CN102053249A

CN102053249A - 基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法

Info

Publication number: CN102053249A
Application number: CN 200910210189
Authority: CN
Inventors: 吴立新; 王植
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: CN102053249B

Abstract

本发明公开了一种基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法。该方法以无GPS信号的矿山地下井巷环境中移动目标的快速高精度定位、定向、定姿和导航为目标，从编码图形的设计、解码和优化布局，经济快速获取精细准确的矿山井下巷道组成的道路网络——三维井巷网络空间模型，井巷约束空间中移动目标的高精度定位算法(位置、方向、姿态参数的精确解算)，三维井巷空间模型匹配算法，三维导航技术，到最终的导航平台和终端控制系统等关键方向上进行突破，形成地下快速高精度定位导航关键技术和软硬件系统，最终推动我国矿山“地下无人采矿”技术跨越。除此之外，本发明还可以满足大城市地下空间、深长交通隧道、大型岩洞、大型建筑物内部、大型立交桥、地铁空间中对移动目标的快速高精度定位和导航的应用需求，推动我国地下空间定位技术的发展。

Description

基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法

技术领域

本发明涉及一种地下空间高精度定位方法。

背景技术

随着电子信息技术的发展，基于位置的服务在人们的生产和生活中扮演着愈加重要的角色，以全球定位系统(Global Positioning System，GPS)为代表的室外定位技术已为人们所熟知。而对于无卫星导航信号的室内和地下环境，以射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)和无线保真技术(Wireless Fidelity，Wi-Fi)为代表的新型定位技术，近年来也得到了广泛重视。矿山是国家发展的命脉，矿山安全是全国安全生产工作的重中之重。2008年全国煤矿共发生重特大事故38起，死亡707人，同比起数增加10起、上升35.7％，死亡人数增加134人、上升23.4％，为保障矿工生命安全，即使是面对煤炭和矿石供应紧缺、价格飞涨的局面，国家安监总局对于现有技术条件下难以有效治理的国有矿山，依然严格执行了“压产减人”甚至是“关闭转产”的政策措施。重大矿难频繁、采矿机械化率低、资源回收利用率低导致浪费严重等诸多因素，使中国面临矿产资源短缺，供应乏力的严峻形势，这已经成为制约经济发展的瓶颈，这种状况继续下去，势必对国民经济的可持续发展构成很大威胁。

改变“安全”和“生产”之间的矛盾局面，根本的解决方法是发展“地下无人采矿”(Hands-off Mining)技术。“地下无人采矿”可以极大地提高生产效率并减少安全事故，实现“地下无人采矿”的关键就是研究适合中国矿山特点的采掘设备自动控制系统。采掘设备的自动控制系统包括自主定位和自动调高系统，而采掘设备高速、高精确的自主定位、定向和定姿是实现采掘设备自动控制系统的核心技术和关键问题。建立地下移动目标快速高精度定位技术体系是研制自动采掘运输设备、实施地下无人采矿、解决矿山行业安全生产的技术关键和重要途径，也是保障我国矿产资源可持续发展的必要条件。

目前，国内外使用的主流室内和地下定位技术主要可以分为以下几类：室内GPS定位技术(IGPS)[1]、红外线定位技术、超声波定位技术[2]、蓝牙技术[3]、无线保真技术(Wi-Fi)、射频识别(RFID)技术[4]、ZigBee技术[5]等。针对本发明研究中所涉及的关键技术，发明申请人通过国家知识产权局中外专利数据库服务平台(http://www.cnipr.com/)，其专利授权时间为上世纪70年代到2009年9月；欧洲专利局国际授权专利查询系统(http://ep.espacenet.com/)，其专利授权时间为上世纪70年代到2009年9月。利用多种关键字组合方式，进行了细致、全面的与本发明主要研究技术相关的国内外授权专利查询，结果介绍与分析如下：

