一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置和方法，利用巷道顶板上锚杆托盘等特征，解决了现有导航定位方法的不足和局限；测量中主要用到工业摄像机及数据采集和处理系统等装备，具有初始化完成后不依赖激光指向仪和人工干预的高度自主、高精度、高可靠性等优点，适用于煤矿井下掘进机及其它移动平台的无人驾驶场合。

A Navigation and Location Method and Device for Coal Mine Roadway Based on Roof Characteristics

【技术实现步骤摘要】
一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位方法和装置
本专利技术涉及导航定位领域，尤其涉及一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位方法和装置。
技术介绍
煤矿巷道尤其是主巷道使用时间一般长达数年甚至数十年，因此对巷道成型精度有较高要求，GB50213-2010《煤炭井巷工程质量验收规范》中规定“基础掘进断面规格的允许偏差为-25mm～+150mm”。传统掘进工艺中，由悬挂在掘进机后方巷道顶板上的激光指向仪投射出经过方向标定的激光束在巷道断面上形成光斑，掘进机司机需要以这一光斑为基准进行断面测量、截割和巷道掘进才能保证巷道走向与设计方向一致，为实现这一目标，掘进机司机需要在截割过程中多次停机测量，或者依靠经验控制截割断面，而激光指向仪也需要随着巷道推进频繁前移以保证指向精度，而每次前移都需要进行繁琐的位置和指向调整和标定；另一方面，掘进工作面是煤矿井下事故率最高、环境最恶劣、作业人数最多的作业场合之一，因此，掘进工作面自动化无人化具有迫切需求，其中掘进机自主导航定位是关键技术之一。煤矿井下巷道顶板均需要按照规定间距和行距进行支护，支护方式是在顶板钻孔后，将锚杆插入钻孔，利用锚固剂固定锚杆后，在锚杆端头用锁紧螺母将标准化的正方形托盘压紧在顶板上。锚杆的间距和行距大约为800mm，托盘一般为边长为150mm的正方形钢板。本专利技术以巷道顶板上的托盘为特征进行巷道内移动装备的导航定位。公告号为CN101819036A的专利技术专利“一种掘进机的空间位姿自动测量方法”，该专利提出了一种针对掘进机在煤矿井下狭小巷道空间内的位姿测量方法。从技术原理上讲，该专利提供的检测方案属于“机器视觉位姿检测法”的一种。该方案将机器视觉技术引入煤巷综掘面，试图解决掘进机在巷道内的位姿检测问题。技术原理可行，但工程实际应用价值较低。由于煤巷综掘面工作环境特殊，机器视觉目前只应用于对掘进工况的监视上，直接用于位姿精确检测具有较大的实际应用难度。公告号为CN101266134A的专利技术专利“悬臂掘进机头位姿的测量系统及其方法”，该专利提出了一种针对悬臂掘进机截割头空间位置的检测技术。由于该方案试图检测截割头在巷道绝对坐标系中的位置，因此整套系统中也涉及到对掘进机机身位姿的确定工作。该技术方案实质是“基于全站仪测绘的位姿检测技术”与“基于位姿敏感器的位姿检测技术”的一种综合应用。该方案能够测得机身的三个角度位姿，以及截割头在巷道坐标系中的绝对位置，但无法获得掘进机机身基于巷道设计方向轴线的偏向位移。此外，该技术中检测装置的经济成本过高，且有效检测距离过短，实际工程应用时工序繁琐、综合应用成本较高。公告号为CN101975063A的专利技术专利“掘进机激光引导定位定向装置方法”该专利技术是在掘进机后面的巷道顶板上设置一个激光导向装置，在悬臂上安装一个激光接收器，激光接收器将接收到的光信号转化为成电压信号并进行放大，经模数转换器转换为数字信号，再经单片机程序运算和处理后，即可输出掘进机偏离激光引导方向的偏差和掘进悬臂对准掘进断面中心坐标的信息，对悬臂截割头定位。