[发明专利]用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统与方法

权利要求书

1.一种用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1.1分别利用激光发射与测距单元(4)所形成的激光发射平面(7)及平面标靶单元(1)所形成的标靶平面(8)建立巷道坐标系O-XYZ与机身坐标系O₁-UVW，其中，巷道坐标系的OY轴垂直于激光发射平面(7)，其正方向与巷道掘进方向相反；OZ轴位于激光发射平面(7)内，其正方向竖直向上；OX轴也位于激光发射平面(7)内，并且与OZ轴垂直；OX轴的正方向可以根据空间直角坐标系右手定则确定；机身坐标系的O₁U轴及O₁W轴位于标靶平面(8)内，且相互正交，O₁W轴以向上为正方向，O₁V轴垂直于标靶平面(8)，其正方向指向激光发射平面(7)，O₁U轴的正方向可以根据空间直角坐标系右手定则确定；

1.2在激光发射与测距单元(4)中确定三个不共线的激光发射点在巷道坐标系中的坐标A₁(x₁,0,z₁)、A₂(x₂,0,z₂)及A₃(x₃,0,z₃)，使之向平面标靶单元(1)发射激光，通过下位机主控单元(3)获取平面标靶单元(1)中三个感光点在机身坐标系中的坐标B₁(u₁,0,w₁)、B₂(u₂,0,w₂)及B₃(u₃,0,w₃)；

1.3将激光发射平面(7)上的三个发光点A₁、A₂及A₃视为标靶平面(8)内三个感光点B₁、B₂及B₃在激光发射平面中的投影，如果激光发射与测距单元(4)获得的三个发光点A₁、A₂、A₃与三个对应的感光点B₁、B₂、B₃之间的距离分别为y₁、y₂及y₃，则标靶平面(8)上三个感光点B₁、B₂及B₃在巷道坐标系中的坐标分别为(x₁,-y₁,z₁)、(x₂,-y₂,z₂)及(x₃,-y₃,z₃)；

1.4将三个感光点在机身坐标系中的坐标数据(u₁,0,w₁)、(u₂,0,w₂)及(u₃,0,w₃)及其在巷道坐标系中的坐标数据(x₁,-y₁,z₁)、(x₂,-y₂,z₂)及(x₃,-y₃,z₃)通过下位机主控单元(3)、数据传输单元(5)传输至上位机(6)；通过上位机(6)对所获取的数据进行解算，得到掘进机的位姿参数；

1.5掘进机的位姿参数为其机身沿巷道坐标系中三个坐标轴方向的平移量ΔX、ΔY及ΔZ，以及绕其三个坐标轴的转角α、β及γ，掘进机机身上任意一点在巷道坐标系及机身坐标系中的坐标分别为(x,y,z)及(u,v,w)，根据刚体在两空间坐标系中的坐标变换关系可以得到

式中，λ为尺度因子，巷道坐标系和机身坐标系为同等长度基准，取λ＝1；R为系数矩阵；

其中用于悬臂式掘进机的两平面激光对射位姿测量系统由安装在掘进巷道内的激光发射与测距单元(4)、安装在掘进机机身上的平面标靶单元(1)、以及扩展单元(2)、下位机主控单元(3)、数据传输单元(5)、上位机(6)组成，激光发射与测距单元(4)具有三个不共线的激光发射点，该激光发射点可向平面标靶单元(1)发射激光，平面标靶单元(1)由多支光敏二极管按顺序排列组成光敏二极管方阵，并且具有激光束信号感应端与输出/输入端，其激光束信号感应端用于感应来自激光发射与测距单元(4)的激光信号，其输出/输入端通过扩展单元(2)与下位机主控单元(3)的输入/输出端连接，下位机主控单元(3)具有测距输出/输入端和数据信号输出/输入端，其测距输出/输入端接至激光发射与测距单元(4)的输入/输出端，其数据信号输出/输入端通至数据传输单元(5)的输入/输出端，数据传输单元(5)的上位机输出端与上位机(6)的信号输入端连接。