CN106840137A - 一种四点式掘进机自动定位定向方法 - Google Patents

一种四点式掘进机自动定位定向方法 Download PDF

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田原
张建广
杨文杰
赵永红
梁万吉
王学成
白雪峰
阎志伟
王智辉
王瑶
陈露
田秋实
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Abstract

本发明属于煤矿装备自动化技术领域,为解决掘进机在井下巷道中作业时能实现自动定位定向的技术问题,提供了一种四点式掘进机自动定位定向方法,基于机器视觉技术的掘进机自动定位定向方法,取掘进机机身上四个特征点,由工业智能摄像机获取其图像,从中解算掘进机机身相对于工业智能摄像机的偏转角、横滚角、俯仰角以及机身的横向偏移量、纵向偏移量和机身到工业智能摄像机的距离等参数,实现掘进机自动定位定向,本发明具有自动化程度高,结构简单,姿态信息完整、精度高等优点。

Description

一种四点式掘进机自动定位定向方法
技术领域
[0001] 本发明属于煤矿装备自动化技术领域,具体涉及一种四点式掘进机自动定位定向 方法。
背景技术
[0002] 煤矿井下掘进机工作面环境恶劣,又是事故高发区域,因此掘进工作面的自动化, 少人无人化是煤矿的发展趋势和迫切需求,掘进机的自动定位定向技术是实现掘进工作面 自动化,少人无人化的关键技术。
发明内容
[0003] 本发明为解决掘进机在井下巷道中作业时能实现自动定位定向的技术问题,提供 了一种四点式掘进机自动定位定向方法。
[0004] 本发明采用的技术方案如下: 一种四点式掘进机自动定位定向方法,基于机器视觉技术的四点法获得掘进机机身空 间位置和姿态参数;具体方法为:在掘进机机身上表面选取四个特征点,将视觉定位定向仪 安装在掘进机后方巷道顶板上,利用视觉定位定向仪中的工业智能摄像机对在掘进机上选 定的四个特征点成像,分析特征点图像与已知的四个特征点之间的相对位置关系,计算得 到掘进机在工业智能摄像机坐标系中的空间位置及空间姿态的偏转角、横滚角、俯仰角、机 身的横向偏移量、机身的纵向偏移量和机身到工业智能摄像机的距离六个参数,通过标定 工业智能摄像机与视觉定位定向仪上的激光器之间的相对位置关系,将掘进机在工业智能 摄像机坐标系中的空间位置和姿态参数转换到代表巷道设计基准下的掘进机空间位置和 姿态参数。
[0005] 所述四个特征点取在掘进机机身的上表面,呈“口”字形分布,且四点相对于掘进 机机身纵向轴线对称。
[0006] 所述掘进机在工业智能摄像机坐标系中的偏转角、横滚角、俯仰角、机身的横向偏 移量、机身的纵向偏移量和机身到工业智能摄像机的距离的计算方法为: 机身与工业智能摄像机之间距离根据
Figure CN106840137AD00041
计算出,各特征点A、B、C、D在工业智能摄像机坐标系中的横向纵向二维空间坐标
Figure CN106840137AD00042
根据
Figure CN106840137AD00051
计算出,AB和⑶的中点M、N的横向纵向二维空间坐标
Figure CN106840137AD00052
根据
Figure CN106840137AD00053
计算出,将MN投影在水平面上,则MN,即掘进机机身中轴线在工业智能摄像机坐标系 中的偏转角《根据
Figure CN106840137AD00054
计算出;将MN投影在铅垂面上,则机身俯仰角#根据
Figure CN106840137AD00055
计算出;A、B的像点在工业智能摄像机坐标系中与其横轴的夹角即为掘进机机身的横 滚角f :;
Figure CN106840137AD00056
以MN的中点为机身中心,则机身的纵向偏移、横向偏移、与工业智能摄像机之间的距 离即掘进机机身的空间位置坐标(X,y,z)根据
Figure CN106840137AD00057
计算出; 其中:A、B、C、D为选定的特征点,Ji、貧、&、获分别为A、B、C、D的像,AB、CD为机身特征 点间距,MN为AB、⑶的中点连线,f为工业智能摄像机镜头焦距。
[0007] 本发明的有益效果:本发明提出的一种基于机器视觉技术的四点式掘进机自动定 位定向方法,以掘进机机身四个特定位置作为特征点,由工业智能摄像机获取其图像,从中 解算掘进机机身相对于摄像机的偏航角、横滚角、俯仰角以及机身的横向偏移量、纵向偏移 量和机身到工业智能摄像机的距离等参数,实现掘进机自动定位定向,具有自动化程度高, 结构简单,姿态信息完整、精度高等优点。
附图说明
[0008] 图1为视觉定位定向仪的结构示意图; 图2为成像几何模型; 图3为特征点图像; 图4为特征点设置示意图; 图5为视觉定位定向仪方向调定方法示意图; 图中:1-工业智能摄像机,2-无线数传系统,3-电源模块,4-激光器,5-视觉定位定向 仪。
具体实施方式
[0009] —种四点式掘进机自动定位定向方法,基于机器视觉技术的四点法获得掘进机机 身空间位置和姿态参数;具体方法为:在掘进机机身上表面选取四个特征点,将视觉定位定 向仪安装在掘进机后方巷道顶板上,利用视觉定位定向仪中的工业智能摄像机对在掘进机 上选定的四个特征点成像,分析特征点图像与已知的四个特征点之间的相对位置关系,计 算得到掘进机在工业智能摄像机坐标系中的空间位置及空间姿态的偏转角、横滚角、俯仰 角、机身的横向偏移量、机身的纵向偏移量和机身到工业智能摄像机的距离六个参数,通过 标定工业智能摄像机与视觉定位定向仪上的激光器之间的相对位置关系,将掘进机在工业 智能摄像机坐标系中的空间位置和姿态参数转换到代表巷道设计基准下的掘进机空间位 置和姿态参数。
