CN105241444A - 一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属煤矿悬臂式掘进机自动化技术领域，为解决现有技术仅对掘进机机身相对水平面俯仰角和横滚角进行检测，而不能进行机身纵向偏向位移即高差检测，严重影响控制巷道走向，提供一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统及其测量方法。台阶结构安装于机身上表面前端；结构光激光器安装在巷道顶板上，结构光激光器向掘进机投射出垂直的两个扇面激光，在台阶结构上形成十字形结构光；矿用隔爆摄像机安装在机身上表面尾部，指向与机身纵向对称轴方向一致，成像窗口指向台阶结构；图像处理平台安装在机载工控机中。实现掘进机自动导航定位，改善工作面作业环境。实现远程控制和无人掘进，实现安全高效的巷道掘进；成本低、结构简单、获取信息完整。

Description

一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统及其测量方法
技术领域
本发明属于煤矿悬臂式掘进机自动化技术领域，具体涉及一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统及其测量方法。
背景技术
煤矿井下巷道具有多种用途，主要采用悬臂式掘进机或连续采煤机完成，通常对走向、轮廓形状和尺寸均有严格要求，应用中通常以指向经过精密调准的激光指向仪发出的光束为巷道轴线基准，开拓过程中，以激光指向仪在断面上形成的光斑为基准确定完成的断面为“超截”或“欠截”，这一确定过程通常依靠人工手持皮尺测量完成，为减少“超截”或“欠截”，截割过程中需要掘进机操作人员依靠经验控制掘进机悬臂和截割头使其截割到断面边界。另一方面，掘进工作面在截割过程中通常充斥着粉尘和水雾，能见度极差，因此，截割过程完全依赖经验，效率低下，作业环境恶劣。
公开号为CN101629807B，名称为《掘进机机身位姿参数测量系统及其方法》的专利中，采用线结构光激光器和激光标靶、倾角仪、可编程计算机控制器等对机身偏向角和横向偏向位移进行检测，对机身相对水平面的俯仰角和横滚角进行检测，但未进行机身纵向偏向位移即高差的检测，这一参数对于控制巷道走向同样重要。
申请号为201510121265.1，名称为《基于旋转扇面激光的悬臂式掘进机位姿测量方法》的发明专利中，公开了一种利用基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量系统，即将该系统的扇面激光发射端安装在悬臂式掘进机机身上，扇面激光接收端（包含3个不共线的扇面激光接收器）固定安装在已经由悬臂式掘进机掘出的煤巷后方，扇面激光接收器相对于空间大地坐标系的坐标值由其他测量方式测得。由扇面激光发射端测得扇面激光接收器相对于发射端的坐标值，再通过相应的坐标转换，计算出悬臂式掘进机上固定三点（不共线）相对于空间大地坐标系的三维坐标值。若已知空间刚体上固定三点（不共线）相对于空间大地坐标系的三维坐标值，可计算出该空间刚体的位姿（位置和姿态）数据。该专利中，三个扇面激光发射端安装在掘进机机身上，发射出三个扇面激光并交汇到一点，由后方固定在煤巷顶部的激光接收端（由三个不共线的激光接收器组成）接收，当掘进机处于截割过程时，机身的强烈振动和摆尾，可能使激光接收端无法接收到激光发射器发出的扇形激光，导致检测失败。
发明内容
本发明为了解决现有的掘进机机身位姿参数测量仅对机身相对水平面的俯仰角和横滚角进行检测，而不能进行机身纵向偏向位移即高差的检测，严重影响着控制巷道的走向，提供了一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统及其测量方法。
本发明采用如下技术方案实现：一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统，包括安设于巷道顶板上的结构光激光器，安装在悬臂式掘进机机身上的矿用隔爆摄像机、图像处理平台和台阶结构，所述台阶结构包括上下两层台阶，两层台阶的长度和高度可伸缩，台阶结构安装于悬臂式掘进机机身上表面前端，台阶结构的对称轴方向与机身纵向对称轴方向一致；所述结构光激光器设有水平指示器，安装在离掘进巷道断面15米的巷道顶板上，结构光激光器向掘进机投射出垂直的两个扇面激光，投射在台阶结构上形成十字形结构光；所述矿用隔爆摄像机安装在悬臂式掘进机机身上表面尾部，指向与掘进机机身纵向对称轴方向一致，成像窗口指向台阶结构；所述图像处理平台安装在悬臂式掘进机机载工控机中。