公告号为CN102589514A的专利技术专利“掘进机位姿参数测量装置及其方法”，该专利技术涉及一种掘进机机身的位姿参数的测量装置及其方法。由激光指向仪、掘进机水平盖板、定位装置、激光接收光栅、可编程控制器、回转装置及其机架、伺服驱动装置、安全保护罩、清理刷等组成。激光指向仪指示出当前的巷道基准。工作时，由伺服驱动装置带动两个激光接收光栅先后做回转运动，当接收到激光指向仪发射的激光束时，记录下两组转角和两组距离，并返回初始位置。而两个光栅间的距离固定为ΔL，通过运算便可得到掘进机机身的五个参数：掘进机相对于巷道中心线的左右偏移、上下偏移、相对于掘进机机身中心的摇摆角、俯仰角、偏转角。上述公开专利技术均与本专利技术公开的解决方案不同，且无法很好地解决本专利技术中提到的应用问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置和装置。本专利技术的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置，包括：拍摄模块，设置于行进于煤矿巷道中的掘进机机身，成像器件对称轴与掘进机机身对称轴方向一致，且成像器件镜头朝向掘进机机身正上方，用于实时拍摄巷道顶板特征；分析模块，连接拍摄模块，用于设定图像提取时间点，并在预设的图像提取时间点提取拍摄模块拍摄的巷道顶板特征得到的图像，根据摄影测量法，计算相邻的图像提取时间点时刻的两幅图像中，拍摄模块相对巷道顶板特征的相对空间位姿参数，获得拍摄模块在相邻的图像提取时间点的空间位姿改变量；定位模块，用于获取掘进机行进初始时刻拍摄模块的初始空间位姿参数，通过将初始空间位姿参数与分析模块计算得到的多个相邻的图像提取时间点的空间位姿改变量叠加，得到掘进机的实时绝对空间位姿参数。其中，拍摄模块为工业摄像机，设置于巷道顶部的巷道顶板特征为巷道顶部的锚杆托盘，且工业摄像机的拍摄视场至少覆盖2个巷道顶部的锚杆托盘。其中，若在工业摄像机的拍摄视场覆盖沿掘进机行进方向设置的第一锚杆托盘和第二锚杆托盘，则在掘进机的行进过程中，分析模块分别解算工业摄像机与两个锚杆托盘的相对空间位姿，以相邻的图像提取时间点计算得到的第一锚杆托盘与工业摄像机之间的相对空间位姿作为空间位姿改变量。其中，当第一锚杆托盘距离工业摄像机的视场边缘距离小于等于预设距离时，分析模块计算相邻的图像提取时间点计算得到的第一锚杆托盘与工业摄像机之间的相对空间位姿，作为空间位姿改变量，当第一锚杆托盘完全从工业摄像机的拍摄视场中消失时，将第二锚杆托盘作为第一锚杆托盘，并将新进入工业摄像机拍摄视场的锚杆托盘作为第二锚杆托盘。本专利技术的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位方法，利用如前述技术方案所述的煤矿巷道导航定位装置进行煤矿巷道导航定位，包括：分别在巷道、工业摄像机及第一锚杆托盘和第二锚杆托盘上选取中心点，并以选取的中心点为坐标原点，建立巷道、工业摄像机及第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的空间直角坐标系；利用定位模块获取掘进机行进初始时刻t＝t0拍摄模块的初始空间位置坐标为(x0,y0,z0，初始横滚角为α0，初始俯仰角为β0，初始偏航角为γ0；设t＝t0时，掘进机位于煤矿巷道起点处，通过工业摄像机采集第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的图像，测得工业摄像机相对第一锚杆托盘的位置坐标为及相对第一锚杆托盘的横滚角为俯仰角为偏航角为工业摄像机相对第二锚杆托盘的位置坐标为相对第二锚杆托盘的横滚角为俯仰角为偏航角为设t＝t1时，掘进机行进至下一个位置，再次通过工业摄像机采集第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的图像，当第一锚杆托盘部分移出工业摄像机视场时，测得工业摄像机相对