度，θ取90°为最佳。两束扇形光与垂直面的夹角为?，取值范围为0°～90°。考虑到机械设计和计算复杂度取。

旋转平台驱动电路8，用于驱动旋转平台，使得发射器旋转。

激光接收器9，包含有激光传感器和放大电路组成，实现对激光信号的接收，放大和去噪，与坐标解算器9相应端口互连，转化为坐标解算器能够识别的信号。

无线通讯模块10与坐标解算器11相应端口相连，实现发射器与接收器，接收器与上位机之间的通讯。