[0010] 所述四个特征点取在掘进机机身的上表面,呈“口”字形分布,范围尽可能大,且四 点相对于掘进机机身纵向轴线对称。四个特征点与掘进机后方巷道顶板上设置的视觉定位 定向仪之间应具有良好的通视性。
[0011] 如图1所示,视觉定位定向仪由工业智能摄像机、无线数传系统与激光器组合而 成。激光器用于辅助调整工业智能摄像机光轴的方向,使其与巷道的设计方向一致;工业智 能摄像机是一种具备图像处理平台并包含专用图像处理软件的工业摄像机,用于采集包含 掘进 机机身上四个特征点的场景图像,并完成实时的图像处理、目标识别和掘进机空间位 置和空间姿态解算;通过无线数传系统,将解算结果无线传输至上位机。
[0012] 结构上,视觉定位定向仪内部,激光器与工业智能摄像机相连接并具有相对俯仰 角和相对偏转角调整功能,通过专用的标定装置调整二者间的俯仰角和偏转角使其尽可能 小并测定其数值作为系统修正值。视觉定位定向仪外部具有悬挂机构,用于将视觉定位定 向仪通过锚杆悬挂在巷道顶板上,视觉定位定向仪前方具有玻璃窗口,便于工业智能摄像 机透过窗口采集图像以及激光器投射出激光束。此外,视觉定位定向仪外部还具有俯仰角、 偏转角以及横向偏移调整机构,用于在视觉定位定向仪悬挂完成后精密调整,使其指向与 巷道设计方向 一致。
[0013] 本发明具体的实施及计算方法为: 1.在掘进机机身上设置特征点 如图4所示,A、B、C、D为选定的特征点,其中AB和⑶均垂直于机身中轴线丽,ABXD 及其MN的间距均人工测出。
[0014] 2.安装视觉定位定向仪并利用激光器调定其指向 如图5所示,按照目前通行的所有煤矿巷道定位的方法,在巷道设计方向上悬挂两条 重锤线,然后在其后方大致一致的方向上的巷道顶板上打入锚杆,安装视觉定位定向仪,利 用视觉定位定向仪的三自由度调整机构调整视觉定位定向仪的姿态和位置,使其激光束穿 过两个重锤线。
[0015] 3.工业智能摄像机采集机身特征点的图像并进行适当的图像处理、目标识别和 位姿参数解算。
[0016] 4.对计算中合理假设所带来的计算误差进行修正。
[0017] 5.通过视觉定位定向仪中的无线数传系统将工业智能摄像机解算出的机身空间 位姿参数发出到上位机。
[0018] 6.上述3、4、5步骤在视觉定位定向仪上电后自动完成。
[0019] 其中,掘进机在工业智能摄像机坐标系中的偏转角、横滚角、俯仰角、机身的横向 偏移量、机身的纵向偏移量和机身到工业智能摄像机的距离的具体计算方法为: 如图2所示,以AB和CD及其中点连线MN组成的结构表示掘进机机身在水平面内的 投影,成像平面L和焦点0构成摄像机成像几何模型,X轴表示掘进机机身横向偏移方向, Z轴表示掘进机机身前进方向,与X轴、Z轴正交的Y轴表示掘进机机身纵向偏移方向。
[0020] 在本发明的应用场合中,掘进机用于巷道掘进,受掘进机机身宽度、长度及巷道宽 度限制,掘进机在巷道中的最大偏转角度一般不超过10度,即机身特征点A、B连线与机身 后方巷道顶板上设置的工业智能摄像机成像平面夹角一般不超过10度,而机身与视觉定 位定向仪之间的距离通常在数十米到上百米,因此,A、B的像#、貧(如图3所示)之间的距 离因掘进机偏转(A、B连线与工业智能摄像机成像平面夹角)产生的改变可忽略不计,因此 可利用光学成像原理和三角法测距原理,在已知工业智能摄像机镜头焦距f、机身特征点间 距离AB、CD、MN,且通过图像处理算法获得各特征点对应像点#、贫的位置坐标
Figure CN106840137AD00071
;时,机身与工业智能摄像机之间距离根据 可以估算出,从而各特征点A、B、C、D在工业智能摄像机坐标系中的横向纵向二维空间 坐标:
Figure CN106840137AD00072
根据
Figure CN106840137AD00081
可算出,AB和⑶的中点M、N的横向纵向二维空间坐标根据
Figure CN106840137AD00082
也可算出,因此,将MN投影在水平面上,则MN,即掘进机机身中轴线在工业智能摄像机 坐标系中的偏转角#根据
Figure CN106840137AD00083
可计算出;同理,将MN投影在铅垂面上,则机身俯仰角濟根据
Figure CN106840137AD00084
可计算出;A、B的像点在工业智能摄像机坐标系中与其横轴的夹角即为掘进机机身的 横滚角;
Figure CN106840137AD00085
以MN的中点为机身中心,则机身的纵向偏移、横向偏移、与工业智能摄像机之间的距 离即掘进机机身的空间位置坐标(X,y,z)根据
Figure CN106840137AD00086
可计算出; 其中:A、B、C、D为选定的特征点,Ji、貧、&、获分别为A、B、C、D的像,AB、CD为机身特征 点间距,MN为AB、⑶的中点连线,f为工业智能摄像机镜头焦距。
[0021] 本发明提出的一种基于机器视觉技术的四点式掘进机自动定位定向方法,以掘进 机机身四个特定位置作为特征点,由工业智能摄像机获取其图像,从中解算掘进机机身相 对于工业智能摄像机的偏转角、横滚角、俯仰角以及机身的横向偏移量、纵向偏移量和机身 到工业智能摄像机的距离等参数,实现掘进机自动定位定向,具有自动化程度高,结构简 单,姿态彳目息完整、精度1¾等优点C3

