一种精确定位系统技术方案

本发明专利技术公开了一种精确定位系统，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；采用本发明专利技术的精确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。

【技术实现步骤摘要】
一种精确定位系统
本专利技术涉及一种精确定位系统及方法。具体的说，本专利技术涉及一种由基于红外定位和基于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。早期磁场定位方法大多可归结为将磁源等效为磁偶极子陈列或椭球陈列通过各点测量值建立线性方程组，然后反解出磁源的磁矩、位置等信息。但此种方法并不适用于空间含有不规则磁介质的环境，而且实际环境中含有不规则磁介质是很常见的。因此，在磁场定位实际应用中解决此类问题十分迫切。而将磁场定位与机器学习算法相结合，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，其中磁场定位与机器学习算法结合，从而提高磁场定位的精度，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，然后通过机器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：一种精确定位系统，所述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；其特征在于：所述红外定位模块包括两个红外相机以及配套的数据采集器，所述红外定位模块采集截割头的空间位置数据，所述两个红外相机位于所述截割头后上方，且平行放置；通过处理器执行红外定位和磁场定位，所述执行红外定位包括：建立相机坐标系和图像坐标系；根据相似三角形知识，用相机坐标和相机焦距表示图像坐标；以左右两个相机中心连线的中点为原点，建立世界坐标系，在世界坐标系中确定左相机坐标，右相机坐标，左图像坐标和右图像坐标；并以左右相机坐标表示世界坐标系中的点坐标；根据用相机坐标和相机焦距表示的图像坐标以及所述点坐标联合求得截割头的空间位置坐标，由此获得截割头的空间位置；所述执行磁场定位利用处理器中的机器学习算法对样本数据进行训练后构建磁场定位模型：包括：构建机器学习定位网络，所述网络包括输入层、隐含层以及输出层；将样本数据输入网络，计算各层的输出及误差，利用输出层的误差更新网络中各层的连接权值和阈值，直到输出层误差小于预定误差，从而获得所需磁场定位模型，将所述磁场定位模型用于截割头的磁场定位。优选地，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。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。优选地，所述磁源为永磁体或电磁铁。一种精确定位方法，用于掘进机截割头的定位；其特征在于：所述精准定位方法为复合定位方法，其包括红外定位方法和磁场定位方法；所述红外定位方法用于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；所述磁场定位方法利用处理器中的机器学习算法对样本数据进行训练后构建磁场定位模型，使用所述磁场定位模型对截割头进行磁场定位。所述红外定位方法利用两个红外相机以及配套的数据采集器采集截割头的空间位置数据，所述两个红外相机位于所述截割头后上方，且平行放置；所述红外定位方法包括以下步骤：步骤一、建立相机坐标系和图像坐标系；步骤二、根据相似三角形知识，用相机坐标和相机焦距表示图像坐标；步骤三、以左右两个相机中心连线的中点为原点，建立世界坐标系，在世界坐标系中确定左相机坐标，右相机坐标，左图像坐标和右图像坐标；并以左右相机坐标表示世界坐标系中的点坐标；步骤四、根据步骤二中的图像坐标以及步骤四中的点坐标联合求得截割头的空间位置坐标，由此获得截割头的空间位置。在截割头的定位过程中，用红外定位方法获得截割头的红外位置数据，同时用所述磁场定位方法获取截割头的磁场位置数据，在红外位置数据缺失时，用磁场位置数据进行补充定位。所述磁场定位方法利用处理器中的机器学习算法对样本数据进行训练后构建磁场定位模型包括：构建机器学习定位网络，所述网络包括输入层、隐含层以及输出层；将样本数据输入网络，计算各层的输出及误差，利用输出层的误差更新网络中各层的所述连接权值和阈值，直到输出层误差小于预定误差，从而获得所需磁场定位模型，用于截割头的磁场定位。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，然后通过机器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。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，使用机器学习优化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，确定机器学习定位网络的各层结构。构建的机器学习定位网络包括输入层、隐含层以及输出层。步骤二，初始化粒子的速度、位置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机器学习定位网络的初始权值和阈值。步骤六，输入第P组样本，计算各层输出及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精确定位系统，所述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；其特征在于：所述红外定位模块包括两个红外相机以及配套的数据采集器，所述红外定位模块采集截割头的空间位置数据，所述两个红外相机位于所述截割头后上方，且平行放置；通过处理器执行红外定位和磁场定位，所述执行红外定位包括：建立相机坐标系和图像坐标系；根据相似三角形知识，用相机坐标和相机焦距表示图像坐标；以左右两个相机中心连线的中点为原点，建立世界坐标系，在世界坐标系中确定左相机坐标，右相机坐标，左图像坐标和右图像坐标；并以左右相机坐标表示世界坐标系中的点坐标；根据用相机坐标和相机焦距表示的图像坐标以及所述点坐标联合求得截割头的空间位置坐标，由此获得截割头的空间位置；所述执行磁场定位利用处理器中的机器学习算法对样本数据进行训练后构建磁场定位模型：包括：构建机器学习定位网络，所述网络包括输入层、隐含层以及输出层；将样本数据输入网络，计算各层的输出及误差，利用输出层的误差更新网络中各层的连接权值和阈值，直到输出层误差小于预定误差，从而获得所需磁场定位模型，将所述磁场定位模型用于截割头的磁场定位。/n...

【技术特征摘要】
20190114 CN 20192005665251.一种精确定位系统，所述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；其特征在于：所述红外定位模块包括两个红外相机以及配套的数据采集器，所述红外定位模块采集截割头的空间位置数据，所述两个红外相机位于所述截割头后上方，且平行放置；通过处理器执行红外定位和磁场定位，所述执行红外定位包括：建立相机坐标系和图像坐标系；根据相似三角形知识，用相机坐标和相机焦距表示图像坐标；以左右两个相机中心连线的中点为原点，建立世界坐标系，在世界坐标系中确定左相机坐标，右相机坐标，左图像坐标和右图像坐标；并以左右相机坐标表示世界坐标系中的点坐标；根据用相机...

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