掘进机的实时定位系统技术方案

本发明专利技术涉及一种掘进机的实时定位系统，属于智能化掘进技术领域。包括：激光传感器位姿检测设备用于确定激光传感器在掘进巷道中的绝对位姿；激光传感器用于对掘进机的掘进前进方向进行三维激光扫描，并将每个采集时刻扫描的三维点云数据传输至服务器；服务器用于对激光传感器在每个采集时刻扫描的三维点云数据进行滤波处理，得到每个采集时刻滤波后的三维点云数据；对每个采集时刻滤波后的三维点云数据进行拟合和提取，确定各个三维标靶对应的三维点云数据；根据各三维标靶对应的三维点云数据和激光传感器在掘进巷道中的绝对位姿确定掘进机在掘进巷道中的位姿。本发明专利技术能够大大减小对人工的依赖，具有实时性、非接触式、人力需求小、安全等优点。安全等优点。安全等优点。

【技术实现步骤摘要】
掘进机的实时定位系统


[0001]本专利技术涉及智能化掘进
，尤其涉及一种掘进机的实时定位系统。

技术介绍

[0002]掘进机自主定位技术一直是煤矿智能化掘进工作面建设的关键，高效便捷的定位技术不仅能够提高掘进机的定位精度和作业效率，还能够改善煤矿采掘失衡问题。
[0003]目前绝大多数的煤矿依然采用需要人工操作才能完成的“激光指向仪法”进行掘进机的定位，这种定位方式不仅需要操作人员具有较高的熟练度，还存在一定的安全隐患。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种掘进机的实时定位系统。本专利技术的技术方案如下：一种掘进机的实时定位系统，其包括激光传感器、若干个三维标靶、服务器和激光传感器位姿检测设备，所述激光传感器安装在掘进机所在掘进巷道的上顶板处并与上顶板之间呈预设角度，各个三维标靶错开安装在掘进机机身上，所述服务器设于掘进巷道尾部，激光传感器位姿检测设备安装于掘进巷道中，激光传感器与服务器连接；所述激光传感器位姿检测设备用于：确定激光传感器在掘进巷道中的绝对位姿；所述激光传感器用于：在掘进机开始正常作业后对掘进机的掘进前进方向进行三维激光扫描，并将每个采集时刻扫描的三维点云数据传输至服务器；所述服务器用于：对激光传感器在每个采集时刻扫描的三维点云数据进行滤波处理，得到每个采集时刻滤波后的三维点云数据；对每个采集时刻滤波后的三维点云数据进行拟合和提取，确定各个三维标靶对应的三维点云数据；根据各三维标靶对应的三维点云数据和激光传感器在掘进巷道中的绝对位姿确定掘进机在掘进巷道中的位姿。
[0005]可选地，所述激光传感器扫描的三维点云数据中的任一三维点云数据表示为[x, y, z, intensity]，其中，x、y、z为激光传感器自身坐标系下的三维坐标数据，计算公式如公式（1）所示，intensity表示激光反射回来的强度；（1）；公式（1）中，r为实测距离，ω为激光的垂直角度，α为激光的水平旋转角度，x、y、z 为极坐标投影到笛卡尔坐标下的坐标，三维点云数据以激光传感器内的激光发射中心作为坐标系的中心O。
[0006]可选地，所述服务器在对激光传感器在每个采集时刻扫描的三维点云数据进行滤波处理，得到每个采集时刻滤波后的三维点云数据时，包括：S31，将每个采集时刻扫描的三维点云数据进行旋转处理，使每个采集时刻扫描的三维点云数据的俯仰角由预设角度变为0
°
，得到每个采集时刻旋转后的三维点云数据；S32，剔除每个采集时刻旋转后的三维点云数据中Z轴坐标值大于g和Z轴坐标值小
于h的三维点云数据；S33，剔除每个采集时刻旋转后的三维点云数据中激光反射回来的强度小于j的三维点云数据，得到每个采集时刻滤波后的三维点云数据。
[0007]可选地，所述掘进机上安装有三个三维标靶，三个三维标靶呈等腰三角形。
[0008]可选地，所述三维标靶的形状为圆台。
[0009]可选地，任一三维标靶的外表面为第一类圆锥面，激光传感器每条线束的三维激光点云数据呈第二类圆锥面，第一类圆锥面和第二类圆锥面的交线为空间双曲线，该空间双曲线为空间平面（2）和空间双曲面（3）的交线，记空间双曲线的一对焦点分别为f1和f2，空间双曲线上任意一点与两焦点的距离差常数为d0；所述服务器在对每个采集时刻滤波后的三维点云数据进行拟合和提取，确定各个三维标靶对应的三维点云数据时，包括：S41，对于任一采集时刻滤波后的三维点云数据，定义内点的点集为Inner，定义检测到的空间双曲线的数量为n，n的初始值为0，定义拟合迭代次数为k，k的初始值为0，定义每个采集时刻滤波后的三维点云数据所形成的数据集为Q；S42，从Q中随机抽取5个点，通过这5个点求解出空间双曲面，并通过其中的3个点求解出空间平面，联立空间双曲面和空间平面得到空间双曲线的方程，同时求解出空间双曲线的两个焦点f1和f2在激光传感器坐标系下的三维坐标；S43，计算Q中各点到S42计算得到的空间双曲线的两个焦点f1和f2的距离差d，且若d
‑
d0<ε，则将该点计入Inner中，否则视为外点；其中，ε为经验值；S44，统计满足该空间双曲线距离差要求的内点个数，记为M，且若M>Mmin，则认为此次空间双曲线拟合成功，转到S45，否则转到S46；其中，Mmin为经验值；S45，对Inner中的所有点用最小二乘法重新计算空间双曲线的参数模型，得到最终结果，并保存Inner内的点，得到一个三维标靶对应的空间双曲线；在Q中去除Inner中的点，返回步骤S42，直到已经拟合到三条空间双曲线后结束拟合，保留三个Inner即为三个三维标靶对应的三维点云数据；S46，若k大于kmax，则确定超过最大迭代次数kmax，结束拟合；若k小于等于kmax，返回S42。
