CN106225779A - 基于三激光标记点图像的掘进机定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于三激光标记点图像的掘进机定位系统，包括：无线摄像仪、无线基站、计算机、三角激光标记器、双点激光标记器，所述无线摄像仪安装在掘进机上，所述三角激光标记器均布安装在摄像仪圆周上，所述无线摄像仪与所述无线基站无线连接，所述无线基站与所述计算机通过线缆连接，所述两点激光标记器安装在掘进巷道的地面上。同时还提供了上述定位系统的定位方法。与现有技术相比，本发明具有结构紧凑，简便易行，定位准确等特点，为掘进机的无人远程可视化遥操作提供了支持条件。

Description

基于三激光标记点图像的掘进机定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及掘进机的定位系统设计及工程机器人定位控制领域，具体地，涉及一种基于三激光标记点图像的掘进机定位系统及定位方法。

背景技术

目前多种定位技术应用于掘进机定位系统中，包括基于全站仪的定位系统、基于捷联式惯性系统的定位技术、基于激光导向的定位系统、基于视觉测量的掘进机导向和定位系统。

全站仪称为全站型电子测速仪，基于全站仪的定位导向技术多年前就被用于盾构掘进机隧道掘进时的导向。它是一种可以同时进行角度测量、距离测量和数据处理的测量仪器，通过激光测距传感器和两个角位移传感器获取空间点坐标。全站仪及其配套的接收装置均属于精密测绘仪器，对工作环境要求苛刻，其使用，维护成本也比较高。

捷联式惯性系统不采用实体平台，把加速度计和陀螺仪直接安装在载体上。从陀螺仪和加速度计构成的惯性系统中获得掘进机三轴方向的加速度和角速度信号，解算求的车体实时位置信息，从车体实时位置信息获得车体的实时航向，俯仰角，横滚角，从位移传感器信号得到机械臂的伸缩、旋转量，二者共同决定了掘进机的姿态信息。但是由于导向定位信息是经过时间积分而产生，定位误差会随时间而增大，并且惯性系统在开始导向定位之前需要进行初始化。

基于激光导向仪的导向定位系统，包括激光指向测距仪和光侧角仪。激光接收器安装在掘进机机身上，其基准轴线与机身基准轴线平行，通过接收导向激光，以测出机身与导向激光束间的水平角和俯仰角差值。但是其存在现场光侧角仪对激光能否可靠接受及跟踪的问题，掘进过程中，巷道会出现随机性的俯仰角变化，会导致指向激光束在机组的落点位置无法固定，造成求解困难。

视觉定位是通过摄像机获取周围景物的图像，利用一些自然或人造特征，通过图像处理方法得到周围环境模型来实现位置定位。其难点在于如何克服工作面恶劣的工况，如粉尘，水雾，光照条件等对检测精度的影响。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于摄像机图像和激光点标记的掘进机远程定位定位系统。

根据本发明提供的一种基于三激光标记点图像的掘进机定位系统，包括：无线摄像仪、无线基站、计算机终端、三角激光标记器、两点激光标记器；

计算机终端通过无线基站接收无线摄像仪采集的掘进巷道参照面的图像；

三角激光标记器与掘进巷道的相对位置固定，并在掘进巷道参照面上投射出3个亮点，分别记为点C、点D、点E；

两点激光标记器中的激光发射器在无线摄像仪的周向上均匀布置，并在掘进巷道参照面上投射出2个亮点，分别记为点A、点B；

无线摄像仪紧固连接在掘进机上。

优选地，三角激光标记器安装在掘进巷道的底面、侧壁或者顶板上，且正对位于掘进巷道终点处的掘进巷道参照面；点C、点D、点E位于同一个正三角形的3个顶点处；且点C、点D、点E所在平面垂直于水平面。

优选地，经过两点激光标记器投射出的点A、点B的直线平行于无线摄像仪的镜头平面。

优选地，直线垂直于水平面。

根据本发明提供的一种基于上述的基于三激光标记点图像的掘进机定位系统的定位方法，包括：

根据掘进巷道参照面的图像中点A与点B之间的像素距离，确认掘进机到掘进巷道参照面的距离，计算公式为：

$d=\frac{l}{f}\×dp\×kp$

其中，d为掘进机到掘进巷道参照面的距离；l为已知的点A与点B的实际距离；f为无线摄像仪的焦距；dp为实时拍摄的掘进巷道参照面的图像中点A与点B之间的像素距离；kp为点A与点B之间在图像中的像素距离和已知的点A与点B的实际距离的换算系数。

