基于激光扫描的掘进机自动纠偏系统

本复审请求审查决定涉及申请号为202311217000.2、发明名称为“基于激光扫描的掘进机自动纠偏系统”的发明专利申请（下称“本申请”），申请人为“河北伊联智能科技有限公司”，申请日为2023年09月20日， 公开日为2023年12月22日。 国家知识产权局专利实质审查部门于2024年04月18日发出驳回决定，以权利要求1相对于对比文件1、 对比文件2及本领域公知常识的结合不具备专利法第22条第3款规定的创造性为由，驳回了本申请。驳回决定所依据的审查文本为：申请人于申请日2023年09月20日提交的摘要附图、说明书摘要、说明书第1-6页、 说明书附图第1-2页；于2024年03月22日提交的权利要求第1项。 驳回决定中引用了如下对比文件： 对比文件1：CN114955448A，公开日为2022年08月30日； 对比文件2：CN114991800A，公开日为2022年09月02日。 申请人（下称“复审请求人”）对上述驳回决定不服，于2024年07月17日向国家知识产权局提出了复审请求，同时提交了权利要求书的全文修改替换页，并陈述了修改后的权利要求具备创造性的理由。修改涉及：在驳回决定针对的权利要求书的基础上，在独立权利要求 1 中增加以下技术特征：“偏航角γ＝[(α -90°)+(270-β°)]/2；通过右侧巷道的距离a和左侧巷道的距离b求得掘进机偏移中线距离n＝(a-b)/2；假设导航目标点S为沿巷道中线前移距离m，则S点距离迎头距离为c-m；若要导航到目标点S，则根据反三角函数计算出实际的航向角θ＝arctan(n/m)”以及“所述自动纠偏的具体过程为：以车身偏左，角度偏左为例，首先调整履带转动方向，左履带前进右履带后退使车身中线对准目标点S，理想状态下掘进机会在原地转动，则掘进机偏移中线的距离n保持不变，偏航角与航向角相等，之后掘进机左右履带转动方向调整为前进，前进到S点位置后，n＝0；最后，调整履带转动方向使偏航角为0，至此自动纠偏完成”。 修改后的权利要求书如下： “1.基于激光扫描的掘进机自动纠偏系统，其特征在于，包括安装在掘进机顶部的激光雷达和控制器， 其中激光雷达与控制器通过太网网线连接； 所述激光雷达用于实时获取掘进机与巷道两侧的距离； 所述控制器用于根据距离数据和姿态信息计算出掘进机到巷道距离数据集合，据此计算出掘进机与巷道航向角度和横向偏差，经过计算输出驱动液压比例阀电信号，驱动掘进机左右履带完成纠偏； 所述激光雷达的具体操作如下： 激光雷达安装在掘进机顶部相对左右履带正中位置，且方位角0°位置对准掘进机正前方，取激光雷达60°到120°一组数据用于计算掘进机右侧到巷道距离以及掘进机的右偏航角，取激光雷达240°到300°一组数据用于计算掘进机左侧到巷道距离以及掘进机的左偏航角；取激光雷达270°到30°一组数据，用于计算掘进机前方到迎头距离； 以右侧为例，找到60°到120°范围内最小距离a和所对应的角度α，则a为掘进机中线到右侧巷道的距离，α-90°为右偏航角； 同理左侧找到240°到300°范围内最小距离b和所对应的角度β，则b为掘进机中线到左侧巷道的距离， 270°-β为左偏航角； 偏航角取左右偏航角均值，偏航角γ＝[(α-90°)+(270-β°)]/2； 前方找到270°到30°范围内最小距离c即为迎头距离； 通过右侧巷道的距离a和左侧巷道的距离b求得掘进机偏移中线距离n＝(a-b)/2； 假设导航目标点S为沿巷道中线前移距离m，则S点距离迎头距离为c-m；若要导航到目标点S，则根据反三角函数计算出实际的航向角θ＝arctan(n/m)； 