Claims (3)

1. 一种四点式掘进机自动定位定向方法,其特征在于:基于机器视觉技术的四点法获 得掘进机机身空间位置和姿态参数;具体方法为:在掘进机机身上表面选取四个特征点,将 视觉定位定向仪安装在掘进机后方巷道顶板上,利用视觉定位定向仪中的工业智能摄像机 对在掘进机上选定的四个特征点成像,分析特征点图像与已知的四个特征点之间的相对位 置关系,计算得到掘进机在工业智能摄像机坐标系中的空间位置及空间姿态的偏转角、横 滚角、俯仰角、机身的横向偏移量、机身的纵向偏移量和机身到工业智能摄像机的距离六个 参数,通过标定工业智能摄像机与视觉定位定向仪上的激光器之间的相对位置关系,将掘 进机在工业智能摄像机坐标系中的空间位置和姿态参数转换到代表巷道设计基准下的掘 进机空间位置和姿态参数。
2. 根据权利要求1所述的一种四点式掘进机自动定位定向方法,其特征在于:所述四个 特征点取在掘进机机身的上表面,呈“口”字形分布,且四点相对于掘进机机身纵向轴线对 称。
3. 根据权利要求2所述的一种四点式掘进机自动定位定向方法,其特征在于:所述掘 进机在工业智能摄像机坐标系中的偏转角、横滚角、俯仰角、机身的横向偏移量、机身的纵 向偏移量和机身到工业智能摄像机的距离的计算方法为: 机身与工业智能摄像机之间距离根据
Figure CN106840137AC00021
计算出,各特征点A、B、C、D在工业智能摄像机坐标系中的横向纵向二维空间坐标 C%、.朽I、:《%,鄭>、c%—·# 根据
Figure CN106840137AC00022
计算出,AB和⑶的中点M、N的横向纵向二维空间坐标根据
Figure CN106840137AC00023
计算出,将MN投影在水平面上,则MN,即掘进机机身中轴线在工业智能摄像机坐标系 中的偏转角樣根据
Figure CN106840137AC00031
计算出;将MN投影在铅垂面上,则机身俯仰角篆根据
Figure CN106840137AC00032
计算出;A、B的像点在工业智能摄像机坐标系中与其横轴的夹角即为掘进机机身的横 滚角f;
Figure CN106840137AC00033
以MN的中点为机身中心,则机身的纵向偏移、横向偏移、与工业智能摄像机之间的距 离即掘进机机身的空间位置坐标(X,y,z)根据
Figure CN106840137AC00034
可计算出; 其中:A、B、C、D为选定的特征点,#分别为A、B、C、D的像,AB、CD为机身特征 点间距,MN为AB、⑶的中点连线,f为工业智能摄像机镜头焦距。
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