CN110017817B - 一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位方法和装置 - Google Patents

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CN110017817B CN201910068667.8A CN201910068667A CN110017817B CN 110017817 B CN110017817 B CN 110017817B CN 201910068667 A CN201910068667 A CN 201910068667A CN 110017817 B CN110017817 B CN 110017817B
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Abstract

本发明公开了一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置和方法，利用巷道顶板上锚杆托盘等特征，解决了现有导航定位方法的不足和局限；测量中主要用到工业摄像机及数据采集和处理系统等装备，具有初始化完成后不依赖激光指向仪和人工干预的高度自主、高精度、高可靠性等优点，适用于煤矿井下掘进机及其它移动平台的无人驾驶场合。

Description

一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位方法和装置
技术领域
本发明涉及导航定位领域，尤其涉及一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位方法和装置。
背景技术
煤矿巷道尤其是主巷道使用时间一般长达数年甚至数十年，因此对巷道成型精度有较高要求，GB 50213-2010《煤炭井巷工程质量验收规范》中规定“基础掘进断面规格的允许偏差为-25mm～+150mm”。传统掘进工艺中，由悬挂在掘进机后方巷道顶板上的激光指向仪投射出经过方向标定的激光束在巷道断面上形成光斑，掘进机司机需要以这一光斑为基准进行断面测量、截割和巷道掘进才能保证巷道走向与设计方向一致，为实现这一目标，掘进机司机需要在截割过程中多次停机测量，或者依靠经验控制截割断面，而激光指向仪也需要随着巷道推进频繁前移以保证指向精度，而每次前移都需要进行繁琐的位置和指向调整和标定；另一方面，掘进工作面是煤矿井下事故率最高、环境最恶劣、作业人数最多的作业场合之一，因此，掘进工作面自动化无人化具有迫切需求，其中掘进机自主导航定位是关键技术之一。
煤矿井下巷道顶板均需要按照规定间距和行距进行支护，支护方式是在顶板钻孔后，将锚杆插入钻孔，利用锚固剂固定锚杆后，在锚杆端头用锁紧螺母将标准化的正方形托盘压紧在顶板上。锚杆的间距和行距大约为800mm，托盘一般为边长为150mm的正方形钢板。本发明以巷道顶板上的托盘为特征进行巷道内移动装备的导航定位。
公告号为CN101819036A的发明专利“一种掘进机的空间位姿自动测量方法”，该专利提出了一种针对掘进机在煤矿井下狭小巷道空间内的位姿测量方法。从技术原理上讲，该专利提供的检测方案属于“机器视觉位姿检测法”的一种。该方案将机器视觉技术引入煤巷综掘面，试图解决掘进机在巷道内的位姿检测问题。技术原理可行，但工程实际应用价值较低。由于煤巷综掘面工作环境特殊，机器视觉目前只应用于对掘进工况的监视上，直接用于位姿精确检测具有较大的实际应用难度。
公告号为CN101266134A的发明专利“悬臂掘进机头位姿的测量系统及其方法”，该专利提出了一种针对悬臂掘进机截割头空间位置的检测技术。由于该方案试图检测截割头在巷道绝对坐标系中的位置，因此整套系统中也涉及到对掘进机机身位姿的确定工作。该技术方案实质是“基于全站仪测绘的位姿检测技术”与“基于位姿敏感器的位姿检测技术”的一种综合应用。该方案能够测得机身的三个角度位姿，以及截割头在巷道坐标系中的绝对位置，但无法获得掘进机机身基于巷道设计方向轴线的偏向位移。此外，该技术中检测装置的经济成本过高，且有效检测距离过短，实际工程应用时工序繁琐、综合应用成本较高。
公告号为CN101975063A的发明专利“掘进机激光引导定位定向装置方法”该发明是在掘进机后面的巷道顶板上设置一个激光导向装置，在悬臂上安装一个激光接收器，激光接收器将接收到的光信号转化为成电压信号并进行放大，经模数转换器转换为数字信号，再经单片机程序运算和处理后，即可输出掘进机偏离激光引导方向的偏差和掘进悬臂对准掘进断面中心坐标的信息，对悬臂截割头定位。
