CN108592951B - 一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统及方法 - Google Patents

一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统及方法，包括防爆箱、捷联惯导系统、处理器、固定支架和摄像头；所述防爆箱固定安装在采煤机的机身上，捷联惯导系统和处理器安装在防爆箱中，摄像头通过固定支架固定在采煤机一侧的液压支架上，且摄像头的拍摄方向朝着采煤机。利用摄像头拍摄采煤机运动图像，并结合光流技术得到采煤机的运动方向及其对地实际速度，通过捷联惯导的比力方程推导出多矢量定姿方程，最后采用Whaba最优矩阵即可求解出捷联惯导的初始姿态矩阵，实现捷联惯导系统的初始对准。本发明利用外界速度辅助，无需经过粗对准阶段，实现捷联惯导的动基座精确初始对准。

Description

一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统及方法
技术领域
本发明涉及一种采煤机初始对准系统及方法，具体是一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统及方法。
背景技术
煤炭是当今世界分布最广泛、储量最多的能源资源，一直在世界能源系统中占主导地位。煤炭是我国国民经济的基础能源和原料，占一次能源的70％左右，虽然近年来国家号召节能减排、鼓励开发新能源，但以煤为主的能源结构在国家经济生产活动中占据重要作用。因此，煤炭工业能否健康、稳定发展对于我国的能源安定和经济发展具有重要意义。
为了实现采矿“三机”的联动，对采煤机的空间位置及姿态进行准确检测，即对采煤机进行空间动态定位具有重要意义。为了实现采煤机位置及姿态检测,有学者提出了采煤机惯性导航定位方法。捷联惯性导航系统是指将陀螺仪和加速度计直接固定在运载体上,利用陀螺仪和加速度计等惯性敏感器件对运行载体三轴角速度和三轴加速度信息进行实时测量,结合运行载体初始惯性信息,通过高速积分获得运动载体的姿态、速度及位置等导航信息。捷联惯性导航系统在工作时不依赖外界信息,也不向外界辐射能量,不易受到干扰破坏,是一种自主式导航系统,具有数据更新率高、数据全面以及短时定位精度高等优点。该方法利用外界速度辅助，无需经过粗对准阶段，实现捷联惯导的动基座精确初始对准问题。
惯性导航系统在开始工作前，首先要进行导航信息的初始化，其中，获得初始姿态信息的过程叫做初始对准，然而由于采煤机在工作的过程中容易受到干扰,导致采煤机机体的晃动，从而使陀螺仪原本对地球自转角速度的检测容易被机体的运动角速度掩盖，因此传统的解析法初始对准误差太大甚至不可用，采用基于惯性系的初始对准具有更好的抗角晃动干扰的能力。
采用惯性系初始对准的算法需要得到采煤机的对地速度，传统的视频测速算法有背景差法、帧差法、光流法等。由于背景差分法不能很好地适应场景变化，帧差法不能完整地提取所有相关特征点的状态，得到的不是纯背景图像，进而导致检测结果不精确，不利于目标分析与速度检测。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统及方法，无需经过粗对准阶段，提高对采煤机动基座精确初始对准误差的修正，从而实现捷联惯导的动基座精确初始对准。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统，包括防爆箱、捷联惯导系统、处理器、固定支架和摄像头；所述防爆箱固定安装在采煤机的机身上，捷联惯导系统和处理器安装在防爆箱中，摄像头通过固定支架固定在采煤机一侧的液压支架上，且摄像头的拍摄方向朝着采煤机。
进一步，所述处理器包括微处理单元模块、通信模块、报警模块、数据存储模块、隔离电路和供电模块，微处理单元模块分别与通信模块、报警模块、数据存储模块、隔离电路和供电模块相连。
进一步，所述处理器中微处理单元模块选用的是TI公司的DSP芯片。
进一步，所述防爆箱为煤矿专用防爆箱。
进一步，所述摄像头与固定支架为铰接。
进一步，所述的捷联惯导系统采用激光捷联惯导系统，其中激光陀螺的随机漂移稳定性为0.01°/h，加速度计的零偏稳定性为10-5g。
一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统的方法，具体步骤为：
A、摄像头对采煤机所处的环境拍摄图像，拍摄频率为25帧/s，并将已拍摄的图像传递给处理器；
B、处理器采用图像灰度模式将已拍摄的图像进行灰度处理，当采煤机在拍摄环境中移动时，拍摄的目标图像发生变化，图像灰度模式的表面运动为光流，根据采煤机的运动场和光流场的关系，由运动主方向原理，确定出采煤机移动的方向；
C、利用Lucas-Kanade光流法计算采煤机在图像中移动的光流速度，并将计算得出的图像中的光流速度转化为采煤机的对地实际速度，记作vb，得到采煤机运动方向上的速度信息；
E、利用捷联惯导的比力系方程，将比力信息投影到惯性坐标系，得到比力相对于惯性空间随地球旋转而引起的方向变化信息，具体比力系方程为：
其中为机体系的角速度、为地球的自转角速度在机体系的投影，vb(t)为采煤机对地速度，为加速度计在机体系测量的比力，gb为机体系的重力加速度；