所述控制器的具体操作如下： 控制器用于计算偏航角和巷道距离，和预设掘进机导航目标对比后计算生成新导航参数，再通过计算得到液压比例阀的电信号输出值来控制掘进左、右履带的速度、正反转，实现掘进机的自动纠偏； 所述自动纠偏的具体过程为：以车身偏左，角度偏左为例，首先调整履带转动方向，左履带前进右履带后退使车身中线对准目标点S，理想状态下掘进机会在原地转动，则掘进机偏移中线的距离n保持不变，偏航角与航向角相等，之后掘进机左右履带转动方向调整为前进，前进到S点位置后，n＝0；最后，调整履带转动方向使偏航角为0，至此自动纠偏完成。”复审请求人认为：（1）本申请的纠偏过程为旋转掘进机，使行进方向对准S点，然后行进至S点，再次旋转掘进机使行进方向与巷道中线一致，从而实现了掘进机位置和行进方向的纠偏。对比文件2在到达掘进面之前，将掘锚机的行进方向调正，并不能保证掘锚机的位置处于巷道中线上。另一方面，对比文件2到达掘进面后，根据偏移距离是否超出阈值采取了两种不同的纠偏策略，使得车身的位置逐渐靠近巷道中线。由于此时掘进机已经到达掘进面处，无论对比文件2采用哪一种纠偏策略，在这一调整过程中都必然存在一段存在偏差的掘进路径。而本申请的纠偏策略则不会产生存在偏差的掘进路径，纠偏效果更好。（2）激光雷达的具体操作不是本领域的常规技术手段；对比文件2与本申请计算偏航角的方法不相同。 经形式审查合格，国家知识产权局于2024年07月22日依法受理了该复审请求，并将其转送至审查部门进行前置审查。 审查部门在前置审查意见中坚持驳回决定。 随后，国家知识产权局成立合议组对本案进行审理。 合议组于2025年04月28日向复审请求人发出复审通知书，其中引用了驳回决定中引用的对比文件2。 复审通知书中指出：权利要求1相对于对比文件2和本领域常规技术手段的结合不具备专利法第22条第3款规定的创造性，并对复审请求人的意见陈述进行了回应。 复审请求人于2025年05月26日针对复审通知书仅提交了意见陈述书，未对申请文件进行修改。 在上述程序的基础上，合议组认为本案事实已经清楚，可以作出审查决定。

（一）审查文本的认定复审请求人于2024年07月17日提出复审请求时提交了权利要求书的全文修改替换页。经核实，所作修改符合专利法第33条及专利法实施细则第66条的规定。本复审请求审查决定所依据的审查文本为：复审请求人于申请日2023年09月20日提交的摘要附图、说明书摘要、说明书第1-6页、说明书附图第1-2页； 于2024年07月17日提交的权利要求第1项。 （二）关于专利法第22条第3款专利法第22条第3款规定：创造性，是指与现有技术相比，该发明具有突出的实质性特点和显著的进步， 该实用新型具有实质性特点和进步。 如果权利要求请求保护的技术方案与作为最接近现有技术的对比文件之间存在区别技术特征，而该区别技术特征属于本领域的常规技术手段，则该权利要求请求保护的技术方案相对于上述对比文件和本领域常规技术手段的结合是显而易见的，不具备创造性。 具体到本案： 本复审请求审查决定引用的对比文件与复审通知书中引用的对比文件相同，即： 对比文件2：CN114991800A，公开日为2022年09月02日。 1.权利要求1请求保护基于激光扫描的掘进机自动纠偏系统。对比文件2公开了一种掘进机的纠偏控制方法、系统、掘进机及存储介质，并具体公开了以下技术特征（参见说明书第[0066]-[0068]、[0084]-[0094]段， 图5）：掘锚机是一种常见的掘进机，下面以掘锚机为例说明在实际应用中的矿用掘锚机自动行走及自动纠偏控制方案。