根据本发明提供的一种基于上述的基于三激光标记点图像的掘进机定位系统的定位方法，包括：

在所述无线摄像仪的图像拍摄频率保持不变时，根据点A与点B之间的像素距离变化率模拟出掘进机的运行速度，计算公式为：

v＝Δd×h

其中，h为无线摄像仪的拍摄频率；Δd为无线摄像仪平均两次拍摄之间的掘进机移动距离；v为掘进机的运行速度。

优选地，所述基于上述的基于三激光标记点图像的掘进机定位系统的定位方法，包括：

根据计算点C、点D、点E作为顶点的三角形的形心，距离点A、点B中点的像素距离，确定掘进机在运行过程中的竖直方向偏移量，计算公式为：

$Xd=\frac{(S-S1)\×Xl}{Xl+d}$

其中，S为设定的标准的点C、点D、点E作为顶点的三角形的形心距离点A、点B中点之间的像素距离；S1为实时的点C、点D、点E作为顶点的三角形的形心距离点A、点B中点之间的像素距离；Xl为掘进机的长度；Xd为掘进机的竖直方向偏移量。

根据本发明提供的一种基于上述的基于三激光标记点图像的掘进机定位系统的定位方法，包括：

计算机终端通过对掘进巷道参照面的图像处理分析后，产生掘进机实时位置数据，并产生运动调整控制信号传送给无线基站；无线基站把控制信息通过无线摄像仪中的无线通信模块反馈给掘进机，进行位置调整。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明可以克服工作面恶劣的工况，如粉尘，水雾，光照条件等对检测精度的影响，避免惯性系统的误差累积，并减少使用成本和维护成本，定位方法简单易行、安全可靠。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为基于三激光标记点图像的掘进机定位系统的结构原理图。

图中：

1为计算机终端、2为无线基站、3为掘进机、4为无线摄像仪、5为两点激光标记器、6为掘进巷道参照面、7为三角激光标记器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，根据本发明提供的一种基于三激光标记点图像的掘进机定位系统，包括：无线摄像仪、无线基站、计算机终端、三角激光标记器、两点激光标记器；计算机终端通过无线基站接收无线摄像仪采集的掘进巷道参照面的图像；三角激光标记器与掘进巷道的相对位置固定，并在掘进巷道参照面上投射出3个亮点，分别记为点C、点D、点E；两点激光标记器中的激光发射器在无线摄像仪的周向上均匀布置，并在掘进巷道参照面上投射出2个亮点，分别记为点A、点B；无线摄像仪紧固连接在掘进机上。计算机终端具有图像处理能力和运动控制信号产生能力，所述无线基站的无线通讯模块完成与所述无线摄像仪的图像数据和控制信号通讯工作。无线摄像仪实时拍摄点A、点B、点C、点D、点E。

所述三角激光标记器和两点激光标记器会发出强度高、颜色醒目的激光点照射在掘进面上，根据所述无线摄像仪经由所述无线基站传送到所述计算机的图像上可以检测到5个激光点；其中，点C、点D、点E所在平面用做绝对定位参照；经过点A、点B的直线平行于无线摄像仪的镜头平面用做相对定位参照。

三角激光标记器安装在掘进巷道的底面、侧壁或者顶板上，且正对位于掘进巷道终点处的掘进巷道参照面；点C、点D、点E位于同一个正三角形的3个顶点处；且点C、点D、点E所在平面垂直于水平面。经过两点激光标记器投射出的点A、点B的直线平行于无线摄像仪的镜头平面，该直线垂直于水平面。

根据本发明提供的一种基于上述的基于三激光标记点图像的掘进机定位系统的定位方法，包括：

根据掘进巷道参照面的图像中点A与点B之间的像素距离，确认掘进机到掘进巷道参照面的距离，计算公式为：

$d=\frac{l}{f}\×dp\×kp$

其中，d为掘进机到掘进巷道参照面的距离；l为已知的点A与点B的实际距离；f为无线摄像仪的焦距；dp为实时拍摄的掘进巷道参照面的图像中点A与点B之间的像素距离；kp为点A与点B之间在图像中的像素距离和已知的点A与点B的实际距离的换算系数。

在所述无线摄像仪的图像拍摄频率保持不变时，根据点A与点B之间的像素距离变化率模拟出掘进机的运行速度，计算公式为：

v＝Δd×h

其中，h为无线摄像仪的拍摄频率；Δd为无线摄像仪平均两次拍摄之间的掘进机移动距离；v为掘进机的运行速度。

根据计算三角激光标记器投射的等边三角激光点组成的等边三角形的各顶点拍摄出的像素值多少，确定掘进机在运动过程中的横向偏移量。结合附图说明，当三角标记器三角激光标记器的点D拍摄出的像素值大于点E拍摄出的像素值时，表明掘进机向右侧偏移；当三角标记器的点D拍摄出的像素值小于点E拍摄出的像素值时，表明掘进机向左侧偏移。具体的偏移量可以通过实际实验测量，对数据进行拟合分析。

