专利名称：一种工程机械的定位系统和定位方法
技术领域：
本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种工程机械的定位系统。本发明还涉及一种上述工程机械的定位方法。
背景技术：
随着经济建设的快速发展，我国各类大型工程日益增多，市场上对于工程机械的需求也日益强烈。掘进设备是常用的工程机械。常用的掘进设备主要包括凿岩台机和掘进机，无论是凿岩台机还是掘进机，实现自动钻孔和自动掘进的前提都是将设备在隧道或巷道的中心面上准确定位，即尽可能使设备的纵断面与巷道中间平面重合，这就需要有精确的定位系统。请参考图1，图1为现有掘进设备的定位系统的结构示意图。现有技术中，如图1所示，该定位系统包括激光指示仪1'、线激光发射器2'、机架3'、激光标靶4'和控制装置(图中未示出)。激光指示仪Γ是根据煤矿地测位置安装，按照巷道设计要求给出掘进方向的指向；机架3'安装于巷道的顶板上，线激光发射器 2'安装于机架3'上，通过机架3'的上下、左右、俯仰等运动，使激光指示仪Γ的激光束穿过线激光发射器2'上的小孔，从而完成线激光发射器2'自身的定位；两个激光标靶 4'相互平行且都垂直定位于机身的中线。工作时线激光发射器2'发出扇形激光束，以在掘进机机身上形成线性光斑，激光标靶4'上的光敏元件感应激光束并产生电流信号，电流信号经过激光标靶4'内部的电路处理，通过控制装置的A/D转换模块传入可编程计算机控制器，经过处理和计算，确定激光束在激光标靶4'上的位置，而激光标靶4'在掘进机上的安装位置已知，从而可以得到掘进机的偏向角和偏向位移，从而实现对掘进设备的机身位姿参数的测量。然而，上述定位系统中，线激光发射器2'的位置依靠机架3'来调节，由于机架 3'固定于巷道的顶板，其位置远高于设备本身，因此对机架3'进行精确操作以实现对线激光发射器2'的精确定位比较困难，使整个定位过程非常复杂且精确度不高。因此，如何在现有技术的基础上，改进现有工程机械的定位系统的结构，使得定位系统的定位操作简单、灵活且精确度高，是本领域的技术人员目前急需解决的问题。

发明内容
本发明要解决的技术问题为提供一种工程机械的定位系统，使其能够实现对工程机械的位姿参数的测量，且定位系统的定位操作简单、灵活且精确度高。本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述工程机械的定位方法。为解决上述技术问题，本发明提供一种工程机械的定位系统，包括固定位置的光源，以提供固定位置的光束；光学传感器，用于感知所述光束照射的位置，并将所述光束的位置信号转换为电信号；
机械臂，其一端设于所述工程机械的机体、另一端可自由定位，所述光学传感器设于所述机械臂的自由端，且所述机械臂还设有用于测量所述光学传感器的位置的测量部件；控制装置，连接于所述光学传感器，用于接收所述光学传感器发出的信号，并对其进行数据计算、处理和转换，得出所述工程机械的位姿参数。优选地，所述机械臂包括主臂和连接座，所述主臂的底端与所述连接座连接，所述连接座与所述机体在水平面内可转动连接。优选地，所述机械臂还包括第一俯仰油缸；所述第一俯仰油缸的活动部与所述主臂可转动连接，其固定部与所述连接座可转动连接；所述主臂的底端与所述连接座可转动连接，且三条转动中心线相平行、且均沿水平方向。优选地，所述主臂包括伸缩外臂和套装于所述伸缩外臂内部的伸缩内臂，所述伸缩外臂和所述伸缩内臂滑动连接。优选地，所述测量部件具体为角度传感器和位移传感器。优选地，所述机械臂的自由端的顶部还设有可自由定位的水平梁，所述光学传感器设于所述水平梁上。优选地，所述光学传感器包括入射窗口、出射窗口和分光部件，所述分光部件设于所述入射窗口和所述出射窗口之间，且三者位于一条直线，所述光学传感器的光敏元件设于所述分光部件的输出端。优选地，所述分光部件为棱镜。优选地，所述光学传感器的输出信号为坐标信号。采用这种结构的定位系统，固定位置的光源发出光束后，移动机械臂，以保证光源发出的光束能够穿过光学传感器的入射窗口，且使用测量部件测量光学传感器的当前位置，此时光学传感器感知光束照射的具体位置，并将该信息转换为可测量的信号，输出给控制装置，由于光束的位置、光学传感器的位置、光束照射在光学传感器上的位置均可精确测量，经控制装置计算和处理，能够得出掘进设备当前的偏向角和偏向位移，从而实现对掘进机偏向角、偏向位移的测量。