1、中外专利数据库服务平台(http://www.cnipr.com/)

A.以“地下and定位”作为摘要关键词，查询结果为17项，其中发明专利10项，实用新型7项，仅2项与本发明相关。

序号	专利名称	发明人	专利内容介绍	评论
					A-1	一种基于RFID技术的地下车库定位系统 CN200710303990.6	张挺；欧阳元新；侯尧；郝久月；熊璋 (中国)	发明了一种基于RFID技术的地下车库车辆定位系统，该定位系统通过RFID读卡器采集车辆上的目标RFID标签和车位处的参考RFID标签的RSS参数，利用基于RSS强度的近邻定位算法，实现车辆的准确定位，并在虚拟的车库地图中显示车辆停泊位置。	本专利的定位精度较低，无法实现地下精确定位。
A-2	适用于矿井等地下坑道的人员定位监测系统 CN200420058387.8	张耀；刘洪波 (中国)	发明了适用于矿井等地下坑道的人员定位监测系统，其组成部分包括：每人一个随身配备的无线编码发射器、分布于地下固定位置的数据监测分站、置于井上中控室内的数据中心站和中控计算机。本实用新型可以自动采集矿井等地下坑道内人员的身份、所处位置与时间的实时记录，为企业的日常管理和抢险搜救，提供科学依据。	本专利需要安装非常多的发射基站，即使这样只能将人员定位在一定范围内，无法实现精确定位。

B.以“井下and定位”作为摘要关键词，查询结果为32项，其中发明专利17项，实用新型15项，其中4项与本发明相关。

序号	专利名称	发明人	专利内容介绍	评论
					B-1	一种地下人员定位救援系统及地下人员定位方法 CN200610051840.6	钟志光 (中国)	发明了一种地下人员定位救援系统及定位方法，该系统的组成包括：矿工随身佩带的无线跟踪器，以及沿矿道布置的无线监测节点组构成的无线监测节点网络。该系统能随时监测矿工的具体位置，并在矿难发生时，可以通过无线监测节点网络迅速准确地计算出受困矿工的位置。	每隔20～30米就安装一个无线监测节点，定位精度只能达到1米，无法满足精确定位的要求。
B- 2	地下作业人员超声波定位系统及其定位方法CN200610 086293.5	顾宇；周康源；哈章 (中国)	发明地下作业人员超声波定位系统及其定位方法，包括嵌入安全帽的移动终端、巷道中的基站和网络连接的管理中心。本发明定位精度较高，可应用于事故救援、地下人员调度、监控、考勤等地下作业人员的定位。	超声波受多径效应和非视距传播影响大，无法精确定位。
					B-3	一种基于蓝牙技术的地下人员定位系统 CN200620021247.2	黄国君(中国)	发明一种基于蓝牙技术的地下人员定位系统。包括蓝牙基站、蓝牙信息卡、通信总线和地面管理中心四部分。蓝牙信息卡可以不断发出自身的信号给蓝牙基站，蓝牙基站将接收到的蓝牙信息卡的信号及自身的位置信息利用通信总线传输到地面管理中心进行数据处理分析，从而实现地下人员定位；地面管理中心还可以通过蓝牙基站向蓝牙信息卡发出呼叫信号。	需要大量布置蓝牙基站，且该系统定位精度较低。
B-4	一种地下人员定位搜救装置 CN200420022387.2	王亮；李仲男；段广森；葛雄浩；林玮；王立兵(中国)	发明了一种地下人员定位搜救装置包括基站、便携移动装置、地面中心的计算机，通过通信电缆将基站和地面中心的计算机相连。在事故发生时，受困人员可以通过便携移动装置，向地面控制中心发出生还求救信号；系统能及时锁定受困和遇难人员每一次通信的大致位置，为搜救工作提供目标位置信息。	定位精度只能达到15米，无法满足地下精确定位的要求。

2、欧洲专利局国际授权专利查询系统(http://ep.espacenet.com/)