掘锚机的纠偏系统包括传感单元、控制单元以及执行单元。传感单元包括雷达测距传感器、全站仪、编码器、陀螺仪和棱镜。本实施例使用安装在巷道顶板上的全站仪测量掘锚机与设计轴线的偏移距离。 车身安装陀螺仪，获得掘锚机的航向、横滚、俯仰三个维度上的角度(a,β,γ)。控制单元包括四个控制器，用于完成信号采集和运算。执行单元包括电液比例阀、液压马达。两个电液比例阀接收控制器的输出指令，控制左右履带行走机构的液压马达，完成左右履带各自的前进和后退。上述控制器采集车身的偏转角度、偏移距离、行进方向位移及左右履带速度信息，根据设计的行走及纠偏策略，给出左右履带的行进方向角、距离及速度，控制掘锚机左右履带自动沿巷道设计轴线运动，实现掘锚机自动行走及纠偏。 掘锚机的自动行走及自动纠偏控制的流程，具体过程如下： 设定掘锚机行走单次步距 D，已知车体中心偏移距离 s，纠偏距离 d＝D，可知理论纠偏角度 B＝ arcsin(s/d)，如图5，图5本申请实施例所提供的一种纠偏示意图。图5中A为最大安全角度、s为偏移距离、 D为单次行走步距、B为理论纠偏角度，理想轴线为施工巷道中轴线。 获取行走前掘锚机的航向角记做a1；掘锚机到达掘进面，首先判断当前车体中心偏移距离s与纠偏阈值s' 的关系决定纠偏策略。 策略1：当|s|＜|s'|时，此时偏移距在允许范围内，此时调整车身角度a(航向角)直至a -Δa≤a≤a +Δa。 1 1当a -Δa≤a≤a +Δa时，纠偏结束；当a＞a +Δa时，需要控制左右履带反向旋转，并有v ＝v ， 1 1 1 L_forward R_back直至a -Δa≤a≤a +Δa，纠偏结束；当a＜a -Δa，需要控制左右履带反向旋转，并有v ＝v ，直1 1 1 L_back R_forward至a -Δa≤a≤a +Δa，纠偏结束。 1 1策略2：当|s|≥|s'|，此时偏移距超出允许范围，此时在安全角度范围内调整车身角度至理论纠偏角度。 当s＞0时，此时偏移距正向超过允许范围，需要控制左右履带反向旋转，并有v ＝v 。当|A|≥ L_forward R_back |B|时，控制左右履带动作直至a＝B后停止动作，纠偏结束；|A|＜|B|时，控制左右履带动作直至a＝A后停止动作，纠偏结束。 当s＜0时，此时偏移距反向超过允许范围，需要控制左右履带反向旋转，并有v ＝v 。当|A|≥ L_back R_forward |B|时，控制左右履带动作直至a＝B后停止动作，纠偏结束；|A|＜|B|时，控制左右履带动作直至a＝A后停止动作，纠偏结束。 上文中，v 为左履带前进速度，v 为右履带前进速度，v 为左履带后退速度，v 为右L_forward R_forward L_back R_back履带后退速度。 经对比可知，对比文件2的掘进机的纠偏控制系统相当于本申请的掘进机自动纠偏系统，对比文件2中控制单元采集车身的偏转角度、偏移距离、行进方向位移及左右履带速度信息，根据设计的行走及纠偏策略， 给出左右履带的行进方向角、距离及速度，两个电液比例阀接收控制器的输出指令，控制左右履带行走机构的液压马达，完成左右履带各自的前进和后退，控制掘锚机左右履带自动沿巷道设计轴线运动，实现掘锚机自动行走及纠偏，可见控制单元对应于本申请的控制器，以及对比文件2公开了本申请控制器和预设掘进机导航目标对比后计算生成新导航参数，再通过计算得到液压比例阀的电信号输出值来控制掘进左、右履带的速度、正反转，实现掘进机的自动纠偏；其中，对比文件2中的“行走前掘锚机的航向角a1、纠偏阈值s'”均相当于本申请“预设掘进机导航目标”；对比文件2公开了“判断当前车体中心偏移距离s与纠偏阈值s'的关系；当|s|≥|s'|，此时偏移距超出允许范围，此时在安全角度范围内调整车身角度至理论纠偏角度；当|s|＜ |s'|时，此时偏移距在允许范围内，此时调整车身角度a(航向角)直至a -Δa≤a≤a +Δa”，即公开了“调整履1 1带转动方向使掘进机到达巷道中线的纠偏阈值范围内，调整履带转动方向使偏航角为±Δa以内”的掘进机自动纠偏方式；且由于设置掘进机旋转的最大安全角度，对比文件2从当前位置通过连续转动的方式渐进到达巷道中线。 权利要求1与对比文件2相比，其区别技术特征在于权利要求1还限定了： （1）二者自动纠偏的过程不同，对比文件2设置掘进机旋转的最大安全角度，从当前位置通过连续转动的方式渐进到达巷道中线，且设置了一定的阈值范围s'和Δa，本申请假设导航目标点S（纠偏阈值s'=0），调整掘进机航向角并使其前进到S点位置后，再调整履带转动方向使偏航角为0（偏航角Δa=0），即所述自动纠偏的具体过程为：以车身偏左，角度偏左为例，首先调整履带转动方向，左履带前进右履带后退使车身中线对准目标点S，理想状态下掘进机会在原地转动，则掘进机偏移中线的距离n保持不变，偏航角与航向角相等，之后掘进机左右履带转动方向调整为前进，前进到S点位置后，n＝0；最后，调整履带转动方向使偏航角为0，至此自动纠偏完成； （2）二者获取偏航角和偏移距离的手段不同，对比文件2中控制器采集车身的偏转角度、偏移距离、行进方向位移及左右履带速度信息，本申请中基于激光扫描实现，并限定了具体的手段，即系统包括安装在掘进机顶部的激光雷达；激光雷达与控制器通过太网网线连接；所述激光雷达用于实时获取掘进机与巷道两侧的距离；控制器根据距离数据和姿态信息计算出掘进机到巷道距离数据集合，据此计算出掘进机与巷道航向角度和横向偏差；所述激光雷达的具体操作如下： 激光雷达安装在掘进机顶部相对左右履带正中位置，且方位角0°位置对准掘进机正前方，取激光雷达60°到120°一组数据用于计算掘进机右侧到巷道距离以及掘进机的右偏航角，取激光雷达240°到300°一组数据用于计算掘进机左侧到巷道距离以及掘进机的左偏航角；取激光雷达270°到30°一组数据，用于计算掘进机前方到迎头距离； 以右侧为例，找到60°到120°范围内最小距离a和所对应的角度α，则a为掘进机中线到右侧巷道的距离，α-90°为右偏航角； 同理左侧找到240°到300°范围内最小距离b和所对应的角度β，则b为掘进机中线到左侧巷道的距离， 270°-β为左偏航角； 偏航角取左右偏航角均值，偏航角γ＝[(α-90°)+(270-β°)]/2； 前方找到270°到30°范围内最小距离c即为迎头距离； 通过右侧巷道的距离a和左侧巷道的距离b求得掘进机偏移中线距离n＝(a-b)/2； 假设导航目标点S为沿巷道中线前移距离m，则S点距离迎头距离为c-m；若要导航到目标点S，则根据反三角函数计算出实际的航向角θ＝arctan(n/m)。 基于上述区别技术特征可以确定，本申请实际所要解决的技术问题为：提供另一种掘进机自动纠偏的路径以及获取偏航角和偏移距离的具体手段。 对于上述区别技术特征（1），复审请求人认为：对比文件2的技术方案为每当掘进机到达偏离阈值时， 对其进行纠偏，即按照B＝arcsin(s/d)得到理论纠偏角度，按照单次行走步距进行纠偏，并且纠偏一次后，若航向角差在预设偏差区间内，则不调整航向角，若航向角差不在预设偏差区间内，将航向角调整为所述历史航向角，其路径有两种可能，需要纠偏多次，造成掘进机控制的不稳定性增加，易于影响巷道的质量；而本申请因为能够得到目标S点的位置，可以实施从偏离位置向目标S点循序纠偏的方法，纠偏过程是从导航开始到结束的动态、持续纠偏过程，整个导航行走过程持续稳定。