由此可见，这种光源位置固定、光学传感器通过机械臂来定位的定位系统，能够实现对掘进设备的位姿参数的测量，相比现有技术中通过调整机架来确定激光发射器位置的结构来说，本定位系统中的机械臂安装于掘进设备的机架上，其自由端的移动过程自由、灵活、轻便，并且对光学传感器的位置测量操作简单。本发明还提供一种工程机械的定位方法，包括如下步骤1)提供固定位置的光源，使所述光源发出光束；2)提供机械臂，使其一端设于所述工程机械的机体、另一端可自由定位，将光学传感器安装于所述机械臂上；3)移动所述机械臂的自由端，使所述光束穿过所述光学传感器上的入射窗口 ；4)所述光学传感器感知所述光束照射的位置，并将所述光束的位置信号转换为电信号，输出给控制装置；5)使用控制装置计算、处理和转换接收的电信号，得出所述工程机械的位姿参数。由于上述定位系统具有上述技术效果，因此，与上述定位系统对应的定位方法也具有相同的技术效果，在此不再赘述。


图1为现有掘进设备的定位系统的结构示意图；图2为本发明所提供定位系统的一种具体实施方式
的结构示意图；图3为图2的俯视图；图4为本发明所提供定位系统的工作原理图；图5为图1中的定位系统所测量的俯仰角、巷道底板与掘进方向的夹角的位置图；图6为图1中的定位系统所测量的滚动角的位置图；图7为图1中的定位系统所测量的偏向角和偏向位移的位置图；图8为图1中的光学传感器的结构示意图；图9为本发明所提供的定位方法的一种具体实施方式
的流程框图。其中，图1中的附图标记与部件名称之间的对应关系为1'激光指示仪；2'线激光发射器；3'机架；4'激光标靶；图2至图9中附图标记与部件名称之间的对应关系为1光学传感器；2光源；3控制装置；4机械臂；41主臂；42连接座；43第一俯仰油缸；44第二俯仰油缸；45水平梁；11入射窗口 ； 12出射窗口 ； 13分光部件；14光敏元件；15 数据处理部件；α俯仰角；β滚动角；b偏向角；Φ巷道底板与掘进方向的夹角；L偏向位移。
具体实施例方式本发明的核心为提供一种工程机械的定位系统，该定位系统能够实现对工程机械的位姿参数的测量，且定位系统的定位操作简单、灵活且精确度高。本发明的另一核心为提供一种上述工程机械的定位方法。为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面以巷道中的掘进设备为例，结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请参考图2、图3和图4，图2为本发明所提供定位系统的一种具体实施方式
的结构示意图；图3为图2的俯视图；图4为本发明所提供定位系统的工作原理图。在一种具体的实施方式中，如图2、图3和图4所示，本发明提供的定位系统包括光源2、光学传感器1、机械臂4和控制装置3 ；光源2是定位系统中提供定位光束的装置，该光源2是固定位置的光源，能够提供已知位置的光束；光学传感器1是定位系统中感知光束照射在光学传感器1的具体位置，并将该信息转换成可测量信号的部件；机械臂4是定位光学传感器1的部件，机械臂4的一端设于掘进设备，其另一端可自由定位，并且机械臂4还设有用于测量光学传感器1的位置的测量部件，光学传感器1设于机械臂4的自由端；控制装置3是定位系统的控制部件，主要用于接收光学传感器1发出的信号，并对其进行数据计算、处理、转换和显示。采用这种结构的定位系统，固定位置的光源2发出光束后，移动机械臂4，以保证光源2发出的光束能够穿过光学传感器1的入射窗口 11，且使用测量部件测量光学传感器1的当前位置，此时光学传感器1感知光束照射的具体位置，并将该信息转换为可测量的信号，输出给控制装置3，由于光束的位置、光学传感器1的位置、光束照射在光学传感器1上的位置均可精确测量，经控制装置3计算和处理，能够得出掘进设备当前的偏向角和偏向位移，从而实现对掘进机偏向角、偏向位移的测量。由此可见，这种光源2位置固定、光学传感器1通过机械臂4来定位的定位系统， 能够实现对掘进设备的位姿参数的测量，相比现有技术中通过调整机架来确定激光发射器位置的结构来说，本定位系统中的机械臂4安装于掘进设备的机架上，其自由端的移动过程自由、灵活、轻便，并且对光学传感器1的位置测量操作简单。