所述结构光激光器为一个矿用隔爆十字结构光激光器或者十字垂直设置的两个一字结构光激光器。所述台阶结构的上下两层台阶高度为100mm~200mm，底部台阶的宽度为300mm~1000mm。
一种用上述悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统的悬臂式掘进机空间位姿参数测量方法，结构光激光器投射在台阶结构上形成十字形结构光条纹，矿用隔爆摄像机采集激光条纹图像并输入图像处理平台，专用图像处理软件识别特征线以及特征点的位置和角度，进而计算出机身的横滚角、偏航角、横向偏移距离、俯仰角和纵向偏移量等参数。
基于激光定位和机器视觉技术的掘进机机身空间位姿参数解算方法为：（1）建立巷道坐标系OWXWYWZW、机身坐标系OOXOYOZO、摄像机坐标系OCXCYCZC、台阶结构坐标系OXYZ和图像坐标系oxy；巷道坐标系OWXWYWZW中：坐标系原点为激光指向仪的安装位置，铅垂向上为YW轴，指向断面且与巷道轴向一致的方向为ZW轴，与YW轴、ZW轴构成右手系的方向为XW轴；机身坐标系OOXOYOZO中：坐标系原点为机身上表面几何中心，机身纵向和横向对称轴分别为ZO轴和XO轴，垂直机身上表面向上的方向为YO轴；摄像机坐标系OCXCYCZC中：坐标系原点为摄像机安装位置，XC轴、YC轴和ZC轴分别平行于XO轴、YO轴和ZO轴；（2）结构光激光器的铅垂扇面光投影在台阶结构上，形成两条铅垂激光条纹CD和FL，水平扇面光投影在台阶结构上，形成两条水平激光条纹E和K，矿用隔爆工业摄像机采集两条铅垂激光条纹和两条水平激光条纹的图像并传输至图像处理平台，经过图像处理软件处理，获得E和K在图像坐标系中的位置坐标（ｘE,ｙE）、（ｘk,ｙk），获得CD和FL在图像坐标系中的直线方程 和，及两条铅垂激光条纹CD和FL的中心位置坐标（ｘCD,ｙCD）和（ｘFL,ｙFL），式中，CD斜率κCD=κFL，则，掘进机机身横滚角为：γ=αtanκCD；（3）按照设定的摄像机与台阶结构的相对位置关系，摄像机坐标系下各点的空间位置坐标为；摄像机焦距为ƒ，摄像机与台阶结构两个立面之间的距离分别为m和n，则，机身偏转角为，其中，；；机身横向偏移量，其中，（s,t）为掘进机机身上表面对称中心在摄像机坐标系中的位置；机身俯仰角；其中，；；机身纵向偏移量。
由矿用隔爆十字结构光激光器（或垂直设置的两个一字结构光激光器）、台阶结构、矿用隔爆摄像机以及图像处理平台组成。矿用隔爆十字结构光激光器安装在远离掘进巷道断面（大约15米）的巷道顶板上，激光投射向掘进机，精确的激光指向通过全站仪或经纬仪标定和调整，使其指示巷道基准方向。台阶结构安装在掘进机机身上表面前端，尺寸随安装空间而定，要求台阶结构的对称轴方向与机身纵向对称轴方向一致。矿用隔爆摄像机安装在机身上表面尾部，指向与掘进机机身纵向对称轴方向一致，成像窗口指向台阶结构。图像处理平台安装在掘进机机载工控机中。矿用隔爆十字结构光激光器投射在台阶结构上的十字形结构光，矿用隔爆摄像机采集经过台阶结构调制的激光条纹图像并输入图像处理平台，专用图像处理软件从中识别两条铅垂激光特征线以及两条水平激光特征点的位置和角度，进而计算出机身的横滚角、偏航角、横向偏移距离、俯仰角和纵向偏移量等参数。
两层台阶的高度及高度差、台阶的宽度均无特殊要求，两级台阶高度一般设计为100mm~200mm，底部的较低台阶的宽度在掘进机机身总体结构允许的条件下越宽越好，一般设计为300mm~1000mm，较高台阶宽度无要求，然而，无论台阶的高度差和宽度是多少，其具体尺寸都要求准确测量，用于后续的空间位姿参数解算。
本发明基于激光定位和机器视觉技术的方法，通过结构光激光器传递巷道基准，通过摄像机和图像实时获取机身载体与巷道基准之间的空间位置和姿态改变数据，实现掘进机自动导航定位，以改善掘进工作面作业环境，提高掘进效率。基于这一技术可实现掘进机的远程控制和无人掘进工作面，从而使掘进机操作人员可后撤至安全地带，实现安全高效的巷道掘进；用于掘进机自动导航定位，具有成本低、结构简单、获取信息完整等优势。