[0010]可选地，所述服务器在根据各三维标靶对应的三维点云数据和激光传感器在掘进巷道中的绝对位姿确定掘进机在掘进巷道中的位姿，包括：S51，通过均值滤波算法分别计算三个三维标靶在采集时刻t和t+1时在激光传感器坐标系下的三个空间位置后，确定掘进机机身在采集时刻t和t+1在激光传感器坐标系下的空间位置，并取插值得到掘进机在采集时刻t和t+1下的位移关系T；S52，将采集时刻t和t+1下每个三维标靶对应的三维点云数据按照激光传感器点云数据的水平旋转角α大小进行排列后放在一个点集中并分别记为和 ，t和t+1两个采集时刻的点集大小相等，且激光点一一对应，每个点集内的点的数量不少于9个；
S53，建立点集关系满足，通过最小二乘法计算得到激光传感器坐标系下采集时刻t和t+1的姿态变换矩阵R：（4）；S54，根据T和R及激光传感器的位姿及激光传感器在掘进巷道中的绝对位姿确定掘进机在掘进巷道中的位姿。
[0011]上述所有可选技术方案均可任意组合，本专利技术不对一一组合后的结构进行详细说明。
[0012]借由上述方案，本专利技术的有益效果如下：通过激光传感器扫描掘进机机身上的三维标靶的三维点云数据，并通过服务器对扫描到的三维点云数据进行处理，确定各个三维标靶对应的三维点云数据后，根据各三维标靶对应的三维点云数据和激光传感器在掘进巷道中的绝对位姿确定掘进机在掘进巷道中的位姿，提供了一种基于激光传感器的掘进机定位系统，该系统能够大大减小对人工的依赖，具有实时性、非接触式、人力需求小、安全等优点。
[0013]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
[0014]图1是本专利技术提供的掘进机的实时定位系统中部分部件的位置关系主视图。
[0015]图2是本专利技术一个实施例中三维标靶在掘进机上的位置关系示意图。
具体实施方式
[0016]下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。
[0017]如图1和图2所示，本专利技术提供的掘本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掘进机的实时定位系统，其特征在于，包括激光传感器（3）、若干个三维标靶（2）、服务器和激光传感器位姿检测设备，所述激光传感器（3）安装在掘进机（1）所在掘进巷道的上顶板处并与上顶板之间呈预设角度，各个三维标靶（2）错开安装在掘进机（1）机身上，所述服务器设于掘进巷道尾部，激光传感器位姿检测设备安装于掘进巷道中，激光传感器（3）与服务器连接；所述激光传感器位姿检测设备用于：确定激光传感器（3）在掘进巷道中的绝对位姿；所述激光传感器（3）用于：在掘进机（1）开始正常作业后对掘进机（1）的掘进前进方向进行三维激光扫描，并将每个采集时刻扫描的三维点云数据传输至服务器；所述服务器用于：对激光传感器（3）在每个采集时刻扫描的三维点云数据进行滤波处理，得到每个采集时刻滤波后的三维点云数据；对每个采集时刻滤波后的三维点云数据进行拟合和提取，确定各个三维标靶（2）对应的三维点云数据；根据各三维标靶（2）对应的三维点云数据和激光传感器（3）在掘进巷道中的绝对位姿确定掘进机（1）在掘进巷道中的位姿。2.根据权利要求1所述的掘进机的实时定位系统，其特征在于，所述激光传感器（3）扫描的三维点云数据中的任一三维点云数据表示为[x, y, z, intensity]，其中，x、y、z为激光传感器（3）自身坐标系下的三维坐标数据，计算公式如公式（1）所示，intensity表示激光反射回来的强度；（1）；公式（1）中，r为实测距离，ω为激光的垂直角度，α为激光的水平旋转角度，x、y、z 为极坐标投影到笛卡尔坐标下的坐标，三维点云数据以激光传感器（3）内的激光发射中心作为坐标系的中心O。3.根据权利要求1或2所述的掘进机的实时定位系统，其特征在于，所述服务器在对激光传感器（3）在每个采集时刻扫描的三维点云数据进行滤波处理，得到每个采集时刻滤波后的三维点云数据时，包括：S31，将每个采集时刻扫描的三维点云数据进行旋转处理，使每个采集时刻扫描的三维点云数据的俯仰角由预设角度变为0
°
，得到每个采集时刻旋转后的三维点云数据；S32，剔除每个采集时刻旋转后的三维点云数据中Z轴坐标值大于g和Z轴坐标值小于h的三维点云数据；S33，剔除每个采集时刻旋转后的三维点云数据中激光反射回来的强度小于j的三维点云数据，得到每个采集时刻滤波后的三维点云数据。4.根据权利要求1所述的掘进机的实时定位系统，其特征在于，所述掘进机（1）上安装有三个三维标靶（2），三个三维标靶（2）呈等腰三角形。5.根据权利要求4所述的掘进机的实时定位系统，其特征在于，所述三维标靶（2）的形状为圆台。6.根据权利要求5所述的掘进机的实时定位系统，其特征在于，任一三维标靶（2）的外表面为第一类圆锥面，激光传感器（3）每条线束的三维激光点云数据呈第二类圆锥面，第一类圆锥面和第二类圆锥面的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩然，王宏伟，刘峰，胡韧，陶磊，李永安，付翔，曹文艳，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：