根据计算点C、点D、点E作为顶点的三角形的形心，距离点A、点B中点的像素距离，确定掘进机在运行过程中的竖直方向偏移量，计算公式为：

$Xd=\frac{(S-S1)\×Xl}{Xl+d}$

其中，S为设定的标准的点C、点D、点E作为顶点的三角形的形心距离点A、点B中点之间的像素距离；S1为实时的点C、点D、点E作为顶点的三角形的形心距离点A、点B中点之间的像素距离；Xl为掘进机的长度；Xd为掘进机的竖直方向偏移量。

计算机终端通过对掘进巷道参照面的图像处理分析后，产生掘进机实时位置数据，并产生运动调整控制信号传送给无线基站；无线基站把控制信息通过无线摄像仪中的无线通信模块反馈给掘进机，进行位置调整。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于三激光标记点图像的掘进机定位系统，其特征在于，包括：无线摄像仪、无线基站、计算机终端、三角激光标记器、两点激光标记器；

计算机终端通过无线基站接收无线摄像仪采集的掘进巷道参照面的图像；

三角激光标记器与掘进巷道的相对位置固定，并在掘进巷道参照面上投射出3个亮点，分别记为点C、点D、点E；

两点激光标记器中的激光发射器在无线摄像仪的周向上均匀布置，并在掘进巷道参照面上投射出2个亮点，分别记为点A、点B；

无线摄像仪紧固连接在掘进机上。

2.根据权利要求1所述的基于三激光标记点图像的掘进机定位系统，其特征在于，三角激光标记器安装在掘进巷道的底面、侧壁或者顶板上，且正对位于掘进巷道终点处的掘进巷道参照面；点C、点D、点E位于同一个正三角形的3个顶点处；且点C、点D、点E所在平面垂直于水平面。

3.根据权利要求2所述的基于三激光标记点图像的掘进机定位系统，其特征在于，经过两点激光标记器投射出的点A、点B的直线平行于无线摄像仪的镜头平面。

4.根据权利要求3所述的基于三激光标记点图像的掘进机定位系统，其特征在于，直线垂直于水平面。

5.一种基于权利要求1至4中任一项所述的基于三激光标记点图像的掘进机定位系统的定位方法，其特征在于，包括：

根据掘进巷道参照面的图像中点A与点B之间的像素距离，确认掘进机到掘进巷道参照面的距离，计算公式为：

$d=\frac{l}{f}\×dp\×kp$

其中，d为掘进机到掘进巷道参照面的距离；l为已知的点A与点B的实际距离；f为无线摄像仪的焦距；dp为实时拍摄的掘进巷道参照面的图像中点A与点B之间的像素距离；kp为点A与点B之间在图像中的像素距离和已知的点A与点B的实际距离的换算系数。

6.一种基于权利要求1至4中任一项所述的基于三激光标记点图像的掘进机定位系统的定位方法，其特征在于，包括：

在所述无线摄像仪的图像拍摄频率保持不变时，根据点A与点B之间的像素距离变化率模拟出掘进机的运行速度，计算公式为：

vΔd×h

其中，h为无线摄像仪的拍摄频率；Δd为无线摄像仪平均两次拍摄之间的掘进机移动距离；v为掘进机的运行速度。

7.根据权利要求5所述的基于权利要求1至4中任一项所述的基于三激光标记点图像的掘进机定位系统的定位方法，其特征在于，包括：

根据计算点C、点D、点E作为顶点的三角形的形心，距离点A、点B中点的像素距离，确定掘进机在运行过程中的竖直方向偏移量，计算公式为：

$Xd=\frac{(S-S1)\×Xl}{Xl+d}$

其中，S为设定的标准的点C、点D、点E作为顶点的三角形的形心距离点A、点B中点之间的像素距离；S1为实时的点C、点D、点E作为顶点的三角形的形心距离点A、点B中点之间的像素距离；Xl为掘进机的长度；为掘进机的竖直方向偏移量。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的基于权利要求1至4中任一项所述的基于三激光标记点图像的掘进机定位系统的定位方法，其特征在于，包括：

计算机终端通过对掘进巷道参照面的图像处理分析后，产生掘进机实时位置数据，并产生运动调整控制信号传送给无线基站；无线基站把控制信息通过无线摄像仪中的无线通信模块反馈给掘进机，进行位置调整。