一种多传感器融合的巷道掘进装备实时定位系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种多传感器融合的巷道掘进设备实时定位系统，包括激光发射器、掘进装备、惯性单元、前摄像头、后摄像头、雷达发射机、雷达接收机和工控机。本发明专利技术还提供了一种实时定位方法，采用了实时定位系统，建立空间坐标系；通过指向激光获取大地坐标系下激光光斑的坐标；获取机身坐标系下激光光斑和光源的坐标；通过机身和大地间的坐标转换关系获取大地坐标系下激光光斑和光源的坐标；获取测距雷达间的距离；最后进行掘进装备机身在大地坐标系下的位姿解算。本发明专利技术可以实现巷道掘进设备实时自动定位，定位过程不需要人工干预，实现安全高效的巷道掘进，为煤矿巷道掘进装备无人化和智能化提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种多传感器融合的巷道掘进装备实时定位系统和方法
本专利技术涉及工程机械定位
，具体涉及一种多传感器融合的巷道掘进装备实时定位系统和方法。
技术介绍
随着煤矿装备技术的发展，国内煤矿巷道从以往以人工为主的掘进方式逐步实现了机械化掘进，但由于现阶段巷道内掘进装备的定位技术尚未得到突破，煤矿巷道掘进仍然依赖操作手目视操作，定位技术已成为煤矿掘进装备智能化掘进中最亟待突破的瓶颈技术。煤矿巷道掘进主要采用悬臂式掘进机或称综掘机，配合连续式皮带运输装置实现快速掘进和运输。在掘进环节中，通常由测量队从大地基准开始接续测量直至巷道内，设置激光指向光源从后方指向采掘面，以指向激光光斑为基准确定采掘面的顶面、底面和两帮。由于采掘现场煤尘浓度极高、能见度极差，需要反复人工手持皮尺测量顶底板和两帮的超欠挖量。一方面，通过这种方式施工，人员必须站在采掘面附近进行操作，煤尘大、距未支护区近，对操作手造成极大的健康威胁和安全隐患；另一方面，由于采掘断面形状控制依赖人工目视和经验判断，超欠挖和截割断面起伏严重，给支护带来不便，增加了塌方风险。目前煤矿巷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多传感器融合的巷道掘进设备实时定位系统，其特征在于，包括激光发射器、掘进装备、惯性单元、前摄像头、后摄像头、雷达发射机、雷达接收机和工控机；/n激光发射器安装于巷道的顶板上；掘进装备上设有惯性单元；前摄像头安装于掘进装备的机身前端，后摄像头安装于掘进装备的机身后端；雷达发射机安装于激光发射器上，与安装于掘进装备机身后端的雷达接收机构成测距雷达模块，测量激光发射器和掘进装备之间的距离；工控机用于处理前摄像头、后摄像头、测距雷达模块和惯性单元的数据信息，计算掘进装备机身位姿，完成大地坐标系下对掘进装备的实时定位。/n

【技术特征摘要】
1.一种多传感器融合的巷道掘进设备实时定位系统，其特征在于，包括激光发射器、掘进装备、惯性单元、前摄像头、后摄像头、雷达发射机、雷达接收机和工控机；
激光发射器安装于巷道的顶板上；掘进装备上设有惯性单元；前摄像头安装于掘进装备的机身前端，后摄像头安装于掘进装备的机身后端；雷达发射机安装于激光发射器上，与安装于掘进装备机身后端的雷达接收机构成测距雷达模块，测量激光发射器和掘进装备之间的距离；工控机用于处理前摄像头、后摄像头、测距雷达模块和惯性单元的数据信息，计算掘进装备机身位姿，完成大地坐标系下对掘进装备的实时定位。


2.根据权利要求1所述的一种多传感器融合的巷道掘进设备实时定位系统，其特征在于，所述惯性单元包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于测量掘进装备机身相对于大地水平面的俯仰角和滚动角。


3.根据权利要求1所述的一种多传感器融合的巷道掘进设备实时定位系统，其特征在于，所述前摄像头为两个相机构成的双目视觉模块，后摄像头为单目相机；前摄像头和后摄像头的镜头前均加装有滤光片。


4.根据权利要求1所述的一种多传感器融合的巷道掘进设备实时定位系统，其特征在于，所述测距雷达模块为超宽带雷达。


5.一种多传感器融合的巷道掘进设备实时定位方法，采用如权利要求1～4任意一项所述的巷道掘进设备实时定位系统，其特征在于，巷道掘进设备实时定位方法包括以下步骤：
步骤一：建立坐标系，坐标系包括大地坐标系O0X0Y0Z0、机身坐标系O1X1Y1Z1、前摄像头坐标系OC1XC1YC1ZC1和后摄像头坐标系OC2XC2YC2ZC2；
步骤二：通过指向激光获取大地坐标系下激光光斑的坐标；
步骤三：获取机身坐标系下激光光斑和光源的坐标；
步骤四：通过机身和大地间的坐标转换关系获取大地坐标系下激光光斑和光源的坐标；
步骤五：获取测距雷达间的距离；
步骤六：进行掘进装备机身在大地坐标系下的位姿解算。


6.根据权利要求5所述的一种多传感器融合的巷道掘进设备实时定位方法，其特征在于，获取大地坐标系下激光光斑的坐标的方法具体是：已知巷道指向激光的方向，通过激光光源到光斑的距离可得到光斑相对光源的坐标信息；结合激光发射器在巷道顶板上的安装位置，根据公式(1)计算出大地坐标系下激光光斑的坐标；



其中，[XDYDZD]T是激光光斑在大地坐标系下的坐标；
[cosxS_DcosyS_DcoszS_D]T是指向激光的方向矢量；
LS_D是激光光源与光斑之间的距离；
[XSYSZS]T是激光光源在大地坐标系下的坐标。


7.根据权利要求6所述的一种多传感器融合的巷道掘进设备实时定位方法，其特征在于，获取机身坐标系下激光光斑和光源的坐标的方法具体是：通过前摄像头获取激光光斑方向，并基于双目视觉获取前摄像头至激光光斑的距离，得到光斑相对前摄像头的坐标信息；结合前摄像头在掘进装备机身上的安装位置，根据公式(2)计算出机身坐标系下激光光斑的坐标；



其中，[xC1yC1zC1]T是激光光斑在机身坐标系下的坐标；
[...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦念稳，肖正航，李建华，陈晓伟，曾苗筠，李兆阳，张宏，
申请(专利权)人：中国铁建重工集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43