一种基于空间矢量约束的掘进机位姿测量系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于空间矢量约束的掘进机位姿测量系统，包括激光指向部件，所述掘进机上设置有测偏机构和操作台，所述操作台上包括位姿测量模块、通信交换机构和显示部件；所述测偏机构由两个定焦相机和捷联惯性导航部件构成；所述定焦相机实时检测激光指向仪发出的光源信号；所述捷联惯性导航部件实时检测掘进机的姿态角信号；所述通信交换机构对定焦相机输出的光源信号和掘进机的姿态信号进行转换为掘进机姿态数据信号；所述位姿测量模块对掘进机姿态数据信号构建空间矢量约束方程获得掘进机位姿的六自由度数据由显示部件输出，该装置实现对掘进机位姿检测的计算机化处理，保证矿业施工安全和高效。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间矢量约束的掘进机位姿测量系统
本技术适用于采掘设备应用领域，特别涉及一种基于空间矢量约束的煤矿掘进机位姿测量系统。
技术介绍
目前，煤炭在我国能源结构中的比例正逐渐减少，但在2015年，全国煤炭产量占世界煤炭产量的47％，消费总量也仍占世界总量的50％以上，以煤炭为我国主体能源的现状并未改变。因此，煤炭行业的健康发展直接影响着国家和人民群众的经济利益和国家能源安全，对我国发展具有重要的战略意义。随着我国煤矿开采能力不断提高，常规的巷道掘进技术已经无法满足需求，对矿下掘进机的工作效率提出了更高的要求。在巷道掘进作业的过程中，测量掘进机的位姿是极其重要的，是实现无人掘进的重要环节之一，直接决定着煤矿安全及生产效率。而目前，绝大多数均采用激光指向仪来指示巷道设计中线，采用人工目测激光指向仪打出的光斑来控制掘进机工作方向，此方法需要人工完成，且易受工人经验和现场光线、粉尘等因素影响，易造成超挖或欠挖等问题。现有技术中文献记载的一种结合视觉技术提出掘进机位姿测量的方法，但是只能测量出掘进机五自由度位姿信息，且容易受到现场粉尘、震动等环境影响。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本技术提出一种基于空间矢量约束的掘进机位姿测量装置，该装置实现对掘进机位姿检测的计算机化处理，保证矿业施工安全和高效。为了达成上述的目的，本技术提供的技术方案是：一种基于空间矢量约束的掘进机位姿测量装置，包括激光指向部件，所述掘进机上设置有测偏机构和操作台，所述操作台上包括位姿测量模块、通信交换机构和显示部件；其中：所述测偏机构由两个定焦相机和捷联惯性导航部件构成；所述定焦相机实时检测激光指向仪发出的光源信号；所述捷联惯性导航部件实时检测掘进机的姿态角信号；所述通信交换机构对定焦相机输出的光源信号和掘进机的姿态信号进行转换为掘进机姿态数据信号；所述位姿测量模块对掘进机姿态数据信号构建空间矢量约束方程获得掘进机位姿的六自由度数据由显示部件输出。两个所述的定焦相机反向同轴设置在测偏单元内，两个所述的定焦相机同轴中心处设置所述捷联惯性导航机构。所述掘进机姿态空间矢量构建过程：1、激光指向部件位置作为工程坐标系原点，其方向与掘进机行进计划线保持一致；2、根据两个CCD定焦相机采集到的激光指向部件光源中光斑信号进行处理获得光矢量；3、根据捷联惯性导航机构测得掘进机三个姿态角信号处理获得测偏机构的方向矢量；4、位姿测量模块根据光矢量和方向矢量数据信号构建空间矢量约束方程实现掘进机六自由度位姿测量并输出。有益效果1、本技术通过测偏机构对掘进机的光向、位姿进行实时检测输出，并通过位姿模块的处理获得掘进机六自由度数据，进而可以精确、清晰获悉掘进机施工状态，保证矿业施工的安全和高效。2、本技术通过硬件和软件结合，实现了掘进机施工状态的计算机处理，满足快速生产要求。附图说明图1是本技术的系统结构示意图。图2是本技术的工作状态示意图。图3是本技术测偏单元组成示意图。图4是本技术位姿测量原理示意图。图5是本技术机身坐标系与工程坐标系坐标转换示意图。具体实施方式下面结合附图，对本技术的较优的实施例作进一步的详细说明。