【技术实现步骤摘要】
一种基于捷联惯导与视觉组合的煤矿移动机器人智能定位方法及系统
本专利技术涉及移动机器人智能定位
，具体涉及一种基于捷联惯导与视觉组合的煤矿移动机器人智能定位方法及系统。
技术介绍
煤矿产业是我国重要的能源产业，近些年，随着国家经济快速增长，各种工业蓬勃发展，煤矿引入了大量的移动机器人来提高煤矿的安全。机器人具有机动性强、导航自主、可应用传感器种类多、网络交互性强的优势，目前已广泛的应用于煤矿生产之中，极大的增加了煤矿的安全生产，提高了生产效率。应用于煤矿的移动机器人种类众多，如负责掘进的掘进机器人，负责运输的无人运输机器人，负责监测的巡检机器人以及灾后负责救援的救援机器人等。其中应用最为广泛的是巡检机器人和救援机器人。在煤矿井下，需要进行实时巡检，以确保设备的安全工作和防止事故的发生。另外，煤矿井下许多有害气体，如瓦斯、一氧化碳等，巡检机器人携带多种气体浓度监测传感器，可以更加直接方便的监测井下各种气体的浓度，井下温度和湿度等，防患于未然，并独立的完成煤矿井下的巡检工作；在发生矿难之后，由于煤矿井下环境...
【技术保护点】
1.一种基于捷联惯导与视觉组合的煤矿移动机器人智能定位导航系统，其特征在于，利用捷联惯导系统与视觉相机的特性进行互补，融合两个传感器的数据，对移动机器人进行定位，并绘制出移动轨迹，将数据传给监控系统，实现移动机器人的远程定位导航。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于捷联惯导与视觉组合的煤矿移动机器人智能定位导航系统，其特征在于，利用捷联惯导系统与视觉相机的特性进行互补，融合两个传感器的数据，对移动机器人进行定位，并绘制出移动轨迹，将数据传给监控系统，实现移动机器人的远程定位导航。
2.如权利要求1所述的一种基于捷联惯导与视觉组合的煤矿移动机器人智能定位导航方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、在煤矿移动机器人上安装捷联惯导系统与单目视觉相机全套设备，并控制移动机器人在煤矿巷道内移动；
S2、建立捷联惯导系统的世界坐标系(w系)和载体坐标系(b系)，并构建载体坐标系(b系)与世界坐标系(w系)之间的转换矩阵；建立单目相机的世界坐标系(w系)、相机坐标系(c系)和像平面坐标系(i系)，并构建世界坐标系(w系)、相机坐标系(c系)与像平面坐标系(i系)之间的转换矩阵：最后确定惯导的载体坐标系(b系)与单目相机的相机坐标系(c系)之间的旋转矩阵；
以移动机器人重心为坐标原点，移动机器人前进的方向作为Y轴正方向，以向上为Z轴正方向，垂直Y轴向右方向为X轴正方向，建立载体坐标系(Xh，Yb，Zb)；根据移动机器人后轮的起始位置为原点，确定世界坐标系(Xw，Yw，Zw)；根据单目相机的安装位置建立相机坐标系(Xc，Yc，Zc)；惯导坐标系通过旋转平移得到视觉坐标系，从而将两个传感器联系起来；
S3、将捷联惯导系统和单目相机的原始数据传入计算机，并完成数据的融合与定位建图处理，具体的：
S301、完成IMU数据的预积分处理：已知IMU每个时刻的加速度a和角速度w的值，对IMU建立观测模型，有：
式中，为角速度和加速度的测量值，BwWB(t)，Wa(t)为角速度和加速度的真实值，为世界系到IMU坐标系的旋转关系，Wg为重力加速度，bg(t)，ba(t)为IMU的零偏，ηg(t)，ηa(t)为系统的白噪声；
根据运动学方程：
式中，为机器人旋转、速度、平移的导数，Wa、Wv为机器人的角速度、加速度、速度；
则：
根据i时刻的IMU状态量，求离散时间下j时刻的关键帧对应的IMU预积分公式为：
S302、将单目相机采集到的数据分成关键帧，提取每个关键帧的特征点，计算特征点的FAST得分值，在特征点的邻域内，若有多个特征点，则判断得分值，若p是响应值最大的则保留，否则抑制，得分计算公式如下：
其中，values为p点周围像素点的值，t为FAST算法的设置阈值；
根据提取出的特征点，通过两个关键帧之间特征点的跟踪和比对，求出单应矩阵，并通过矩阵的分解求出旋转矩阵R与位移向量t；
并利用针孔相机模型，通过矩阵的变换，获得空间点在像素坐标系中的像素坐标，将测量值与真实值相减即为重投影误差，转换公式如下所示：
其中，Si为尺度，K为相机内参；
S303、实现传感器的联合初始化：首先求解单目相机和IMU之间的旋转矩阵有：
将旋转矩阵写成四元数形式，有：
其次，实现相机坐标系的转换，由于视觉相机最后是在像素坐标系下进行算法定位，因此需要将世界坐标系转换到像平面坐标系下，而世界坐标系与像平面坐标系之间还存在一个相机坐标系...
【专利技术属性】
技术研发人员：马宏伟，张羽飞，贺媛，毛清华，李磊，石金龙，华洪涛，
申请(专利权)人：西安科技大学，深圳赛奥航空科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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