A：以“underground and position”作为摘要关键词，查询结果为255项授权专利，其中仅1项与本发明相关：

序号	专利名称	发明人	专利内容介绍	评论
					A-1	SystemfordeterminingthepositionofanundergroundminingorconstructionvehicleWO2005052515	HartwigSverker (瑞典)	发明了一种地下采矿设备和工程车辆的定位系统，通过该无线电系统获取的信息，确定地下车辆的位置和行进方向。	矿山地下巷道的分布和几何特征，限制了无线发射基站的覆盖范围，需要安装大量的无线基站，且定位精度较低。

B：以“underground and navigation”作为摘要关键词，查询结果为4项授权专利，其中2项与本发明相关：

序号	专利名称	发明人	专利内容介绍	评论
					B-1	Loran-basedundergroundgeolocation，navigationandcommunicationsystemWO2006130223	Zank Paul A；Buchanan David W(美国)	LORAN(LOngRAnge Navigation)是通过低频发射器的无线电波导航系统，通过接收多个不同发射站之间的时间差来对地下目标定位。	矿山地下巷道的分布广且形状狭长，限制了LORAN无线电发射机的覆盖范围，需要安装大量LORAN无线电发射机，安装和维护都非常困难。
B-2	A systemforrelativevehiclenavigation，typicallyforautonomousvehiclesinundergroundmines NZ516833	DuffElliotStanley；RobertsJonathanMichael；Corke Peter Ian；CunninghamJockBernard (新西兰)	发明了一种矿山地下环境下车辆自主导航系统。在地下巷道的四壁安装大量各类传感器，车辆行驶过程中，通过传感器实时获取车辆位置、速度和姿态参数，进行路径规划，通过无线通信，控制车辆的行驶速度和方向。	要将该系统覆盖整个地下井巷空间环境，需要在行驶车辆和巷道空间的四壁安装大量的各类传感器，这些传感器的安装和维护都非常困难。

C：以“INCO”(加拿大INCO公司是无人采矿领域著名的国际公司)作为摘要关键词，查询结果与本发明相关的有2项授权专利，结果如下：

序号	专利名称	发明人	专利内容介绍	评论
					C-1	AutomatedguidedapparatussuitablefortopingapplicationsUS6349249 B1	PeterD.Cunningham (加拿大)	发明了一种在封闭空间中对移动目标精确定位系统。整个系统包括一个内部测量单元(IMU)用于计算移动目标的姿态参数，一套相机系统用于获取周围场景的灰度信息，同时安装一个激光扫描仪用于获取周围空间的三维信息，以及2个激光测距仪用来判断车辆距离两侧墙壁的距离。	该系统使用了包括内部测量单元(IMU)、相机系统、激光扫描仪和激光测距仪在内的很多传感器，多个传感器获取的空间数据种类多，数据量大，处理大量的空间数据需要一定时间；此外，该系统采用的是无合作目标的影像和点云的获取方式，因此对于矿山井下无明显几何特征的巷道环境，进行三维空间数据匹配比较耗时，这使得该系统难以满足的对井下快速运动目标的精确定位需求。
C-2	Self-containedmappingandpositioningsystemutilizingpointclouddata01304645.3	Hinton EricHerbert；MurrayDonald Ray (加拿大)	发明了一种在矿山地下环境下，实现包括自我定位功能在内的，对矿山地下巷道环境的测绘制图和定位系统。该系统包括一个惯性导航系统(INS)、中央处理单元(CPU)、三维立体数据库、一个三维摄像系统、操作控制台、一个诊断系统和一个三维激光扫描仪。	该系统使用了三维摄像系统获取地下井巷空间的立体影像信息，并将其转化为点云数据，同时利用激光三维扫描仪和三维摄像系统在同一位置获取点云数据，将三者进行匹配，得到目标当前的位置信息。该系统包含多个不同类型的传感器，造价较高；处理这些多源数据并进行三维模型匹配需要一定时间，因此对于快速移动的目标(例如速度达到10m/s的井下运输车辆)很难实现精确的实时定位。