特别说明的是，上述定位系统中可以包括1个光学传感器1，在优选的实施方式中，还可以包括2个光学传感器1，定位过程中将光源发出的光束同时穿过2个光学传感器 1的入射窗口，这样可以增强定位系统的定位准确性。当然，上述定位系统还可以包括更多数量的光学传感器1。需要说明的是，上述实施例所出现的“自由定位”指的是在水平面、竖直面内均可自由移动。上述实施例中并未限定机械臂4自由定位的具体方式，也并未限定光源2的定位方式，也并未限定光学传感器1感知光束照射的具体方式，事实上，凡是包括固定位置的光源2、光学传感器1、控制装置3和用于定位光学传感器1的机械臂4的定位系统均属于本发明的保护范围内。还可以进一步设置上述机械臂4的自由定位的具体方式。在另一种具体的实施方式中，上述机械臂4可以包括主臂41和连接座42，连接座 42与掘进设备的机体可转动连接，主臂41的底端与连接座42连接。采用这种结构，当需要光学传感器1在水平面内移动时，只需转动连接座42，便可带动机械臂4在水平面内自由移动，从而带动光学传感器1在水平面内移动到所需要的位置，可见这种结构能够实现机械臂4的自由端在水平面内自由移动，并且具有结构简单、可靠的特点。具体地，上述连接座42可以采用摆动油缸的结构来实现机械臂4在水平面内的移动，还可以采用竖直设置的转轴来实现，当然，还可以采用其他的结构，例如可以将连接座设置为滑动机构，即在掘进设备的机体上固定有导轨，导轨外套装有可自由移动的直线轴承，将机械臂4的底端固定连接于直线轴承，当需要机械臂4在水平面内移动时，只需推动直线轴承便可带动机械臂4整体地在水平面内自由移动。在具体的方案中，上述机械臂4还可以包括第一俯仰油缸43，该第一俯仰油缸43 的活动部与主臂41可转动连接，第一俯仰油缸43的固定部与连接座42可转动连接，主臂 41的底端与连接座42可转动连接，且三条转动中心线相平行、且均沿水平方向。采用这种结构，当需要光学传感器1在竖直面内升高时，只需控制第一俯仰油缸43，使其活动端向上伸长，即带动机械臂4的自由端升高，从而带动光学传感器1到达目标位置；当需要光学传感器1在竖直面内降低时，只需控制第一俯仰油缸43，使其活动部向下收缩，即带动机械臂 4的自由端降低，从而带动光学传感器1到达目标位置。由此可见，通过设置第一俯仰油缸 43的结构能够实现机械臂4在竖直平面内自由移动。当然，上述机械臂4还可以采用其他方式实现其在竖直平面内自由移动。在另一种具体的实施方式中，上述定位系统中的测量部件可以具体为位移传感器和角度传感器。采用这种结构，当光学传感器1定位结束后，可以通过位移传感器和角度传感器精确测量出机械臂4各个自由度的位移和角度，从而得出安装于机械臂4上的光学传感器1的精确位置。当然，除了采用传感器的方式，还可以其他的方式来测量机械臂4的位置，例如可以采用标尺、软尺等进行精确测量。上述主臂41还可以包括伸缩外臂和套装于其内部的伸缩内臂，伸缩外臂和伸缩内臂采用滑动连接。采用这种方式，使得机械臂长度可以进行调节，使得定位操作更加灵活。在更具体的实施方式中，上述机械臂4的自由端的顶部还可以设有可自由定位的水平梁45，光学传感器1可以设于该水平梁45上。通过设置该水平梁45，将光学传感器1 通过该水平梁45连接于机械臂4上，能够使光学传感器1始终处于水平位置，从而提高了定位系统的准确性。该水平梁45和主臂41之间还可以连接有第二俯仰油缸44，第二俯仰油缸44的固定端连接于主臂41，其活动端连接于水平梁45的底端，在定位操作过程中，可以通过控制第二俯仰油缸44的活动部伸长或者缩短来实现水平梁45始终保持水平状态。 与主臂41的结构相似，上述水平梁45也可以采用回转机构实现水平梁相对于主臂41在水平面内旋转，在此不再赘述。上述定位系统还可以包括双轴倾角仪，双轴倾角仪设置于掘进设备的机体的中部，通过设置双轴倾角仪的角度测量方向，能够得到掘进设备的俯仰角和滚动角。