公告号为CN102589514A的发明专利“掘进机位姿参数测量装置及其方法”，该发明涉及一种掘进机机身的位姿参数的测量装置及其方法。由激光指向仪、掘进机水平盖板、定位装置、激光接收光栅、可编程控制器、回转装置及其机架、伺服驱动装置、安全保护罩、清理刷等组成。激光指向仪指示出当前的巷道基准。工作时，由伺服驱动装置带动两个激光接收光栅先后做回转运动，当接收到激光指向仪发射的激光束时，记录下两组转角和两组距离，并返回初始位置。而两个光栅间的距离固定为ΔL，通过运算便可得到掘进机机身的五个参数：掘进机相对于巷道中心线的左右偏移、上下偏移、相对于掘进机机身中心的摇摆角、俯仰角、偏转角。
上述公开发明均与本发明公开的解决方案不同，且无法很好地解决本发明中提到的应用问题。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置和装置。
本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置，包括：
拍摄模块，设置于行进于煤矿巷道中的掘进机机身，成像器件对称轴与掘进机机身对称轴方向一致，且成像器件镜头朝向掘进机机身正上方，用于实时拍摄巷道顶板特征；
分析模块，连接拍摄模块，用于设定图像提取时间点，并在预设的图像提取时间点提取拍摄模块拍摄的巷道顶板特征得到的图像，根据摄影测量法，计算相邻的图像提取时间点时刻的两幅图像中，拍摄模块相对巷道顶板特征的相对空间位姿参数，获得拍摄模块在相邻的图像提取时间点的空间位姿改变量；
定位模块，用于获取掘进机行进初始时刻拍摄模块的初始空间位姿参数，通过将初始空间位姿参数与分析模块计算得到的多个相邻的图像提取时间点的空间位姿改变量叠加，得到掘进机的实时绝对空间位姿参数。
其中，拍摄模块为工业摄像机，设置于巷道顶部的巷道顶板特征为巷道顶部的锚杆托盘，且工业摄像机的拍摄视场至少覆盖2个巷道顶部的锚杆托盘。
其中，若在工业摄像机的拍摄视场覆盖沿掘进机行进方向设置的第一锚杆托盘和第二锚杆托盘，则在掘进机的行进过程中，分析模块分别解算工业摄像机与两个锚杆托盘的相对空间位姿，以相邻的图像提取时间点计算得到的第一锚杆托盘与工业摄像机之间的相对空间位姿作为空间位姿改变量。
其中，当第一锚杆托盘距离工业摄像机的视场边缘距离小于等于预设距离时，分析模块计算相邻的图像提取时间点计算得到的第一锚杆托盘与工业摄像机之间的相对空间位姿，作为空间位姿改变量，当第一锚杆托盘完全从工业摄像机的拍摄视场中消失时，将第二锚杆托盘作为第一锚杆托盘，并将新进入工业摄像机拍摄视场的锚杆托盘作为第二锚杆托盘。
本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位方法，利用如前述技术方案所述的煤矿巷道导航定位装置进行煤矿巷道导航定位，包括：
分别在巷道、工业摄像机及第一锚杆托盘和第二锚杆托盘上选取中心点，并以选取的中心点为坐标原点，建立巷道、工业摄像机及第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的空间直角坐标系；
利用定位模块获取掘进机行进初始时刻t＝t0拍摄模块的初始空间位置坐标为(x0,y0,z0，初始横滚角为α0，初始俯仰角为β0，初始偏航角为γ0；
设t＝t0时，掘进机位于煤矿巷道起点处，通过工业摄像机采集第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的图像，测得工业摄像机相对第一锚杆托盘的位置坐标为
Figure BDA0001956557750000041
及相对第一锚杆托盘的横滚角为
Figure BDA0001956557750000042
俯仰角为
Figure BDA0001956557750000043
偏航角为
Figure BDA0001956557750000044
工业摄像机相对第二锚杆托盘的位置坐标为
Figure BDA0001956557750000045
相对第二锚杆托盘的横滚角为
Figure BDA0001956557750000046
俯仰角为
Figure BDA0001956557750000047
偏航角为
Figure BDA0001956557750000048
设t＝t1时，掘进机行进至下一个位置，再次通过工业摄像机采集第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的图像，当第一锚杆托盘部分移出工业摄像机视场时，测得工业摄像机相对第二锚杆托盘位置坐标为
Figure BDA0001956557750000049
工业摄像机相对第二锚杆托盘的横滚角为
Figure BDA00019565577500000410
俯仰角为
Figure BDA00019565577500000411
偏航角为