综上，近年来国内外已有很多的相关专利技术，但定位精度一般不高，不适合地下快速高精度定位。本发明采用的是有合作目标(编码图形)的激光扫描和图像获取方式，适合地下环境，定位速度快、精度高，是一种经济而且技术可行的地下高精度定位模式。

参考文献：

[1]Yoshiro H and Kunikatsu T.Multiple mobile robot navigation using the indoor globalpositioning system(iGPS).Proceedings of the 2001 IEEE/RSJ，International Conference onIntellgent Robots and Systems，Mani，Hawaii，USA，2001.

[2]罗庆生，韩宝玲.一种基于超声波与红外线探测技术的测距定位系统.计算机测量与控制.2005，13(4)：304-334.

[3]袁志强.基于蓝牙的短距离无线局域网的分析与研究.硕士学位论文.武汉理工大学，2006.

[4]刘勃，宋庆恒，胡三庆.基于RFID的停车场智能管理系统.计算机与数字工程.2008，36(5)153-155.

[5]陈爱武，孙立新，张记龙，王志斌.基于ZigBee的井下安全监控系统无线漫游网络.测试技术学报.2008，22(3)：245-249.

发明内容

(一)解决的技术问题

对于矿山地下大范围区域内(例如长度达到几十公里的巷道)移动目标的定位，即使需要定位的目标相对较少(例如定位关键采掘设备和运输车辆)，无线定位技术也需要在整个地下井巷空间中设置大量基站，导致系统整体安装和维护非常困难，这已经成为地下定位系统推广过程中的主要障碍；而且无线定位技术只能将地下目标定位在一定区域范围内，定位精度无法满足无人采矿生产的需要。

针对上述问题，本发明以无卫星导航信号的矿山地下井巷环境中移动目标的快速高精度定位、定向、定姿为目标，从编码图形的设计、解码和优化布局，经济快速获取精细准确的矿山井下巷道组成的道路网络——三维井巷网络空间模型，井巷约束空间中移动目标的高精度定位算法(位置、方向、姿态参数的精确解算)，三维井巷空间模型匹配算法，到多传感器集成控制系统等关键方向上进行突破，形成地下快速高精度定位关键技术，推动我国矿山“地下无人采矿”技术跨越。

发明的地下移动目标高精度定位系统基于激光扫描和编码图形技术，具有实时快速高精度定位的特点，可以实现优于10cm的定位精度、优于2°的姿态参数解算功能。

除了应用在矿山井下移动目标高精度定位之外，本发明的研究成果还可以满足大城市地下空间、深长交通隧道、大型岩洞、大型建筑物内部、地铁空间中对移动目标的快速高精度定位的应用需求。本发明将填补基于合作目标的矿山井下高精度定位方法的空白，广泛应用于地下空间中对移动目标的快速高精度定位，产生巨大的经济效益和社会效益。

(二)技术方案

本发明针对矿山井下巷道组成的复杂道路网络——三维井巷网络无明显特征差异的特点，采用激光三维扫描技术获取井巷精细几何与特征数据，建立高精度的三维井巷空间模型；如图1所示，在矿区井巷网络中设计并安装一套标准化的编码图形方案，通过安装编码图形标志牌将地下井巷网络空间中的不同区域区分出来，并记录编码图形中心点安装位置的精确三维坐标；通过在关键采掘设备和运输车辆上安装高精度的小型激光雷达和双相机系统，实时获取和跟踪编码图形；通过对编码图形进行识别和解码，依据编码图形中心点的三维坐标，使用近景摄影测量中的后方交会算法，实现对关键采掘设备和运输车辆等移动目标的快速高精度位置和姿态参数解算。在矿山地下井巷环境中定位技术研究领域产生突破，形成适合我国国情、满足矿山企业应用需求的基于激光三维扫描、机器视觉和编码图形的矿山地下移动目标的精确定位系统。

