CN105136134A - 一种掘进机位姿检测调整方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种掘进机在掘进巷道中的位姿检测调整方法，具有以下步骤：向工作面发射位置固定的定位光标；检测工作面反射的定位光标、形成单目视觉图像并提取定位光标的单目像素坐标；建构三维坐标系统，确定定位光标在三维坐标系统中的三维坐标和掘进机的实际位置姿态；根据标准姿态或掘进状况调整掘进机的位置姿态。因定位光标相对于工作面位置确定、在掘进机上两个检测方位检测工作面反射的定位光标并建立定位光标相对于掘进机的三维坐标系统、求算掘进机相对于定位光标的相对位置可以确定掘进机的实际位置姿态，进而可以根据设定要求对其姿态进行调整。另本发明还提供了根据上述位姿检测调整方法设计的位姿调整系统。

Description

一种掘进机位姿检测调整方法及系统

技术领域

本发明涉及矿山机械自动化技术领域，特别涉及一种掘进机位姿测量方法和一种掘进机位姿检测调整系统。

背景技术

随着矿山机械化作业水平的不断提高，采用悬臂式掘进机进行巷道的开采已经成为了一种非常有效的开采手段。但由于掘进机自动化程度的局限，需要通过掘进机司机根据现场观察人工对掘进机的工作过程进行控制、特别是对掘进机在巷道中姿态进行控制，实际工作中一般需要至少一名掘进机司机和两名辅助人员协作进行行走姿态的实际确认和调整。但井下掘进巷道工作迎头作业工作环境极为恶劣、劳动强度大，给工作人员的生命安全带来极大的不确定危害。如何实现远程作业控制、调整掘进机姿态，是本领域的一大需求。

发明内容

为实现对掘进机进行远程作业控制，使工作人员远离环境较差危险较大的工作面迎头现场的问题，本发明提供了一种掘进机位姿检测调整方法和一种掘进机位姿检测调整系统。

本发明提供了一种掘进机位姿检测调整方法，包括以下步骤：

工作面发射位置固定的定位光标；

在所述掘进机上从至少两个方位检测所述工作面反射的所述定位光标、形成单目视觉图像；

提取所述单目视觉图像中的所述定位光标的单目像素坐标；

根据所述单目像素坐标、所述光标探测部件的相对位置和相对姿态建构三维坐标系统，确定所述定位光标在所述三维坐标系统中的三维坐标和所述掘进机的实际位置姿态；

根据所述实际位置姿态和标准姿态调整所述掘进机的位置姿态。

因定位光标相对于工作面位置确定、在掘进机上两个检测方位检测工作面反射的定位光标并建立定位光标相对于掘进机的三维坐标系统、求算掘进机相对于定位光标的相对位置可以确定掘进机的实际位置姿态，进而可以根据设定要求对其姿态进行调整，为井下掘进机自动化或无线遥控可视化截割提供基础保证，从而提高了操作作业的舒适度、减少了井下人员伤亡率，减少了职业病的发病率。

可选的，所述定位光标为十字光标。

可选的，确定定位光标的单目像素坐标具体为：检测所述单目视觉图像的所述十字光标，根据所述十字光标的两条线性光斑的位置确定交点坐标位置，以所述交点坐标位置为所述定位光标的单目像素坐标。

采用十字光标，利用检测十字光标线性光斑位置确定其交点位置，可较为准确的实现交点位置的定位。

可选的，采用Hough变换检测所述十字光标的两条所述线性光斑、确定所述交点坐标位置。

可选的，根据所述光标探测部件的成像畸变特性修正所述单目视觉图像、提取修正后的所述单目视觉图像中所述定位光标的单目像素坐标。

根据光标探测部件的成像畸变特性修正单目视觉图像再进行单目像素坐标的提取，可提高定位光标位置测算的准确性。

可选的，采用最优估计和奇异值分析求解方法确定所述定位光标的三维坐标和所述掘进机的实际位置姿态。

可选的，由自动控制系统根据所述实际位置姿态和标准姿态调整所述掘进机的位姿。

本发明还提供了一种掘进机位姿测量调整系统，包括：独立于所述掘进机设置、用于在工作面上形成定位光标的标记发生器；

固定安装在所述掘进机上的至少两个光标探测部件，所述光标探测部件用于检测所述定位光标、形成具有所述定位光标的单目视觉图像；

提取所述单目视觉图像中的所述定位光标的单目像素坐标的坐标提取单元；

根据所述单目像素坐标、所述光标探测部件的相对位置和相对姿态建构三维坐标系统并确定所述定位光标的三维坐标和所述掘进机姿态的计算单元；所述计算单元具有标定所述光标探测部件的相对位置和相对姿态的立体标定子单元；