需要说明的是，本文中出现的位姿参数主要包括偏向角、偏向位移、俯仰角、滚动角和巷道底板与掘进方向的夹角，如图5、图6和图7所示，“俯仰角”指的是掘进装置的底面与水平面在机体纵向的夹角，即角α ；“滚动角”指的是掘进设备的底面与水平面在机体横向的夹角，即角β ；“偏向角”指的是穿过掘进设备中心线的竖直平面与掘进方向的夹角， 即角b ；“偏向位移”指的是穿过掘进设备中心线的竖直平面与掘进方向之间的距离，即长度L ；“巷道底板与掘进方向的夹角”指的是掘进方向与掘进设备的掘进部件的前进方向的夹角，即角Φ。还可以进一步设置上述光学传感器1的结构形式。请参考图8，图8为图1中的光学传感器的结构示意图。在另一种具体的实施方式中，如图8所示，上述光学传感器1可以包括入射窗口 11、出射窗口 12、分光部件13、光敏元件14和数据处理部件15;入射窗口 11是光束进入光学传感器1的入口 ；出射窗口 12是光束射出光学传感器1射出的出口 ；分光部件13设于入射窗口 11和出射窗口 12之间，且三者位于一条直线，分光部件13是传感器中将吸收的光束进行分光的部件；光敏元件14设于分光部件13的输出端，它是传感器中感知光束照射的位置，并将该信号转换为电量信号的部件；数据处理部件15使将光敏元件14输出的电量信号经过转换电路转换为其他可测量的信号的部件。采用这种结构，当光源2发出的光束照射于光学传感器1的入射窗口 11时，光束进入光学传感器1内部，分光部件13将光束分为两部分，一部分照射到光学传感器1的光敏元件14，其余部分仍然沿着直线方向照射，并从出射窗口 12射出；光敏元件14感知吸收的光束，并将光束照射在入射窗口 11的具体位置信号转变为电量信号，并将其输出给数据处理部件15 ；数据处理部件15经过转换电路再将电量信号转换为其他可测量的信号输出。由此可见，采用分光部件13的光学传感器1，能够将一部分光束吸收使其参与检测，其余部分仍然能够直线射出，以完成其他功能。这满足了在某些特殊情况下，例如掘进设备掘进隧道时，激光指示仪能实现发出的激光既参与定位测量，同时还可以为掘进设备提供指示方向的功能。因此，在相应的定位系统中，就可以采用无源设计，即不需要单独的光源2为定位系统提供光束，只需俘获激光指示仪发出的光束即可完成定位测量，同时又不会影响到掘进设备的方向指示。除此之外，由于上述光学传感器1具有分光功能，其直接俘获激光指示仪发出的光束的位置，从而能够确定巷道底板与掘进方向的夹角，即角Φ。还可以进一步设置上述分光部件13的具体结构形式。在另一种具体的实施方式中，上述分光部件13可以为棱镜。棱镜是由透明材料 (如玻璃、水晶等)做成的多面体，在光学仪器中应用广泛。采用棱镜的分光部件13，能够实现分光的功能，使得光束的一部分进入传感器内部参与测量，其余部分从出射窗口 12射出。当然，上述实施例中的分光部件13还可以采用其他的结构形式，例如可以将分光部件 13设置为两个搭接呈棱镜形式的平面镜，同样能够实现分光的功能。还可以进一步设置上述光学传感器1的输出信号的具体形式。在另一种具体的实施方式中，上述光敏元件14感知光束照射在入射窗口 11的具体位置，并将该信息转换为电量信号输出给数据处理部件15后，数据处理部件15可以将该信号转换为坐标信号。这样，操作人员可以准确地看出光束位置距离原点的水平偏移距离和竖直偏移距离，从而更加准确地得出掘进设备当前位姿参数。当然，上述光学传感器1的输出信号并不限于坐标信号，还可以为多种其他形式的信号，例如还可以为视频信号，即用光纤或者电缆将激光束照射在光学传感器1入射窗口 11的位置直接传输给终端显示设备，这样，操作人员可以更加直观地看出激光束照射在如射窗口的原始位置，从而方便后续掘进设备位姿参数的计算。除此之外，上述传感器的输出信号还可以为电流、电压、频率等电信号。请参考图9，图9为本发明所提供的定位方法的一种具体实施方式
的流程框图。如图9所示，本发明还提供一种工程机械的定位方法，主要包括如下步骤步骤Sl 提供固定位置的光源，使光源发出光束；步骤S2 提供机械臂，使其一端设于工程机械的机体、另一端可自由定位，将光学传感器安装于机械臂上；步骤S3 移动机械臂的自由端，使光束照射在光学传感器上的入射窗口 ；步骤S4 光学传感器将光束照射于入射窗口的位置转换为电信号，并将其输出至控制装置；步骤S5 用控制装置计算出掘进设备的位姿参数。由于上述定位系统具有上述技术效果，因此，与上述定位系统对应的定位方法也具有相同的技术效果，在此不再赘述。