本技术提供一种基于空间矢量约束的掘进机位姿测量装置，所述的煤矿掘进机401位姿测量系统包括激光指向部件101，测偏机构201，操作台301，两个CCD定焦相机(202，203)，捷联惯性导航部件204，通信交换机构303为通信配电箱；激光指向仪101安装在掘进机401出发点，安装时保证发射的激光照射到掌子面501且与掘进机401工作的计划线方向一致；测偏单元201固定在掘进机机身的水平面上；测偏机构201包括安装在测偏单元底板205上的捷联惯性导航部件204和两个反向同轴安装的CCD定焦相机(202,203)，CCD定焦相机202与掘进机401前进方向一致，CCD定焦相机203与掘进机401后退方向一致，确保相机镜头前不存在任何的遮挡物；测偏机构201和操作台301的供电线及它们之间通讯线接于通信交换机构303；工作时候，测偏机构201中的捷联惯性导航部件204可以测得掘进机中心点的三个姿态角(俯仰角、横滚角、姿态角)，测偏机构201中的两个CCD定焦相机(202,203)分别采集激光指向仪101的光源光斑和照射到掌子面上的光斑，之后通过位姿测量模块302构建的空间矢量约束和坐标系转换得到掘进机中心点在工程坐标系下的三维坐标，进而实现对掘进机六自由度的实时测量。也就是说，本技术通过计算得到测偏单元方向矢量和坐标系转换矩阵，然后构建空间矢量约束方程进行位姿解算，得到掘进机机身中心点的坐标信息(dx,dy,dz)和姿态信息，进而实现对掘进机进行实时的六自由度位姿测量。图3为测偏单元201组成示意图，包括捷联惯性导航部件204、两个CCD定焦相机(202，203)和测偏单元底板205。由图可知，捷联惯性导航部件204安装在两个反向同轴的CCD定焦相机(202，203)之间，且三者刚性固连。图4为本技术的位姿测量原理图，包括测偏单元201和激光指向仪101发射的指向激光。图中涉及四个坐标系：导航坐标系C–XnYnZn，测偏单元载体坐标系M–XbYbZb以及两个CCD定焦相机(202,203)坐标系A–Xc1Yc1Zc1和B–Xc2Yc2Zc2，且相机A和B所在相机坐标系的Zc1、Zc2轴与惯导载体坐标系Yn轴重合，即三个坐标系原点A，M，B共线。涉及两个坐标系换换矩阵：相机坐标系c系到测偏单元载体坐标系b系的转换矩阵可由测偏单元初始工装后的相对关系计算得到；b系到导航坐标系n系的转换矩阵可由捷联惯性导航机构501输出的姿态角求得转换矩阵。掘进机工作时确保两个CCD定焦相机(202,203)可以采集到激光指向仪101光斑和掌子面501光斑。构建如下空间矢量方程：公式(1)中表示导航坐标系下的单位矢量，表示相应矢量的模值，其中表示测偏单元的物理属性，可由初始工装标定和捷联惯性导航系统5得到。表示激光指向仪发射激光的方向矢量，与掘进机计划线一致，故已知。根据相机成像相关原理，通过算法处理得到两处光斑到两个CCD定焦相机(202,203)的相机坐标系原点的光矢量通过坐标系转换得到n系下方向矢量在图4中的△ACM，有C点是工程坐标系系的原点，所以空间矢量的值就是M点的空间坐标，即测偏单元在导航坐标系n系下的三维坐标，再根据初始标定转换到工程坐标系下的三维坐标，结合捷联惯性导航机204构输出的姿态信息，最终实现对掘进机位姿的六自由度测量。以上所述仅为本技术的具体实施方式，本技术所属领域的技术型人才都可以作出相应的更该和变换。凡在本技术的基础上所作出的一些修改和变更，应当落入本技术权利要求的保护范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空间矢量约束的掘进机位姿测量系统，包括激光指向部件，其特征在于：所述掘进机上设置有测偏机构和操作台，所述操作台上包括位姿测量模块、通信交换机构和显示部件；其中：/n所述测偏机构由两个定焦相机和捷联惯性导航部件构成；所述定焦相机实时检测激光指向仪发出的光源信号；所述捷联惯性导航部件实时检测掘进机的姿态角信号；/n所述通信交换机构对定焦相机输出的光源信号和掘进机的姿态信号进行转换为掘进机姿态数据信号；/n所述位姿测量模块对掘进机姿态数据信号构建空间矢量约束方程获得掘进机位姿的六自由度数据由显示部件输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于空间矢量约束的掘进机位姿测量系统，包括激光指向部件，其特征在于：所述掘进机上设置有测偏机构和操作台，所述操作台上包括位姿测量模块、通信交换机构和显示部件；其中：
所述测偏机构由两个定焦相机和捷联惯性导航部件构成；所述定焦相机实时检测激光指向仪发出的光源信号；所述捷联惯性导航部件实时检测掘进机的姿态角信号；
所述通信交换机构对定焦相机输出的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓日，安忠猛，黄喆，赵旭晔，刘孟健，张凯伦，
申请(专利权)人：力信测量上海有限公司，上海力信测量系统有限公司，上海力信测量技术有限公司，天津科技大学，
类型：新型
国别省市：上海;31