本发明利用激光雷达、双相机系统和编码图形，实现地下移动目标的快速高精度定位、定向和姿态参数解算，其关键技术包括：

1、序列编码图形设计、识别和解码技术

矿山地下不同巷道之间几何特征相似，因此难以根据巷道之间几何特征差异来对移动目标进行高精度定位，需要通过合作目标进行辅助定位。利用编码图形的自动识别和解码技术可以完成特殊信息的加载与提取，实现对目标的自动识别。其核心思想是：在物方或物方环境中，主动加载某种可由计算机快速识别的，用图形表示的唯一身份信息(编码)，然后用信息处理技术对每一个包含编码信息的图形进行特征识别(解码)，并由此计算出包含编码图形的区域或物体的坐标(如图2a所示)。利用编码图形技术可以实现无明显特征差异的移动目标和环境的快速识别与精确定位，解决激光扫描系统、机器视觉系统及多传感集成系统的全自动化难题。

常用的序列编码图形包含黑白两种颜色，而且有着非常规律的变化，相比而言，自然背景很少是变化如此剧烈且有确定变化规律的，因此可以保证序列编码图形能在随机的环境中被识别出来。序列编码图形主要结构是三层同心圆区域，其尺寸分别为R，2R，3R。位于标志牌中心的全白圆形区域是用来快速判断该区域是否有可能是一个编码图形，并且用该圆形区域的中心位置来定位该编码元的位置。第二层是全黑的圆环区域，其半径为2R。这块区域用来隔开中心圆区域和外层的编码信息区域，这个区域的存在不仅有利于快速提取、定位中心圆区域，而且可以保证编码信息不被干扰。最外层的黑白相间的圆环区域就是包含编码信息的码道。码道中开始读数的基准(图2a左上角1/4白色圆环)是用来确定编码图形开始读数的位置。编码图形必须包含读数基准，这样就可以实现无论编码元的位置如何，旋转角度如何，编码信息都能被准确的提取从而保证编码信息的唯一性，但是读码基准和读码基准隔离区会占用5/12的信息加载区域，导致常用的编码图形只能包含大约80多种编码。

矿山地下巷道长度可达几十公里，不同巷道之间几何特征相似，现有的编码图形数量无法满足覆盖巷道网络的需要。为了解决以上问题，本发明使用改进后的编码图形方案，其主要结构依然是三层同心圆区域，最外层的码道分为12份，每份30°；第二层是全黑的圆环区域，用来隔开中心圆区域和外层的编码信息区域。中心圆区域分成四份，读数基准用1/4黑色扇形标识，这样利用中心区域可以实现编码标志定位和确定读码基准同步完成，既提高了解码速度，又增加了编码数量。改进后的序列编码图形理论上有2¹²个，除去不利于检测的编码图形还有4017个，可以满足深长巷道布设需要。

矿山地下工作环境比较恶劣、空气非常潮湿、环境光照不好，需要针对矿山井巷环境设计可同时被激光三维扫描在红外光范围内、双相机系统在可见光范围内获取的编码图形标准化方案。在编码图形设计和制造过程中，将保证编码信息的海量性和唯一性、旋转和缩放不变性、编码之间的区分度和识别率，实现体积小、重量轻，容易识别，抗干扰性强，容错性好的编码标志牌。根据矿山井巷环境特点，在地下巷道环境内使用高反射率材料(图2b中白色区域)和低反射率材料(图2b中黑色区域)的编码图形标志牌，通过黑白区域不同的排列顺序，记录编码信息。在布设过程中既要保证其安装位置不干扰正常的生产工作，又要处于光照条件较好的位置，便于被激光雷达和相机系统获取。因此，要根据移动目标运动轨迹和一般姿态，优化布置编码图形标志牌，确保在地下目标移动过程中对编码标志牌快速准确的自动检测(识别)和编码信息提取(解码)，如图2c所示。并在构建三维井巷网络空间模型时记录编码标志牌的精确三维坐标。

