一种掘进机截割头复合定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于红外与磁场定位的掘进机截割头复合定位系统和方法。本发明专利技术中的磁场定位部分首先通过带有固定永磁体的截割头在遍历工作空间，由红外定位模块实时记录三维空间位置，由磁场传感器记录对应位置的磁感应强度，以获取训练数据，然后通过深度学习算法构建磁场定位模型。通过红外定位和磁场定位的结合，克服了掘进机工作时的高浓度粉尘造成的低可见度环境影响以及掘进机机体铁磁质的影响，解决了掘进机截割头的实时定位问题。

【技术实现步骤摘要】
一种掘进机截割头复合定位系统及方法
本专利技术涉及一种掘进机截割头定位系统及方法。具体的说，本专利技术涉及一种由基于几何光学的红外定位和基于深度学习的磁场定位构成的掘进机截割头复合定位系统及方法。
技术介绍
随着采矿业的发展，自动化、智能化掘进和采煤是大势所趋，而对掘进机截割头的实时定位是智能化掘进的前提。但由于掘进机在工作过程中，会产生大量粉尘，并且截割头有时会埋没于矿渣之下，传统的光学定位方法无法适应这样的恶劣环境。利用红外定位方法可在粉尘较低情况下完成高精度定位，但当截割头被埋没及被掘进机机身遮挡时，红外定位方法失效，穿透力较强的磁场定位就是一种选择。磁场定位虽然具有穿透力强，不受可见度影响的优点，但是因为掘进机整体为铁磁质，矿井下铁磁环境很复杂，所以传统磁场定位精度很差。而将磁场定位与深度学习算法相结合，可以很好的消除铁磁质的影响，大幅度提高定位精度。
技术实现思路
本专利技术公开了一种基于红外与磁场定位的掘进机截割头复合定位方法，解决了掘进机工作过程中的截割头定位问题，为进一步实现自动掘进提供了技术基础。定位系统包括由多组红外摄像机构成的红外定位模块、由多个三轴磁场传感器组成的磁场定位模块、可固定于截割头后方的磁源、含有复合定位模型的终端处理器。由于铁磁质掘进机机体的影响，传统的基于毕奥-萨伐尔定律的磁场定位并不适用。本方法中的磁场定位部分首先通过带有固定永磁体的截割头在遍历工作空间，由红外定位模块实时记录三维空间位置，由磁场传感器记录对应位置的磁感应强度，以获取训练数据，然后通过深度学习算法构建磁场定位模型。通过红外定位和磁场定位的结合，克服了掘进机工作时的高浓度粉尘造成的低可见度环境影响以及掘进机机体铁磁质的影响，解决了掘进机截割头的实时定位问题。本专利技术提供的具体
技术实现思路
是：一种掘进机截割头复合定位系统，定位系统包括红外定位模块、磁场定位模块、可固定于截割头后方的磁源、含有复合定位模型的终端处理器。所述红外定位模块用于对截割头进行红外定位；所述磁场定位模块用于对截割头进行磁场定位；所述磁源用于将截割头的位置数据传送给磁场定位模块；所述含有复合定位模型的终端处理器用于对获得位置数据进行处理：所述位置数据包括红外定位模块获得的红外位置数据，以及磁场定位模块获得的磁场位置数据。优选地，所述红外定位模块包括至少两个红外摄像头以及配套的数据采集器，所述至少两个红外摄像头位于截割头后上方，且平行放置，光心间距为25cm。优选地，所述磁场定位模块包括至少两个三轴数字磁场传感器，分别放置于掘进机机身两侧。优选地，磁源固定于截割头后方，与截割头一起运动，通过磁源的运动影响所述磁场传感器获得的磁场强度。所述磁源为永磁体或电磁铁。本专利技术公开的定位方法为：磁场定位部分首先通过带有固定永磁体的截割头遍历工作空间，由红外定位模块实时记录三维空间位置，由磁场传感器记录对应位置的磁感应强度，以获取训练数据，然后通过深度学习算法构建磁场定位模型。红外定位方法基于几何光学原理，不设置红外光源，对工作过程中因摩擦产热进而产生红外辐射的截割头进行定位。通过红外定位和磁场定位的结合，用磁场定位结果填补红外定位丢失的定位点，解决掘进机截割头的实时定位问题。为保证定磁场定位模型的有效范围，红外定位模块O的有效定位范围要略大于预期磁场定位范围；红外定位模块O由不少于两组的红外摄像头构成，通过轮廓检测算法、目标光源判定算法、最小外接圆及圆心确定算法和基于几何光学的三维定位算法得到目标的三维坐标。为保证足够的定位精度，磁场定位模块S，由固定于掘进机独立于截割头运动部分外的机身上或跟随掘进机移动的滑竿上的不少于两个的三轴磁场传感器，以及由红外定位模型和磁场传感器获取训练数据，使用经粒子群算法优化后的深度学习算法由训练数据获得的磁场定位模型组成。优选地，所述优化算法包括以下步骤：步骤一，确定深度学习模型的模型结构。在本案例中我们使用的是误差逆向传播训练的多层前馈深度学习模型。步骤二，将模型参数初始化为粒子位置，初始化粒子的速度以及个体历史最优和全局最优。步骤三，更新粒子速度和位置，计算粒子适应值及确定个体历史最优和全局最优，判断全局最优适应值是否小于设定精度，如果是，执行步骤五；如果否，则执行步骤四。步骤四，判断迭代次数是否大于最大迭代次数：如果否，则重复执行步骤二；如果是，则输出全局最优粒子位置。步骤五，利用上述计算结果初始化深度学习模型的模型参数。步骤六，输入第P组样本，计算各层输出及误差。