由于对比文件2中没有记载得到目标点S的相应方案，其纠偏方法与本申请的纠偏方法相互矛盾，无法给出本申请“导航到目标点S，根据反三角函数计算出实际的航向角θ＝arctan(n/m)”的技术启示。 对此，经审查，合议组认为： 首先，由对比文件2说明书第86、88段公开的“获取行走前掘锚机的航向角记做a ；当实时航向角a＝a1 1时，控制左右履带同速运动；当a＞a 时，掘锚机正向偏离当前巷道中线，控制左右履带差速运动；当a＜a ， 1 1掘锚机机反向偏离当前巷道中线”可知，掘进机航向角若保持为a ，能够使掘进机沿着不偏离当前巷道中线1的期望路径和方向行驶，将航向角调整为所述历史航向角即为将掘进机调整为沿不偏离中线的期望路径行驶。 此外，对比文件2说明书第89-93段还公开了：掘锚机到达掘进面，首先判断当前车体中心偏移距离s与纠偏阈值s'的关系；当|s|＜|s'|时，此时偏移距在允许范围内，此时调整车身角度a(航向角)直至a -Δa≤a≤a + 1 1 Δa（策略1）；当|s|≥|s'|，此时偏移距超出允许范围，此时在安全角度范围内调整车身角度至理论纠偏角度（策略2）；其中理论纠偏角度由车体中心偏移距离和纠偏距离计算得到。本领域技术人员由上述内容可以理解，对比文件2的偏移距离和航向角均有一个误差允许的范围（即纠偏阈值和Δa），当偏移距离超出误差允许范围时，需要让车体中心重新回到施工巷道的中轴线，回到中轴线（或没有超出纠偏阈值）时调整航向角使偏航角小于±Δa，可见，对比文件2实质上同样包含了掘进机到达巷道中线消除横线偏差、不存在横向偏差时调整车身角度至使掘进机沿着不偏离当前巷道中线的期望路径和方向行驶的航向角的纠偏方式，并不会出现请求人所述的两种可能路径以及控制不稳定的问题，且这与本申请使掘进机到达巷道中线的目标点S、 转动机身使偏航角为0的纠偏方式实质上相同，二者的区别仅在于掘进机行进至巷道中线目标点的过程不同， 本申请为理想状态下掘进机在原地转动至偏航角与航向角相等，掘进机前进至S点，而对比文件2会考虑最大安全纠偏角度，当理论纠偏角度大于最大安全纠偏角度时，实时航向角设置为最大安全纠偏角。 其次，比较对比文件2和本申请的两种到达巷道中线的方式，对比文件2考虑了根据行走单步步距计算理论纠偏角度，以及根据巷道宽度、车体长度、车体宽度和偏移距离计算车体的最大安全纠偏角度，虽然行进至巷道中线的距离可能会变长，但到达巷道中线的方式相对安全，并且进一步基于对比文件2策略2中所记载的最大安全纠偏角度大于理论纠偏角度的情形，即|A|≥|B|时，实时航向角设置为理论纠偏角度B，本领域技术人员容易预期，在不考虑最大安全纠偏角度或者根据实际的安全需要时，对对比文件2的上述技术手段进行简化；此外，对偏航角和偏移中线距离的阈值设置为0，也是本领域技术人员根据实际精度要求进行的常规设置。因此，在上述基础上，具体的：假设导航目标点S；所述自动纠偏的具体过程为：以车身偏左，角度偏左为例，首先调整履带转动方向，左履带前进右履带后退使车身中线对准目标点S，理想状态下掘进机会在原地转动，则掘进机偏移中线的距离n保持不变，偏航角与航向角相等，之后掘进机左右履带转动方向调整为前进，前进到S点位置后，n＝0；最后，调整履带转动方向使偏航角为0，至此自动纠偏完成， 上述技术手段是本领域技术人员在对比文件2记载内容的基础上结合本领域的常规技术手段容易想到并实现的。