2、地下三维巷道空间中序列编码图形和三维空间信息获取

井下运输车辆的运动速度较快(速度最快可达到10m/s)，在其前进方向上可以有效布置编码图形标志牌的特点。如图3所示，将小型激光雷达固定安装在采掘和运输设备顶部，激光雷达与采掘运输设备前进方向夹角为45°，这样在采掘运输设备前进过程中，激光雷达可以实时获取采掘运输设备前方一定范围内的编码标志牌信息，以及巷道三维空间点云数据，用于精确解算采掘运输设备位姿参数；经过标定的高分辨率双相机系统安装在采掘运输设备顶部，同样面向巷道顶部拍摄，实时获取包含编码图形标志牌的影像信息。

3、移动目标位姿参数的联合解算

在激光扫描实时获取的强度图像和三维空间信息中，及双相机系统获取的影像信息中对编码图形，进行识别和解码，识别和解码流程如图4所示，根据其精确三维坐标，进行联合解算，对采掘运输设备进行粗定位(如图5所示)。同时将激光雷达实时获取的巷道三维点云数据构建成巷道局部三角网模型(如图6a所示)，通过将局部三角网模型与事先构建的井下巷道高精度三维模型(如图6b所示)进行基于特征的快速匹配，最小化定位误差，解算出采掘运输设备的精确位姿参数，实现对地下移动目标的精确定位。对于安装了RFID或其他定位系统的矿山，要充分利用现有定位服务，在采掘运输设备上安装电子标签，通过RFID系统确定目标所处的大概位置，作为辅助定位手段。

(三)有益效果

利用本发明，可以实现无卫星导航信号的矿山地下井巷环境中移动目标的快速高精度定位、定向和定姿，形成地下快速高精度定位关键技术和软硬件系统，最终推动我国矿山“地下无人采矿”技术跨越。

除此之外，本发明还可以满足大城市地下空间、深长交通隧道、大型岩洞、大型建筑物内部和地铁空间中对移动目标的快速高精度定位的应用需求，推动我国地下空间定位技术的发展。

(四)具体实施方式

包括步骤：

A)利用激光雷达三维扫描技术，构建地下空间精确三维模型，并沿地下巷道空间布设本发明设计的序列编码图像标志牌，并精确测定编码标志牌中心点三维坐标；

B)基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位系统初始化，激光雷达开始三维扫描，双相机系统开始采集巷道内部影像，内部测量单元和车轮编码器开始计数；

C)分别在激光扫描获取的强度图像和三维数据，以及双相机系统获取的立体像对中，计算编码图形中心与移动目标之间的距离，并对编码图形进行解码，在数据库中查询对应的编码图形的精确位置信息，利用编码图形的精确位置信息，使用后方交汇算法进行反向解算，对移动目标进行粗定位；

D)同时将实时获取的井下巷道局部三维模型与事先构建的井下巷道高精度三维模型进行基于特征的快速匹配，最小化定位误差，解算出采掘运输设备的精确位姿参数，实现对地下移动目标的精确定位；

E)在地下移动目标的位置、方向、姿态参数的解算过程中，还要综合考虑上一时刻移动目标的速度和位姿参数，进行联合解算，最小化定位误差，计算出当前时刻移动目标的速度和位姿参数，并记录在数据库中。

附图说明

图1为本发明在地下空间中对移动目标定位的原理图。其中：1--地下空间移动目标；2--激光雷达和双相机系统；3--编码标志牌。

图2a为常用的编码图形标志。

图2b为本发明使用的编码图形标志。

图2c本发明使用的编码图形在地下空间环境下的解码过程示意图。

图3为通过激光雷达和双相机系统实现地下三维巷道空间中序列编码图形和三维空间信息获取。其中：1--激光雷达；2--双相机系统；3--车轮编码器；4-激光扫描线；5--编码标志牌。