需要说明的是，本文仅以掘进设备进行巷道掘进为例介绍了上述定位系统和定位方法的技术效果，事实上，本发明所提供的定位系统和定位方法并不仅限于掘进设备，还可以为其他设备的定位系统和方法。以上对本发明所提供的一种工程机械的定位系统和定位方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种工程机械的定位系统，其特征在于，包括固定位置的光源(2)，以提供固定位置的光束；光学传感器(1)，用于感知所述光束照射的位置，并将所述光束的位置信号转换为电信号；机械臂(4)，其一端设于所述工程机械的机体、另一端可自由定位，所述光学传感器 (1)设于所述机械臂(4)的自由端，且所述机械臂(4)还设有用于测量所述光学传感器(1) 的位置的测量部件；控制装置(3)，连接于所述光学传感器(1)，用于接收所述光学传感器(1)发出的信号， 并对其进行数据计算、处理和转换，得出所述工程机械的位姿参数。
2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述机械臂(4)包括主臂(41)和连接座(42)，所述主臂(41)的底端与所述连接座(42)连接，所述连接座(42)与所述机体在水平面内可转动连接。
3.根据权利要求2所述的定位系统，其特征在于，所述机械臂(4)还包括第一俯仰油缸 (43)；所述第一俯仰油缸(43)的活动部与所述主臂(41)可转动连接，其固定部与所述连接座(42)可转动连接；所述主臂(41)的底端与所述连接座(42)可转动连接，且三条转动中心线相平行、且均沿水平方向。
4.根据权利要求2所述的定位系统，其特征在于，所述主臂(41)包括伸缩外臂和套装于所述伸缩外臂内部的伸缩内臂，所述伸缩外臂和所述伸缩内臂滑动连接。
5.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述测量部件具体为角度传感器和位移传感器。
6.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述机械臂(4)的自由端的顶部还设有可自由定位的水平梁(45)，所述光学传感器(1)设于所述水平梁(45)上。
7.根据权利要求1-6任一项所述的定位系统，其特征在于，所述光学传感器(1)包括入射窗口(11)、出射窗口(12)和分光部件(13)，所述分光部件(13)设于所述入射窗口(11) 和所述出射窗口(12)之间，且三者位于一条直线，所述光学传感器(1)的光敏元件(14)设于所述分光部件(13)的输出端。
8.根据权利要求7所述的定位系统，其特征在于，所述分光部件(13)为棱镜。
9.根据权利要求7所述的定位系统，其特征在于，所述光学传感器(1)的输出信号为坐标信号。
10.一种工程机械的定位方法，其特征在于，包括如下步骤1)提供固定位置的光源，使所述光源发出光束；2)提供机械臂，使其一端设于所述工程机械的机体、另一端可自由定位，将光学传感器安装于所述机械臂上；3)移动所述机械臂的自由端，使所述光束穿过所述光学传感器上的入射窗口；4)所述光学传感器感知所述光束照射的位置，并将所述光束的位置信号转换为电信号，输出给控制装置；5)使用所述控制装置计算、处理和转换接收的电信号，得出所述工程机械的位姿参数。
全文摘要
本发明公开了一种工程机械的定位系统，包括固定位置的光源(2)，以提供固定位置的光束；光学传感器(1)，用于感知所述光束照射的位置，并将所述光束的位置信号转换为电信号；机械臂(4)，其一端设于所述工程机械的机体、另一端可自由定位，所述光学传感器(1)设于所述机械臂(4)的自由端，且所述机械臂(4)还设有用于测量所述光学传感器(1)的位置的测量部件；控制装置(3)，连接于所述光学传感器(1)，用于接收所述光学传感器(1)发出的信号，并得出所述工程机械的位姿参数。这种定位系统的定位过程灵活、轻便，操作简单。本发明公开了一种工程机械的定位方法，能够实现设备定位，且步骤简单。
文档编号G01C1/00GK102221335SQ20111010105
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者刘长涛, 巴茵, 龙日升 申请人:三一重型装备有限公司