掘进机的位姿确定方法技术

本申请公开了一种掘进机的位姿确定方法，包括：建立卷积神经网络模型；训练该卷积神经网络模型，得到训练完成后的卷积神经网络模型；获取掘进机行进数据；将掘进机行进数据输入所述训练完成后的卷积神经网络模型进行处理，得到最终的位姿数据。本申请提供的掘进机的位姿确定方法，设计科学合理，计算速度快，计算结果精确度高，能够很好地满足实际应用的需要。

Determination method of position and pose of roadheader

【技术实现步骤摘要】
掘进机的位姿确定方法
本申请涉及掘进机
，具体涉及一种掘进机的位姿确定方法。
技术介绍
现有技术中，对于掘进机的位姿确定，主要涉及以下方法：基于全站仪的导向和定位全站仪全称为全站型电子速测仪,它是一种可以同时进行角度(水平角、竖直角)测量、距离测量和数据处理,由机械、光学、电子元件组合而成的测量仪器。其基本功能是通过激光测距传感器和2个角位移传感器获取空间点坐标。基于全站仪的导向技术多年前就被用于盾构掘进机进行隧道掘进时的导向。与盾构掘进机导向类似,全站仪用于悬臂掘进机导向时,需要在掘进机机身上设置若干棱镜作为辅助检测特征点,分别检测机身上棱镜的空间坐标以计算出机身在全站仪坐标系中的位姿。为了建立全站仪所测数据与巷道设计轴线之间的联系,通常需要设置后视棱镜以辅助确定全站仪的测量坐标系。有专利提出利用激光机动全站仪、车体偏摆角传感器、双轴倾角传感器及油缸行程传感器等建立掘进机头位姿测量系统。其测量原理是将全站仪设置在巷道壁上并作为基准点,由全站仪测量机身在大地坐标系中的空间位置坐标,偏摆角传感器检测机身偏摆角,倾角传感器检测机身横滚角和俯仰角,油缸行程传感器检测截割头相对机身的空间位置,在此基础上测量截割头在大地坐标系中的空间位置坐标。全站仪检测精度较高,但存在如下问题:(1)同一时刻全站仪只能检测1个点的坐标,而为了检测掘进机机身姿态,需要检测同一时刻离散分布的若干点的空间坐标,从这个意义上讲,全站仪更适合做掘进机的静态位姿检测。(2)全站仪在井下光线环境中对棱镜的自动识别能力还有待验证。基于陀螺仪的导向和定位原理陀螺仪的工作原理是高速旋转的陀螺能够保持其轴线指向不变。陀螺仪通过与加速度计一起构成惯性导航系统来对载体进行导向和定位。惯性导航技术以牛顿力学定律为基础,利用加速度计测得载体在惯性参考系的运动加速度,经过对时间积分运算求出载体的位置,且将它变换到由陀螺仪建立的导航坐标系中,就能够得到载体在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等。目前已有研究将捷联式惯性导航系统用于掘进机的无人驾驶和作业中。研究中从陀螺仪和加速度计构成的惯性导航系统获得车体三轴方向的加速度信号和角速度信号,经导航解算求得掘进机车体实时位置信息,从车体实时位置信息获得车体的实时航向、俯仰角、横滚角,从位移传感器信号得到机械臂的伸缩、旋转量,二者共同决定掘进机的姿态信息。掘进机的姿态信息经坐标变换产生实时的控制偏差量,反馈到驱动及控制系统,实现掘进机的姿态调整并驱动掘进机按照预定轨迹行进和截割作业。惯性导航系统能提供位置、速度、航向和姿态角数据。其缺点:(1)由于导航信息经过时间积分而产生,定位误差随时间而增大,因此,其用于长程连续导航时通常需要采用指令、地形匹配、GPS等对惯性导航系统进行定时修正,以获取持续准确的位置参数；(2)需要较长的初始对准时间；(3)设备成本较高。基于电子罗盘的导向和定位原理罗盘类传感器对角度检测依赖于地磁场,如电子罗盘,将其与掘进机机身刚性联结,则通过比较掘进机机身轴线与地磁场北极的夹角获得掘进机轴线的航向,与倾角仪提供的俯仰角和横滚角信息一起完成掘进机姿态检测。罗盘类传感器原理简单,易于构成系统,但由于煤矿井下空间狭小、机电设备相对集中,特别是采掘运输设备的功率较大,负载不稳定,造成井下电磁干扰严重,巷道所在岩层构造复杂多变,也使巷道地磁环境复杂多变,而电子罗盘的原理是测量地球磁场,如果在使用的环境中存在地磁场以外的磁场且这些磁场无法有效屏蔽时,会给罗盘类传感器的使用带来困难。因此,该技术难点在于如何抑制巷道中复杂电磁场环境对检测过程的影响。此外,基于电子罗盘的导向技术通常只能给出方向信息,无法提供空间位置信息。基于激光导向仪的导向和定位原理若干年来,激光放线一直是巷道掘进导向最可靠的方法,现仍在全球广泛使用。激光器的位置由测量人员测定。激光指向由地测人员用经纬仪测量、安置的一组测量点确定。激光束提供巷道施工的中线及腰线,具有较高精度和稳定性、可靠性,因此,有研究提出以导向激光为基准的掘进机自动定向定位方法:将激光导向仪与激光测距仪整合在一起,用于指向和测距,光测角仪安装在掘进机机身上,其基准轴线与机身基准轴线平行,通过接收导向激光,以测出掘进机机身与导向激光束间的水平角和俯仰角差值；机身上的电子陀螺仪可直接测出掘进机机身的水平角和俯仰角参数,通过光测角仪与巷道基准轴线建立联系,并导出巷道基准轴线的矢量参数,根据测点与参考点的距离,通过极坐标计算方法,可得到掘进机当前所处空间的绝对坐标值。这一方法同样存在在现场光测角仪对激光能否可靠接收及跟踪的问题。基于视觉测量的导向和定位原理视觉测量是指根据摄像机获得的图像视觉信息对目标的位置和姿态进行测量的技术。在应用方式上,它分为单目视觉测量和多目视觉测量(以双目视觉为主)2种。双目视觉测量技术用于掘进机导向和定位时,是通过立体视觉的方式,使双目视觉传感器与激光指向仪刚性连接,可直接检测出掘进机机身上相关特征点在理想巷道坐标系中的空间坐标,由此计算出机身相对指向激光的空间位姿,通过检测悬臂回转油缸和俯仰油缸的位移量可测出悬臂相对机身的回转角和俯仰角,从而可计算出截割头相对机身的空间位置,与机身相对指向激光的空间位姿数据相融合,可计算出截割头相对于指向激光的空间位置。视觉测量技术用于掘进机自动导向和定位,具有实时、非接触、获取信息丰富等优点,难点在于如何克服工作面恶劣工况(如粉尘、水雾和光照条件等)对检测精度的影响。精度在自动截割技术中对巷道成型精度有直接影响。考虑到悬臂式掘进机的控制精度和恶劣工况等因素，通常在截割作业的执行环节会产生较大偏差，因此，悬臂式掘进机自动定位检测精度需要达到厘米级，姿态和航向检测精度达到角分级才有可能达到规范要求的巷道断面边界精度。基于光电技术的导航技术的基准信号传输介质包括激光(如点激光、线激光和全站仪等)、红外、可见光等，其特点是导航系统分为两部分：一部分作为检测和信号装置固定在巷道基准中；另一部分作为信号发射装置配置在悬臂式掘进机机身上随机身一起运动，或者反之。固定单元以经过标定的激光指向仪光束为基准，获取运动单元即悬臂式掘进机机身的空间位置姿态，具有技术成熟、精度高、成本低等优点，存在的问题有：环境适应性，包括粉尘对可见光的衰减，水雾对红外光的吸收以及空间狭窄引起的遮挡等；需要阶段性地向前移动基准并重新进行基准标定；距离增加使检测分辨率和检测精度下降。近年来惯性导航技术用于悬臂式掘进机导航的研究成为热点。考虑到惯性导航技术长时精度差的特点，以及悬臂式掘进机的厘米级定位需求，惯性导航技术用于悬臂式掘进机的导航定位时，定位精度存在较大不足。总体来说，现有技术的掘进机的位姿确定方法精度不高，不能满足实际应用的需要，亟待研发一种精度更高的位姿确定方法。
技术实现思路
本申请的目的是提供一种掘进机的位姿确定方法。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掘进机的位姿确定方法，其特征在于，包括：/n建立卷积神经网络模型；/n训练该卷积神经网络模型，得到训练完成后的卷积神经网络模型；/n获取掘进机行进数据；/n将掘进机行进数据输入所述训练完成后的卷积神经网络模型进行处理，得到最终的位姿数据。/n