Figure BDA00019565577500000412
则t＝t1时刻工业摄像机的绝对位置为
Figure BDA00019565577500000413
工业摄像机的绝对横滚角为
Figure BDA00019565577500000414
绝对俯仰角为
Figure BDA00019565577500000415
绝对偏航角为
Figure BDA0001956557750000051
设t＝t2时，掘进机行进至下一个位置，新的锚杆托盘进入工业摄像机视场，作为新的第二锚杆托盘，原第二锚杆托盘成为第一锚杆托盘，采集新的第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的图像，测得工业摄像机相对新的第一锚杆托盘的位置坐标为
Figure BDA0001956557750000052
相对新的第一锚杆托盘的横滚角为
Figure BDA0001956557750000053
俯仰角为
Figure BDA0001956557750000054
偏航角为
Figure BDA0001956557750000055
工业摄像机相对新的第二锚杆托盘的位置坐标为
Figure BDA0001956557750000056
相对新的锚杆托盘的横滚角为
Figure BDA0001956557750000057
俯仰角为
Figure BDA0001956557750000058
偏航角为
Figure BDA0001956557750000059
则t＝t2时刻，工业摄像机的绝对位置为
Figure BDA00019565577500000510
绝对横滚角为
Figure BDA00019565577500000511
绝对俯仰角为
Figure BDA00019565577500000512
绝对偏航角为
Figure BDA00019565577500000513
区别于现有技术，本发明的基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置和方法利用巷道顶板上锚杆托盘等特征，解决了现有导航定位方法的不足和局限；测量中主要用到工业摄像机及数据采集和处理系统等装备，具有初始化完成后不依赖激光指向仪和人工干预的高度自主、高精度、高可靠性等优点，适用于煤矿井下掘进机及其它移动平台的无人驾驶场合。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置的结构示意图；
图2是本发明提供的一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置的工业摄像机视场的示意图；
图3是本发明提供的一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置中构建坐标系的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
参阅图1，图1是本发明提供的一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置的结构示意图。该装置包括：
拍摄模块110，设置于行进于煤矿巷道中的掘进机101机身，成像器件对称轴与掘进机机身对称轴方向一致，且成像器件镜头朝向掘进机机身正上方，用于实时拍摄巷道顶板特征。
分析模块120，连接拍摄模块110，用于设定图像提取时间点，并在预设的图像提取时间点提取拍摄模块拍摄的巷道顶板特征得到的图像，根据摄影测量法，计算相邻的图像提取时间点时刻的两幅图像中，拍摄模块相对巷道顶板特征的相对空间位姿参数，获得拍摄模块在相邻的图像提取时间点的空间位姿改变量。
定位模块130，一般采用煤矿常用的全站仪，用于获取掘进机行进初始时刻拍摄模块的初始空间位姿参数，通过将初始空间位姿参数与分析模块计算得到的多个相邻的图像提取时间点的空间位姿改变量叠加，得到掘进机的实时绝对空间位姿参数。
测量的初始时刻，利用地测数据并通过全站仪或其他方式测量得到掘进机的绝对空间位姿参数。由于作为拍摄模块110的工业摄像机设置于掘进机机身上，因此将掘进机的绝对空间位姿参数作为拍摄模块110的绝对空间位姿参数。由定位模块130获取初始时刻工业摄像机相对锚杆托盘的空间位姿参数，则在掘进机行进过程中，连续采集锚杆托盘图像，通过图像识别和分析，获得每一时刻摄像机相对锚杆托盘的相对空间位姿参数，将相邻时刻的摄像机位姿参数改变量与掘进机在初始时刻的绝对空间位姿参数相叠加可获得掘进机的实时绝对空间位姿参数，从而实现不依赖激光指向仪和人工干预的自主导航定位。