根据所述计算单元确定的所述掘进机实际位置姿态和标准姿态调整所述掘进机位置姿态的调整单元。

可选的，所述坐标提取单元具有根据所述光标探测部件光学参数、矫正所述光标探测部件成像畸变的单目标定子单元。

可选的，所述标记发生器固定在巷道顶板上。

附图说明

图1为本发明掘进位姿调整测量方法流程图；

图2为本发明掘进位姿调整系统实物示意图；

图3为本发明掘进位姿调整系统结构图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种掘进机位姿调整测量方法，其流程如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤S101：向工作面发射位置固定的定位光标；

在本步骤中，为了形成独立于掘进机上光标探测部件用于后续定位基准的定位光标，向工作面设置发射位置固定的定位光标，为后续步骤建立标定基础。

步骤S102：在所述掘进机上从至少两个方位检测所述工作面反射的所述定位光标、形成单目视觉图像；

步骤S103：提取单目视觉图像中的定位光标的单目像素坐标；

在本步骤中，针对各个方位检测定位光标形成的单目视觉图像，提取定位光标在单目视觉图像中的单目像素坐标。这一过程为数字图像处理过程，即通过扫描单目视觉图像、检测单目视觉图像中单目像素坐标位置，根据标定位置确定定位光标在每个单目视觉图像中的实际坐标位置。

步骤S104：根据单目像素坐标、光标探测部件的相对位置和相对姿态建构三维坐标系统，确定定位光标的三维坐标和掘进机的实际位置姿态；

在获取了各个方位检测形成的单目视觉图像中的单目像素坐标位置后，且已经确定了各个方位的相对位置和相对姿态，就可根据标准场景的集合关系建立约束方程、建构立体空间系统。建构空间系统后，可反向推算出工作面上定位光标的在空间系统的位置坐标，而由于掘进机和工作面、工作面和巷道的位置关系是确定的，也就可确定掘进机的实际方向和巷道的夹角、确定掘进机的实际位置姿态。

步骤S105：根据实际位置姿态和标准姿态调整掘进机的位置姿态；

在获得了掘进机的实际位置姿态后，根据掘进机标准姿态或掘进机实际工作情况和巷道情况就可确定是否调整、怎样调整掘进机的位置姿态。实际位置姿态的调整可通过人工控制完成，也可通过自动控制系统完成。如采用人工完成，需要设置相应的位姿显示装置，通过图片或三维视频的形式再现掘进机在巷道中的位置，由人工远程控制掘进机动力装置和方向调整装置，实现位姿调整。如采用自动控制系统，则相应的应设置能够根据实际位置姿态和标准姿态计算调整方法的算法，并利用相应的硬件控制掘进机的动力装置和方向调整装置。

因定位光标相对于工作面位置确定、各个检测方位相对于掘进机位置固定，通过各个检测方位检测工作面反射的定位光标并建立定位光标相对于掘进机的三维坐标系统、求算掘进机相对于定位光标的相对位置可以确定掘进机的实际位置姿态，进而可以根据设定要求对其姿态进行调整，为井下掘进机自动化或遥控可视化截割提供基础保证，从而减少了井下人员伤亡率、提高了操作作业的舒适度，减少了职业病的发病率。

为了较好的捕捉定位光标的位置，本实施例中将十字光标照射在工作面上形成定位光标、对单目视觉图像中的图像处理过程中利用两个线性光斑的光斑特性确定交点位置作为单目像素坐标。当然，在其他实施例中也可采用其他类型的贯标，如圆形光标(利用圆周的程度确定圆形的中心或其他位置作为单目光标)。