【技术特征摘要】
1.一种掘进机的位姿确定方法，其特征在于，包括：
建立卷积神经网络模型；
训练该卷积神经网络模型，得到训练完成后的卷积神经网络模型；
获取掘进机行进数据；
将掘进机行进数据输入所述训练完成后的卷积神经网络模型进行处理，得到最终的位姿数据。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卷积神经网络模型，包括输入层、输出层以及位于所述输入层和所述输出层之间的隐藏层。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，输入层包括多个第一节点；隐藏层包括多个第二节点；输出层包括多个第三节点；所述隐藏层呈现为三维立体结构，分为沿所述输入层至所述输出层的方向间隔设置的多个平面，所述第二节点分别位于所述平面，所述第一节点与位于最邻近所述输入层的其中一平面的多个第二节点连接，所述第三节点与位于最邻近所述输出层的其中一平面的多个第二节点连接，位于每一平面的所述第二节点之间相互连接，位于每两个相邻的平面的所述第二节点沿所述平面的排列方向连接，使得所述隐藏层中的至少一第二节点在朝位于同一平面的其它第二节点以及所述平面的排列方向具有至少六个不同的数据传输方向。


4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述隐藏层包括依次连接的卷积层、池化层和全连...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓强，李昕，刘佳辉，
申请(专利权)人：北京龙田华远科技有限公司，阳泉煤业集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11