然后结合步骤D得出的采煤机对地速度，通过捷联惯导的比力系方程推导出多矢量定姿方程，具体为：
F、选择m个不同积分时刻，在三维空间中构造m个不共面的矢量：
最后采用Whaba最优矩阵即可求解出捷联惯导的初始姿态矩阵，实现捷联惯导系统的初始对准。
与现有技术相比，本发明利用装载在液压支架上的摄像头，并结合光流技术得到采煤机的运动方向及其对地实际速度，通过捷联惯导的比力方程推导出多矢量定姿方程，最后采用Whaba最优矩阵即可求解出捷联惯导的初始姿态矩阵，实现捷联惯导系统的初始对准。本发明利用外界速度辅助，无需经过粗对准阶段，实现捷联惯导的动基座精确初始对准。同时将光流技术与捷联惯性导航技术进行融合，可以进一步减小采煤机姿态角的误差，提高了对采煤机动基座精确初始对准误差的修正效果。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的三维物体在一点运动的二维投影示意图；
图3是本发明中结合光流法检测采煤机速度的流程图；
图4是本发明中惯性导航初始对准的流程图。
图中：1、采煤机，2、防爆箱，3、捷联惯导系统，4、处理器，5、液压支架，6、固定支架，7、摄像头。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图所示，一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统，包括防爆箱2、捷联惯导系统3、处理器4、固定支架6和摄像头7；所述防爆箱2固定安装在采煤机1的机身上，捷联惯导系统6和处理器4安装在防爆箱2中，摄像头7通过固定支架6固定在采煤机1一侧的液压支架5上，且摄像头7的拍摄方向朝着采煤机1。
进一步，所述处理器4包括微处理单元模块、通信模块、报警模块、数据存储模块、隔离电路和供电模块，微处理单元模块分别与通信模块、报警模块、数据存储模块、隔离电路和供电模块相连。
进一步，所述处理器4中微处理单元模块选用的是TI公司的DSP芯片。DSP芯片用于采集和处理捷联惯导系统以及摄像头采集到的数据。
进一步，所述防爆箱2为煤矿专用防爆箱。
进一步，所述摄像头7与固定支架6为铰接。这种连接方式可使摄像头7绕着固定支架6进行360度旋转。
进一步，所述的捷联惯导系统3采用激光捷联惯导系统，其中激光陀螺的随机漂移稳定性为0.01°/h，加速度计的零偏稳定性为10-5g。
一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统的方法，具体步骤为：
A、摄像头7对采煤机1所处的环境拍摄图像，拍摄频率为25帧/s，并将已拍摄的图像传递给处理器4；
B、处理器4采用图像灰度模式将已拍摄的图像进行灰度处理，当采煤机1在拍摄环境中移动时，拍摄的目标图像发生变化，图像灰度模式的表面运动为光流，图像上每一点的光流就形成了光流场。光流场是一种二维瞬时的速度场，其中的二维速度场矢量是景物中可见点的三维速度矢量在成像表面的投影。如果给图像中的每个像素点赋予一个速度矢量，就形成了图像运动场。在运动的一个特定时刻，图像上的某一点pi对应采煤机上的某点P0，这种对应关系可以由投影方程得到。在透视投影情况下，图像上一点与物体对应一点的连线经过光学中心，该连线称为图像点连线，如图2所示。
关系模型为：假设物体上一点p0相对于摄像机具有速度v0,从而在图像平面上对应的投影点pi具有速度vi.在时间间隔δt时，点p0运动了viδt。速度由下式表示：
其中，r0和ri之间的运动关系式为
其中，f为镜头焦距，z为镜头中心到目标的距离,由式(2)求导和式(1)可得到赋予每个像素的速度矢量关系如式(3)，而这些矢量构成运动场。
由式(3)就可以得出三维物体运动速度与图像平面投影速度之间的关系。
根据采煤机1的运动场和光流场的关系，由运动主方向原理，确定出采煤机1移动的方向；
C、利用Lucas-Kanade光流法计算光流图像上每个点的水平和垂直方向的光流速度，并计算出这些特征点的水平和垂直方向上光流速度的平均值u和v，计算公式如下：
即可求得运动物体的宏观光流速度I＝vi，计算公式如下：
根据式(3)即可把以像素为单位的速度转变为以距离为单位的速度，求得采煤机的实际移动速度：
vb＝kvi
这样就得到采煤机1运动方向上的速度信息；
D、利用捷联惯导的比力系方程，将比力信息投影到惯性坐标系，得到比力相对于惯性空间随地球旋转而引起的方向变化信息，具体比力系方程为：
其中为机体系的角速度、为地球的自转角速度在机体系的投影，vb(t)为采煤机对地速度，为加速度计在机体系测量的比力，gb为机体系的重力加速度；
然后结合步骤D得出的采煤机1的对地速度，两边同时乘以矩阵，经过整理得到：
其中记：
得到多矢量定姿方程，如下式：
E、选取m个不同积分时刻，根据多矢量定姿方程在三维空间中构造m个不共面的矢量：
多矢量定姿就是求解满足上式的最优姿态矩阵为了定量描述“最优”性能(所谓“最优”的含义就是使测量误差的加权平方和达到最小)，因此构造指标函数：
其中wi为已知加权系数，采用对于等加权平均，即可取wi＝1/m，反映的是在地理坐标系和载体坐标系中测量同一物理矢量的不一致性误差。最后采用Whaba最优矩阵求解算法求出常值矩阵即可完成采煤机1的捷联惯导初始对准。