第二锚杆托盘位置坐标为工业摄像机相对第二锚杆托盘的横滚角为俯仰角为偏航角为则t＝t1时刻工业摄像机的绝对位置为工业摄像机的绝对横滚角为绝对俯仰角为绝对偏航角为设t＝t2时，掘进机行进至下一个位置，新的锚杆托盘进入工业摄像机视场，作为新的第二锚杆托盘，原第二锚杆托盘成为第一锚杆托盘，采集新的第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的图像，测得工业摄像机相对新的第一锚杆托盘的位置坐标为相对新的第一锚杆托盘的横滚角为俯仰角为偏航角为工业摄像机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置，其特征在于，包括：拍摄模块，设置于行进于煤矿巷道中的掘进机机身，成像器件对称轴与掘进机机身对称轴方向一致，且成像器件镜头朝向掘进机机身正上方，用于实时拍摄巷道顶板特征；分析模块，连接拍摄模块，用于设定图像提取时间点，并在预设的图像提取时间点提取拍摄模块拍摄的巷道顶板特征得到的图像，根据摄影测量法，计算相邻的图像提取时间点时刻的两幅图像中，拍摄模块相对巷道顶板特征的相对空间位姿参数，获得拍摄模块在相邻的图像提取时间点的空间位姿改变量；定位模块，用于获取掘进机行进初始时刻拍摄模块的初始空间位姿参数，通过将初始空间位姿参数与分析模块计算得到的多个相邻的图像提取时间点的空间位姿改变量叠加，得到掘进机的实时绝对空间位姿参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置，其特征在于，包括：拍摄模块，设置于行进于煤矿巷道中的掘进机机身，成像器件对称轴与掘进机机身对称轴方向一致，且成像器件镜头朝向掘进机机身正上方，用于实时拍摄巷道顶板特征；分析模块，连接拍摄模块，用于设定图像提取时间点，并在预设的图像提取时间点提取拍摄模块拍摄的巷道顶板特征得到的图像，根据摄影测量法，计算相邻的图像提取时间点时刻的两幅图像中，拍摄模块相对巷道顶板特征的相对空间位姿参数，获得拍摄模块在相邻的图像提取时间点的空间位姿改变量；定位模块，用于获取掘进机行进初始时刻拍摄模块的初始空间位姿参数，通过将初始空间位姿参数与分析模块计算得到的多个相邻的图像提取时间点的空间位姿改变量叠加，得到掘进机的实时绝对空间位姿参数。2.根据权利要求1所述的基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置，其特征在于，所述拍摄模块为工业摄像机，设置于巷道顶部的巷道顶板特征为巷道顶部的锚杆托盘，且工业摄像机的拍摄视场至少覆盖2个巷道顶部的锚杆托盘。3.根据权利要求2所述的基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置，其特征在于，若在工业摄像机的拍摄视场覆盖沿掘进机行进方向设置的第一锚杆托盘和第二锚杆托盘，则在掘进机的行进过程中，分析模块分别解算工业摄像机与两个锚杆托盘的相对空间位姿，以相邻的图像提取时间点计算得到的第一锚杆托盘与工业摄像机之间的相对空间位姿作为空间位姿改变量。4.根据权利要求3所述的基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置，其特征在于，当第一锚杆托盘距离工业摄像机的视场边缘距离小于等于预设距离时，分析模块计算相邻的图像提取时间点计算得到的第一锚杆托盘与工业摄像机之间的相对空间位姿，作为空间位姿改变量，当第一锚杆托盘完全从工业摄像机的拍摄视场中消失时，将第二锚杆托...

【专利技术属性】
技术研发人员：田原，秦国强，田野，刘子靖，王帅，贾少山，王传武，王本林，桑盛远，张立平，王瑶，郎艳，
申请(专利权)人：中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西天地煤机装备有限公司，
类型：发明
国别省市：山西,14