实际测量中，一般采用摄像机或照相机作为光标探测部件，这样的图像采集设备均采用圆形镜头，使用中由于光学圆形镜片本身的原因，图像越靠近边缘畸变越大，而应用于捕捉光标图像可能造成形成的单目视觉图像中定位光标变形而影响位置准确性，因此本实施例在对单目视觉图像进行提取图像中定位光标的单目像素坐标前还根据光标探测部件的成像畸变特性修正了单目视觉图像。

本实施例中，为了实现对单目图像中十字光标的快速处理，采用了Hough变换进行了图像特征提取，获得图像中的十字光标的两个线性光斑的直线位置进而快速确定十字交点的位置。当然，在其他实施例中也可采用其他处理算法对单目视觉图像中的定位光标进行特征提取。在实际处理中，由于工作面倾斜变化、两个或多个光标探测部件本身特性以及对图像进行处理过程中均引入了各种噪声，使得根据两个或多个单目像素坐标以及光标探测部件的相对位置建立的三维坐标系统相对于现实有偏差，为了尽量减少偏差，本发明实施例采用了最优估计对数据进行处理并利用矩阵奇异值分解方法反向求算十字光标的三维坐标，进而得到掘进机机身姿态的定位。

除此之外，本发明实施例还提供了一种掘进机位姿测量调整系统，根据前述方法进行掘进机位姿测量调整。图2和图3分别为本实施例中的掘进位姿测量调整系统的实物示意图和系统结构图。从两图中可看出掘进机位姿测量调整系统包括：

独立于所述掘进机8设置、用于在工作面7上形成定位光标的标记发生器1；

固定安装在所述掘进机8上的至少两个光标探测部件2，所述光标探测部件2用于检测所述定位光标、形成具有所述定位光标的单目视觉图像；

提取所述单目视觉图像中的所述定位光标的单目像素坐标的坐标提取单元3；

根据所述单目像素坐标、所述光标探测部件2的相对位置和相对姿态建构三维坐标系统并确定所述定位光标的三维坐标和所述掘进机8姿态的计算单元4；计算单元4具有标定所述光标探测部件2的相对位置和相对姿态的立体标定子单元；

用于实现所述掘进机8位姿调整的调整单元5。如前所述，调整单元5可以为人工根据视频显示或图片显示进行调整的人工控制装置，也可为自动控制系统。

其中坐标提取单元3、计算单元4和调整单元5可通过硬件或软件形式集成到掘进机8控制计算机中，利用硬件计算或软件计算方法实现图像数据处理和三维坐标系统的建构。

本实施例中，标记发生器1发射的定位光标光源照射在工作面7上后发生发射并被至少两个光标探测部件2接受后，形成具有定位光标位置信息的单目视觉图像。由于单一的光标探测部件2只能形成平面坐标系统、无法形成三维坐标系统；为后续形成三维坐标系统、确定掘进机8的实际位置姿态，至少需要两光标探测部件2且光标探测部件2应当错位设置(即不在平行于工作面7反射的定位光标所在一条直线上)。为保证光标探测部件2检测的定位光标信息能够反映发射的定位光标和掘进机8间的相对位置关系，光标探测部件2一定相对于掘进机8固定设置。本实施例中设置了两个光标探测部件2，两个光标探测部件2安装在掘进机8前部靠近采掘机构位置；在其他实施例中，为了实现更好的位置定位和校验功能，也可设置更多的光标探测部件2；但可以想到，过多的光标探测部件2会增加后续数据处理的难度和实际坐标信息的冲突、增加处理负担，因此优选还是采用两个光标探测部件2。

本实施例中，标记发生器1设置在巷道顶板的中间位置，因此在掘进机8位置姿态平行于巷道的情况下、标记发生器1发出的定位光标位于两个光标探测部件2的中间；在实际应用中，可以以这一相对位置时的姿态作为基准姿态、确定两个光标探测部件2上的定位光标基准位置。

本实施例中，标记发生器1采用了激光器，利用激光聚焦度高的特性便于在单目视觉图像上形成对比度高的定位光标、方便后续图像处理中确定定位光标位置，同时激光具有较好的穿透性，可克服井下灰尘较大对其传播的影响；激光器的工作波长可根据掘进作业中采掘矿物的光谱吸收特性做特定选择、进一步提高光标探测部件2响应的准确度。除激光器外，在其他实施例中也可采用其他类型的标记发生器1产生定位光标。