附图说明
图1为本发明所述悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统原理图；图2为偏航角和横向偏移计算示意图；图3为俯仰角和纵向偏移计算示意图；图4为坐标系定义示意图。
图中：1-悬臂式掘进机；2-台阶结构；3-图像处理平台；4-矿用隔爆摄像机；5-结构光激光器。
具体实施方式
如图1所示，一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统，包括安设于巷道顶板上的结构光激光器5，安装在悬臂式掘进机1机身上的矿用隔爆摄像机4、图像处理平台3和台阶结构2，所述台阶结构2包括上下两层台阶，两层台阶的长度和高度可伸缩，台阶结构2安装于悬臂式掘进机1机身上表面前端，台阶结构2的对称轴方向与机身纵向对称轴方向一致；所述结构光激光器5设有水平指示器，安装在离掘进巷道断面15米的巷道顶板上，结构光激光器5向悬臂式掘进机1投射出垂直的两个扇面激光，投射在台阶结构2上形成十字形结构光；所述矿用隔爆摄像机4安装在悬臂式掘进机1机身上表面尾部，指向与掘进机机身纵向对称轴方向一致，成像窗口指向台阶结构2；所述图像处理平台3安装在悬臂式掘进机1机载工控机中。
首先安装和调整结构光激光器5，选用一个矿用隔爆十字结构光激光器或者十字垂直设置的两个一字结构光激光器。结构光激光器5悬挂在掘进机后方约15米处巷道顶板上，安装位置应确保十字结构光投影在掘进机机身上利用全站仪测量十字结构光在前方双铅垂、双水平线的投影调整并确定光激光器的指向；台阶结构2安装在掘进机机身上表面前端，确保其方向与机身轴向平行；矿用隔爆摄像机4通过隔振平台安装在掘进机机身尾部，确保摄像机指向与上述台阶结构2垂直；图像处理平台3安装在掘进机机载工控机中。
两层台阶的高度及高度差、台阶的宽度均无特殊要求，两级台阶高度一般设计为100mm~200mm，底部的较低台阶的宽度在掘进机机身总体结构允许的条件下越宽越好，一般设计为300mm~1000mm，较高台阶宽度无要求，然而，无论台阶的高度差和宽度是多少，其具体尺寸都要求准确测量，用于后续的空间位姿参数解算。
一种用上述悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统的悬臂式掘进机空间位姿参数测量方法，如图2、图3所示所示，结构光激光器5投射在台阶结构2上形成十字形结构光条纹，矿用隔爆摄像机4采集激光条纹图像并输入图像处理平台3，专用图像处理软件识别特征线以及特征点的位置和角度，进而计算出机身的横滚角、偏航角、横向偏移距离、俯仰角和纵向偏移量等参数。
基于激光定位和机器视觉技术的掘进机机身空间位姿参数解算方法为：（1）如图4所示，建立巷道坐标系OWXWYWZW、机身坐标系OOXOYOZO、摄像机坐标系OCXCYCZC、台阶结构坐标系OXYZ和图像坐标系oxy；巷道坐标系OWXWYWZW中：坐标系原点为激光指向仪的安装位置，铅垂向上为YW轴，指向断面且与巷道轴向一致的方向为ZW轴，与YW轴、ZW轴构成右手系的方向为XW轴；机身坐标系OOXOYOZO中：坐标系原点为机身上表面几何中心，机身纵向和横向对称轴分别为ZO轴和XO轴，垂直机身上表面向上的方向为YO轴；摄像机坐标系OCXCYCZC中：坐标系原点为摄像机安装位置，XC轴、YC轴和ZC轴分别平行于XO轴、YO轴和ZO轴；（2）结构光激光器的铅垂扇面光投影在台阶结构上，形成两条铅垂激光条纹CD和FL，水平扇面光投影在台阶结构上，形成两条水平激光条纹E和K，矿用隔爆工业摄像机采集两条铅垂激光条纹和两条水平激光条纹的图像并传输至图像处理平台，经过图像处理软件处理，获得E和K在图像坐标系中的位置坐标（ｘE,ｙE）、（ｘk,ｙk），获得CD和FL在图像坐标系中的直线方程和，及两条铅垂激光条纹CD和FL的中心位置坐标（ｘCD,ｙCD）和（ｘFL,ｙFL），式中，CD斜率κCD=κFL，则，掘进机机身横滚角为：γ=αtanκCD；（3）按照设定的摄像机与台阶结构的相对位置关系，摄像机坐标系下各点的空间位置坐标为；摄像机焦距为ƒ，摄像机与台阶结构两个立面之间的距离分别为m和n，则，机身偏转角为，其中，；；机身横向偏移量，其中，（s,t）为掘进机机身上表面对称中心在摄像机坐标系中的位置；机身俯仰角；其中，；；机身纵向偏移量。

