基于惯导和激光雷达三点测距的掘进机定位方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于惯导和激光雷达三点测距的掘进机定位方法，首先利用激光雷达对掘进参照面进行扫描，参照面上存在三个控制点，该三个控制点的坐标已知，求得该三个控制点到激光雷达的距离，联立三个距离方程，解出激光雷达的坐标，从而可得到掘进机的位置，再将该值与惯导提供的位置信息运用卡尔曼滤波器原理进行融合，得到高精度的位置信息。该定位方法能保证掘进机长时间高精度定位定向要求，具有被动测量、自成体系、不易受干扰且定位精准的优点。同时，本发明专利技术还公开了一种基于惯导和激光雷达三点测距的掘进机定位系统。

【技术实现步骤摘要】
基于惯导和激光雷达三点测距的掘进机定位方法及系统
本专利技术涉及掘进机的定位
，特别是涉及一种基于惯导和激光雷达三点测距的掘进机定位方法及系统。
技术介绍
掘进机的精确定位定向系统是巷道、隧道等掘进的关键问题，定位定向系统直接影响着掘进机工作的效率和质量。掘进机等矿用工程机械工作环境粉尘大、噪声强烈、照明条件差，严重影响了操作手的身心健康与工作效率，为了减少掘进机操作人员的工作量和提高巷道掘进工人的安全性，掘进机逐渐向自动化转化。掘进机的自主定位定向系统是实现掘进机自动化的关键技术，现阶段相关技术主要有激光标靶法、基于三激光标记点图像的掘进机定位技术、基于惯性导航系统的掘进机自主定位技术、基于机器视觉的掘进机自主定位技术和基于iGPS(indoorGPS，室内GPS)测量技术的掘进机自主定位技术，但上述技术均存在不足之处，其中：(1)激光标靶法的缺点：因为该方法是利用激光定位传感器根据激光靶接收的激光束生成位置信号，得到掘进机所在位置，这种方法只能得到掘进机的位置信息，而不能有效获取掘进机在巷道行进的方向和姿态。(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于惯导和激光雷达三点测距的掘进机定位方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)利用激光雷达对参照面进行扫描，扫描到参照面上的三个控制点，得到激光雷达分别到三个控制点的距离；/n(2)根据已知的参照面中三个控制点的坐标和激光雷达分别到三个控制点在的距离联立方程，得到激光雷达的位置信息；/n(3)根据卡尔曼滤波器的原理，利用惯导提供的掘进机在导航坐标系中的位置信息和已得到的得到激光雷达的位置信息，完成惯导和激光雷达数据的融合，实现掘进机的高精度定位定向。/n

【技术特征摘要】
1.基于惯导和激光雷达三点测距的掘进机定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用激光雷达对参照面进行扫描，扫描到参照面上的三个控制点，得到激光雷达分别到三个控制点的距离；
(2)根据已知的参照面中三个控制点的坐标和激光雷达分别到三个控制点在的距离联立方程，得到激光雷达的位置信息；
(3)根据卡尔曼滤波器的原理，利用惯导提供的掘进机在导航坐标系中的位置信息和已得到的得到激光雷达的位置信息，完成惯导和激光雷达数据的融合，实现掘进机的高精度定位定向。


2.根据权利要求1所述的基于惯导和激光雷达三点测距的掘进机定位方法，其特征在于，通过如下公式建立惯导和激光雷达定位的状态模型：



式中，X(t)为惯导和激光雷达定位的状态模型的状态向量，W(t)为惯导和激光雷达定位的状态模型的白噪声，G(t)为惯导和激光雷达定位的状态模型的系统噪声，F(t)为惯导和激光雷达定位的状态模型的系统转移矩阵，其中，X(t)通过如下公式表达：



式中：为捷联惯导平台失准角；δVn为捷联惯导速度误差；δPn为捷联惯导位置误差；ε为陀螺常值漂移；为加速度计常值零偏。


3.根据权利要求2所述的基于惯导和激光雷达三点测距的掘进机定位方法，其特征在于，设定参照面中的三个控制点分别为A、B和C，激光雷达到参照面中的三个控制点A、B和C的距离为R1、R2、R3，其中，A的坐标为(x1y1z1)，B的坐标为(x2y2z2)，C的坐标为(x3y3z3)，激光雷达的坐标为(xyz)，则R1、R2、R3通过下式(3)求解，激光雷达的位置信息通过下式(9)
求得：






式中，表示激光雷达的位置信息，Y通过以下公式表达：
Y＝(ATA)-1ATb(8)
式中，T表示矩阵倒置，A和b通过以下公式表达：





4.根据权利要求1所述的基于惯导和激光雷达三点测距的掘进机定位方法，其特征在于，步骤(3)中惯导通过其内部设置的陀螺仪和加速度计提供掘进机的加速度和角速度信息，根据惯性导航算法解算出掘进机在导航坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩松来，任星宇，董晶，芦佳振，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43