本实施例中，为了提高两个光标探测部件2的视觉融合度、增加可检测的空间范围，本实施例中的两台光标探测部件2相对于掘进机8行进方向进行了适当的偏转。这也就是在前述方法步骤104中需要根据光标探测部件2的相对位置和相对姿态建构三维坐标系统。当然，如果两个光标探测部件2检测方向平行，也就无需对考虑其相对姿态调整的问题。

如前掘进机位姿测量调整方法中描述、为了修正光标探测部件2采集图像过程中的光学畸变，本实施例中的坐标提取单元3具有根据光标探测部件2中光学参数特性、矫正光标探测部件2成像畸变的单目标定子单元；

因要在光标探测单元和控制计算机间实时传递图像数据、应用中数据吞吐量较大，为此本实施例中还设置用于数据传输的路由器6。当然在其他实施例中，如光标探测部件2采集频率较低，也可采用数据总线直接实现光标探测部件2和控制计算机的信息传递。

以上本发明实施例中的掘进机位姿测量调整方法和测量调整系统进行了详细介绍。本文应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，在不脱离本发明原理的情况下，还可对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种掘进机位姿检测调整方法，其特征在于：

向工作面发射位置固定的定位光标；

在所述掘进机上从至少两个方位检测所述工作面反射的所述定位光标、形成单目视觉图像；

提取所述单目视觉图像中的所述定位光标的单目像素坐标；

根据所述单目像素坐标、所述光标探测部件的相对位置和相对姿态建构三维坐标系统，确定所述定位光标在所述三维坐标系统中的三维坐标和所述掘进机的实际位置姿态；

根据所述实际位置姿态和标准姿态调整所述掘进机的位置姿态。

2.根据权利要求1所述的掘进机位姿检测调整方法，其特征在于：所述定位光标为十字光标。

3.根据权利要求2所述的掘进机位姿检测调整方法，其特征在于，确定定位光标的单目像素坐标具体为：检测所述单目视觉图像的所述十字光标，根据所述十字光标的两条线性光斑的位置确定交点坐标位置，以所述交点坐标位置为所述定位光标的单目像素坐标。

4.根据权利要求3所述的掘进机位姿检测调整方法，其特征在于：采用Hough变换检测所述十字光标的两条所述线性光斑、确定所述交点坐标位置。

5.根据权利要求1所述的掘进机位姿检测调整方法，其特征在于：根据所述光标探测部件的成像畸变特性修正所述单目视觉图像、提取修正后的所述单目视觉图像中所述定位光标的单目像素坐标。

6.根据权利要求1所述的掘进机位姿检测调整方法，其特征在于:采用最优估计和奇异值分析求解方法确定所述定位光标的三维坐标和所述掘进机的实际位置姿态。

7.根据权利要求1-6任一项所述的掘进机位姿检测调整方法，其特征在于：由自动控制系统根据所述实际位置姿态和所述标准姿态调整所述掘进机的位置姿态。

8.一种掘进机位姿检测调整系统，其特征在于，包括：独立于所述掘进机设置、用于在工作面上形成定位光标的标记发生器；

固定安装在所述掘进机上的至少两个光标探测部件，所述光标探测部件用于检测所述定位光标、形成具有所述定位光标的单目视觉图像；

提取所述单目视觉图像中的所述定位光标的单目像素坐标的坐标提取单元；

根据所述单目像素坐标、所述光标探测部件的相对位置和相对姿态建构三维坐标系统并确定所述定位光标的三维坐标和所述掘进机姿态的计算单元；所述计算单元具有标定所述光标探测部件的相对位置和相对姿态的立体标定子单元；

根据所述计算单元确定的所述掘进机实际位置姿态和标准姿态调整所述掘进机位置姿态的调整单元。

9.根据权利要求8所述的掘进机位姿检测调整系统，其特征在于：所述坐标提取单元具有根据所述光标探测部件光学参数、矫正所述光标探测部件成像畸变的单目标定子单元。

10.根据权利要求8或9所述的掘进机位姿检测调整方法，其特征在于：所述标记发生器固定在巷道顶板上。