关于复审请求人陈述的“本申请实时获取迎头距离（判断距离S的迎头距离差值m），并实时计算偏离中心线的距离n值，在开始纠偏的位置到导航结束S点的位置，随着掘进机的前进，每前进一步都会调整纠偏的具体数据（通过m和n值调整角度）”，其并未限定在权利要求1中，权利要求1限定的是“履带转动使车身中线对准目标点S，掘进机会在原地转动，则掘进机偏移中线的距离n保持不变，偏航角与航向角相等， 之后掘进机左右履带转动方向调整为前进，前进到S点位置”，即权利要求1的技术方案中并未限定“车身瞄准目标点S并在前进至目标点S的过程中，每前进一步都会通过实时计算m和n来调整航向角”的手段。 此外，虽然对比文件2的上述自动纠偏过程是在掘锚机到达掘进面时，但对比文件2说明书第88段记载了掘锚机到达掘进面之前的纠偏步骤，本领域技术人员容易知晓，在掘进机的行进过程中都有对其自动纠偏的需求，由此，将对比文件2掘锚机到达掘进面时的纠偏手段应用于到达掘进面之前的纠偏，是本领域技术人员根据实际需要进行的常规设置。 对于上述区别技术特征（2），复审请求人认为：本申请仅通过一个固定位置安装的激光雷达设备就能得到掘进机的位置信息（距离迎头的距离+偏离中线的距离+偏航方向共同确定掘进机的具体位置）和姿态信息（左偏航角度或右偏航角度），提供了一种车体姿态和位置测量方法，该方法硬件设备资源更少、结构更简单。 对比文件2确定车体中心位置的技术手段为“求解棱镜坐标，结合方位角综合计算”，二者是两个不同的技术方案。同时，对比文件2的方法需要在巷道顶部安装全站仪，在掘进机车身安装陀螺仪，并且二者共同连接于同一处理系统，相应的设备数量多、成本高。在对比文件2已经给出了明确的“车体位置测量计算方法”的基础上，本领域技术人员并不容易想到采用另一种方法解决相同的问题。此外，“激光雷达属于常规的雷达测距传感器”这一公知常识并没有给出“如何仅采用一个激光雷达传感器得到掘进车的位置、姿态信息的具体方案”的技术启示。 对此，经审查，合议组认为：对比文件2和本申请的纠偏方法，本质上都是为了回到中线，通过传感器采集的相关信息获取掘进机的航向角、偏差角以及偏离中线的距离，而通过掘进机左右侧到巷道距离求得偏移中线距离、通过左右偏航角取均值得到偏航角，是本领域技术人员可以通过常规的数学原理容易得到的， 并不需要付出创造性的劳动。对比文件2公开了“传感单元包括雷达测距传感器，利用传感器获取偏移距离和航向角”，激光雷达也属于常规的雷达测距传感器，基于此本领域技术人员容易想到采用激光雷达获取掘进机左右侧到巷道距离、迎头距离以及左右偏航角，以及采用激光雷达的具体操作是本领域技术人员根据常规设置易于实现的，具体地，激光雷达的安装位置、安装方位角，激光雷达的角度与所获取数据的对应关系， 激光雷达与控制器的连接方式，以及由控制器根据距离数据和姿态信息计算出掘进机到巷道距离数据集合以及由控制器计算掘进机与巷道航向角度和横向偏差，是本领域技术人员根据实际需要进行的常规设置，其效果也是可以预期的。 综上，复审请求人的意见陈述不具有说服力，合议组不予支持。 因此，在对比文件2的基础上结合本领域的常规技术手段得到权利要求1所要求保护的技术方案，对本领域技术人员而言是显而易见的。该权利要求不具有突出的实质性特点和显著的进步，不具备专利法第22条第3款规定的创造性。 基于以上事实和理由，合议组作出如下审查决定。

驳回复审请求人于2024年07月17日对上述专利申请提出的复审请求。 如对本复审请求审查决定不服，根据专利法第41条第2款的规定，复审请求人可以自收到本决定之日起三个月内向北京知识产权法院起诉。 合议组组长：林峰主审员：曹雅维 专利局复审和无效审理部参审员：刘晶