步骤七，计算输出误差；所述误差为均方误差；判断所述误差是否小于预定误差；如果否，则根据该误差计算反向误差和新的模型参数；利用新的模型参数，更新深度学习模型的模型参数，返回步骤六，重新计算模型输出及误差；步骤八，判断所述误差是否小于预定误差或连续多次误差不再下降；如果是，则保存当前深度学习模型；步骤九，判断训练样本是否全部训练完成，如果不是，迭代次数加1，返回步骤六，进行下一个样本的训练；如果是，则结束训练；从而获得所需的训练完成后的深度学习模型，用于磁场定位。为保证磁场定位精度以及有效时间，固定于截割头后方的磁源M可使用永磁体或电磁铁产生较强的磁场，并可在不影响截割头工作的前提下固定于截割头后方，随截割头一起运动。为处理各模块数据，并可视化定位结果，含有复合定位模型的终端处理器C由终端主机或嵌入式系统和显示器构成的硬件部分以及由磁场定位模型、红外定位模型、红外定位丢失判定算法、定位结果显示程序构成的软件部分构成。采用本专利技术的复合定位系统及方法对截割头进行定位，能够获得精准的定位结果；现对于现有技术的定位结果，定位精度大幅度地提高，且不受工况的影响，能够在复杂的工况下进行工作，不会出现对截割头跟踪丢失的情况。附图说明图1定位系统示意图；图2a相机坐标与图像坐标关系；图2b摄像机与测量点的几何关系；图3优化算法流程图；图4复合定位框图；图5复合定位坐标与实际坐标对比图。具体实施方式下面结合附图，通过实施案例对本专利技术进行进一步详细说明，但不以任何方式限制本专利技术的范围。本专利技术中实施案例中的定位系统包括由多组红外摄像机构成的红外定位模块、由多个三轴磁场传感器组成的磁场定位模块、可固定于截割头后方的磁源、含有复合定位模型的终端处理器。如图1所示，红外定位模块由两个红外摄像头3以及配套数据采集器构成，置于掘进机机身上方；磁场定位模块由两个三轴数字磁场传感器6组成，置于掘进机机身两侧；磁源2为圆形D100X20mmN35钕磁铁，固定于掘进机截割头1的后方；终端处理器使用台式电脑7，显示屏置于掘进机驾驶位前方。本专利技术提供一种基于红外与磁场定位的掘进机截割头复合定位系统，定位系统包括红外定位模块、磁场定位模块、以及含有复合定位模型的终端处理器。所述红外定位模块O中，两个红外摄像头3平行放置，光心间距25cm。由图2所示，根据几何光学原理，可以求得目标物三维坐标。所述磁场定位模块S中，两个三轴数字磁场传感器6分别放置于掘进机机身两侧，位置不做特别要求，但需要保证训练过程和定位过程中，磁场传感器6位置保持不变，可以通过常规的固定手段，将磁场传感器6固定在掘进机机身的两侧，其随着掘进机一起运动，并保持与机身的相对位置恒定不变。磁源M为圆形D100X20mmN35钕磁铁2，固定于截本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掘进机截割头复合定位系统，其特征在于：所述复合定位系统包括红外定位模块、磁场定位模块、可固定于截割头后方的磁源、含有复合定位模型的终端处理器。所述红外定位模块用于对截割头进行红外定位：所述磁场定位模块用于对截割头进行磁场定位；所述磁源用于将截割头的位置数据传递给磁场定位模块；所述含有复合定位模型的终端处理器用于对获得位置数据进行处理；所述位置数据包括红外定位模块获得的红外位置数据，以及磁场定位模块获得的磁场位置数据。

【技术特征摘要】
1.一种掘进机截割头复合定位系统，其特征在于：所述复合定位系统包括红外定位模块、磁场定位模块、可固定于截割头后方的磁源、含有复合定位模型的终端处理器。所述红外定位模块用于对截割头进行红外定位：所述磁场定位模块用于对截割头进行磁场定位；所述磁源用于将截割头的位置数据传递给磁场定位模块；所述含有复合定位模型的终端处理器用于对获得位置数据进行处理；所述位置数据包括红外定位模块获得的红外位置数据，以及磁场定位模块获得的磁场位置数据。2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述红外定位模块包括至少两个红外摄像头以及配套的数据采集器，所述至少两个红外摄像头位于截割头后方，且与机身相对位置关系固定后，在定位过程中不再变更。3.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于，所述磁场定位模块包括至少两个三轴磁场传感器，分别放置于掘进机机身两侧或与机身同步运动的滑轨以及支架上。4.根据权利要求3所述的定位系统，其特征在于，磁源固定于截割头后方，与截割头一起运动，通过磁源的运动影响所述磁场传感器获得的磁场强度。所述磁源为永磁体或电磁铁。5.一种掘进机截割头复合定位方法，利用权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：张步勤，王华英，徐昌盛，张雷，刘文龙，李振峰，李佳俊，常鹏，
申请(专利权)人：冀中能源峰峰集团有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13