Claims (5)

1.一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统，包括安设于巷道顶板上的结构光激光器（5），安装在悬臂式掘进机（1）机身上的矿用隔爆摄像机（4）、图像处理平台（3）和台阶结构（2），其特征在于：所述台阶结构（2）包括上下两层台阶，两层台阶的长度和高度可伸缩，台阶结构（2）安装于悬臂式掘进机（1）机身上表面前端，台阶结构（2）的对称轴方向与机身纵向对称轴方向一致；所述结构光激光器（5）设有水平指示器，安装在离掘进巷道断面15米的巷道顶板上，结构光激光器（5）向悬臂式掘进机（1）投射出垂直的两个扇面激光，投射在台阶结构（2）上形成十字形结构光；所述矿用隔爆摄像机（4）安装在悬臂式掘进机（1）机身上表面尾部，指向与掘进机机身纵向对称轴方向一致，成像窗口指向台阶结构（2）；所述图像处理平台（3）安装在悬臂式掘进机（1）机载工控机中。
2.根据权利要求1所述的一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统，其特征在于：所述结构光激光器（5）为一个矿用隔爆十字结构光激光器或者十字垂直设置的两个一字结构光激光器。
3.根据权利要求1所述的一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统，其特征在于：所述台阶结构的上下两层台阶高度为100mm~200mm，底部台阶的宽度为300mm~1000mm。
4.一种用权利要求1所述的悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统的悬臂式掘进机空间位姿参数测量方法，其特征在于：结构光激光器（5）投射在台阶结构（2）上形成十字形结构光条纹，矿用隔爆摄像机（4）采集激光条纹图像并输入图像处理平台（3），专用图像处理软件识别特征线以及特征点的位置和角度，进而计算出机身的横滚角、偏航角、横向偏移距离、俯仰角和纵向偏移量等参数。
5.根据权利要求4所述的用悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统的悬臂式掘进机空间位姿参数测量方法，其特征在于：基于激光定位和机器视觉技术的掘进机机身空间位姿参数解算方法为：（1）建立巷道坐标系OWXWYWZW、机身坐标系OOXOYOZO、摄像机坐标系OCXCYCZC、台阶结构坐标系OXYZ和图像坐标系oxy；巷道坐标系OWXWYWZW中：坐标系原点为激光指向仪的安装位置，铅垂向上为YW轴，指向断面且与巷道轴向一致的方向为ZW轴，与YW轴、ZW轴构成右手系的方向为XW轴；机身坐标系OOXOYOZO中：坐标系原点为机身上表面几何中心，机身纵向和横向对称轴分别为ZO轴和XO轴，垂直机身上表面向上的方向为YO轴；摄像机坐标系OCXCYCZC中：坐标系原点为摄像机安装位置，XC轴、YC轴和ZC轴分别平行于XO轴、YO轴和ZO轴；（2）结构光激光器的铅垂扇面光投影在台阶结构上，形成两条铅垂激光条纹CD和FL，水平扇面光投影在台阶结构上，形成两条水平激光条纹E和K，矿用隔爆工业摄像机采集两条铅垂激光条纹和两条水平激光条纹的图像并传输至图像处理平台，经过图像处理软件处理，获得E和K在图像坐标系中的位置坐标（ｘE,ｙE）、（ｘk,ｙk），获得CD和FL在图像坐标系中的直线方程 和，及两条铅垂激光条纹CD和FL的中心位置坐标（ｘCD,ｙCD）和（ｘFL,ｙFL），式中，CD斜率κCD=κFL，则，掘进机机身横滚角为：γ=αtanκCD；（3）按照设定的摄像机与台阶结构的相对位置关系，摄像机坐标系下各点的空间位置坐标为；摄像机焦距为ƒ，摄像机与台阶结构两个立面之间的距离分别为m和n，则，机身偏转角为，其中，；；机身横向偏移量，其中，（s,t）为掘进机机身上表面对称中心在摄像机坐标系中的位置；机身俯仰角；其中，；；机身纵向偏移量。
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