Claims (6)

1.一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统的方法，其特征在于，采用的采煤机捷联惯导初始对准系统包括防爆箱(2)、捷联惯导系统(3)、处理器(4)、固定支架(6)和摄像头(7)；所述防爆箱(2)固定安装在采煤机(1)的机身上，捷联惯导系统(6)和处理器(4)安装在防爆箱(2)中，摄像头(7)通过固定支架(6)固定在采煤机(1)一侧的液压支架(5)上，且摄像头(7)的拍摄方向朝着采煤机(1)，具体步骤为：
A、摄像头(7)对采煤机(1)所处的环境拍摄图像，摄像机帧率为25帧/s，并将已拍摄的图像传递给处理器(4)；
B、处理器(4)采用图像灰度模式将已拍摄的图像进行灰度处理，当采煤机(1)在拍摄环境中移动时，拍摄的目标图像发生变化，图像灰度模式的表面运动为光流，根据采煤机1的运动场和光流场的关系，由运动主方向原理，确定出采煤机(1)移动的方向；
C、利用Lucas-Kanade光流法计算采煤机(1)在图像中移动的光流速度，并将计算得出的图像中光流速度转化为采煤机(1)的对地实际速度，记作vb，得到采煤机(1)运动方向上的速度信息；
D、利用捷联惯导的比力系方程，将比力信息投影到惯性坐标系，得到比力相对于惯性空间随地球旋转而引起的方向变化信息，具体比力系方程为：
其中为机体系的角速度、为地球的自转角速度在机体系的投影，vb(t)为采煤机对地速度，为加速度计在机体系测量的比力，gb为机体系的重力加速度；
然后结合步骤C得出的采煤机(1)对地速度，将比力系方程两边同时乘以矩阵，经过整理得到：
其中记：
得到多矢量定姿方程，如下式：
其中，为常值矩阵；
E、选择m个不同积分时刻，在三维空间中构造m个不共面的矢量：
其中，为最优姿态矩阵；为不同积分时刻采煤机的对地速度；
最后采用Whaba最优矩阵即可求解出捷联惯导的初始姿态矩阵，实现捷联惯导系统的初始对准。
2.根据权利要求1所述的一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统的方法，其特征在于，所述处理器(4)包括微处理单元模块、通信模块、报警模块、数据存储模块、隔离电路和供电模块，微处理单元模块分别与通信模块、报警模块、数据存储模块、隔离电路和供电模块相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统的方法，其特征在于，所述处理器(4)中微处理单元模块选用的是TI公司的DSP芯片。
4.根据权利要求2所述的一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统的方法，其特征在于，所述防爆箱(2)为煤矿专用防爆箱。
5.根据权利要求2所述的一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统的方法，其特征在于，所述摄像头(7)与固定支架(6)为铰接。
6.根据权利要求2所述的一种基于光流法的采煤机捷联惯导初始对准系统的方法，其特征在于，所述的捷联惯导系统(3)采用激光捷联惯导系统，其中激光陀螺的随机漂移稳定性为0.01°/h，加速度计的零偏稳定性为10-5g。
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