图4编码图形识别和解码算法流程图。

图5为通过激光雷达和双相机系统对地下移动目标进行定位和定姿的原理图。

图6a为激光雷达实时获取的地下巷道局部三角网模型。

图6b为地下巷道高精度三维模型。

图7为地下移动目标定位和姿态参数解算的数据处理流程图。

Claims

1.一种基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法，其特征在于，基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法包括以下三个方面内容：

序列编码图形设计、识别和解码方法；

地下三维巷道空间中序列编码图形和三维空间信息获取方法；

移动目标位姿参数的联合解算方法。

2.根据权利要求1所述的基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法，其特征在于，以所采用的序列编码图形设计、识别和解码方法为基础。

3.根据权利要求1所述的基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法，其特征在于，以所采用的地下三维巷道空间中序列编码图形和三维空间信息获取为手段。

4.根据权利要求1所述的基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法，其特征在于，以移动目标位姿参数的联合解算为目标。

5.一种如权利要求1所述的基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法，对无卫星导航信号的地下空间中移动目标进行高精度定位；其特征在于，包括步骤：

A)利用激光雷达三维扫描技术，构建地下空间精确三维模型，沿地下巷道空间布设本发明设计的序列编码图像标志牌，并精确测定编码标志牌中心点三维坐标；

6.如权利要求1所述的地下空间高精度定位方法，其特征在于，所述移动目标，为采煤机等采掘设备、车辆等运输设备、救援机器人等无人探测设备。

7.如权利要求2所述的序列编码图形设计、识别和解码方法，其特征在于，针对矿山地下井巷环境比较恶劣、空气潮湿、环境光照不好的环境特点，合理设计编码图形标志牌，提高编码图形标志牌在影像和强度图像中的信噪比，合理布局编码图形标志牌的分布；开发抑制噪声能力更强的图像处理方法和激光扫描数据处理方法，开发快速的编码图形跟踪、解码算法。

8.如权利要求3所述的地下三维巷道空间中序列编码图形和三维空间信息获取方法，其特征在于，精细准确的地下三维井巷网络空间模型是地下移动目标精确定位和导航的数据基础，本发明在构建准确精细完整的三维井巷网络空间模型基础上，建立了一套适合矿山井下环境的三维井巷空间模型质量控制和评估标准体系；地下井巷环境恶劣，一旦事故发生，井巷环境会更加复杂，因此本发明选择价格合适、稳定性好、精度较高的激光三维扫描仪、CCD相机，并设计完整的多传感器集成系统，结合矿山地下已有的无线电定位系统来实现移动目标的快速精确定位。

9.如权利要求4所述的移动目标位姿参数的联合解算方法，其特征在于，在激光扫描实时获取的强度图像和三维空间信息中，及双相机系统获取的影像信息中对编码图形，进行识别和解码，根据其精确三维坐标，进行联合解算，对采掘运输设备进行粗定位。同时将激光雷达实时获取的巷道三维点云数据构建成巷道局部三角网模型，通过将局部三角网模型与事先构建的井下巷道高精度三维模型进行基于特征的快速匹配，最小化定位误差，解算出采掘运输设备的精确位姿参数，实现对地下移动目标的精确定位。

10.如权利要求4所述的移动目标位姿参数的联合解算方法，其特征在于，矿山地下运输车辆速度可达10m/s，这将给激光扫描获取的3D空间数据和相机系统获取的连续2D影像带来一定的误差，也对位姿参数解算速度提出了较高的要求。本发明利用移动目标在上一时刻的速度、位姿参数，对当前时刻获取的空间数据和影像进行校正，快速精确的计算出移动目标当前速度和位姿参数。