掘进机连续行进过程中，工业摄像机视场需覆盖至少两个锚杆托盘，如图2所示，分别解算工业摄像机与两个锚杆托盘的相对空间位姿，如图2中掘进机以图示方向前进时，以图像左半区域中锚杆托盘(设定为第一锚杆托盘)图像特征获得相对位姿参数，并与上一时刻同一锚杆托盘相对位姿参数相比较，获得两个相邻时刻间工业摄像机的位姿参数增量；当图像左半区域中锚杆托盘特征即将从图像中移出时，以右半区域锚杆托盘特征获得相对位姿参数与上一时刻同一锚杆托盘相对位姿参数相比较获得两个相邻时刻间工业摄像机的位姿参数增量。
通过预先标定工业摄像机与掘进机机身之间的相对位置和相对姿态，可将工业摄像机相对锚杆托盘的相对空间位姿参数转换为掘进机机身相对锚杆托盘的相对空间位姿参数，通过与初始时刻掘进机机身空间位姿参数相叠加，即可得到掘进机机身每一时刻的绝对空间位姿参数，从而完成自主导航定位。
此外，本发明提供了一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位方法，利用如前述技术方案所述的煤矿巷道导航定位装置进行煤矿巷道导航定位，其步骤包括：
分别在巷道、工业摄像机及第一锚杆托盘和第二锚杆托盘上选取中心点，并以选取的中心点为坐标原点，建立巷道、工业摄像机及第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的空间直角坐标系。坐标系示意图如图3所示。
设t＝t0时，掘进机位于煤矿巷道起点处，通过工业摄像机采集第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的图像，测得工业摄像机相对第一锚杆托盘的位置坐标为
Figure BDA0001956557750000071
及相对第一锚杆托盘的横滚角为
Figure BDA0001956557750000072
俯仰角为
Figure BDA0001956557750000073
偏航角为
Figure BDA0001956557750000074
工业摄像机相对第二锚杆托盘的位置坐标为
Figure BDA0001956557750000075
相对第二锚杆托盘的横滚角为
Figure BDA0001956557750000076
俯仰角为
Figure BDA0001956557750000077
偏航角为
Figure BDA0001956557750000078
设t＝t1时，掘进机行进至下一个位置，再次通过工业摄像机采集第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的图像，当第一锚杆托盘部分移出工业摄像机视场时，测得工业摄像机相对第二锚杆托盘位置坐标为
Figure BDA0001956557750000079
工业摄像机相对第二锚杆托盘的横滚角为
Figure BDA00019565577500000710
俯仰角为
Figure BDA0001956557750000081
偏航角为
Figure BDA0001956557750000082
则t＝t1时刻工业摄像机的绝对位置为
Figure BDA0001956557750000083
工业摄像机的绝对横滚角为
Figure BDA0001956557750000084
绝对俯仰角为
Figure BDA0001956557750000085
绝对偏航角为
Figure BDA0001956557750000086
设t＝t2时，掘进机行进至下一个位置，新的锚杆托盘进入工业摄像机视场，作为新的第二锚杆托盘，原第二锚杆托盘成为第一锚杆托盘，采集新的第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的图像，测得工业摄像机相对新的第一锚杆托盘的位置坐标为
Figure BDA0001956557750000087
相对新的第一锚杆托盘的横滚角为
Figure BDA0001956557750000088
俯仰角为
Figure BDA0001956557750000089
偏航角为
Figure BDA00019565577500000810
工业摄像机相对新的第二锚杆托盘的位置坐标为
Figure BDA00019565577500000811
相对新的锚杆托盘的横滚角为
Figure BDA00019565577500000812
俯仰角为
Figure BDA00019565577500000813
偏航角为
Figure BDA00019565577500000814
则t＝t2时刻，工业摄像机的绝对位置为
Figure BDA00019565577500000815
绝对横滚角为
Figure BDA00019565577500000816
绝对俯仰角为
Figure BDA00019565577500000817
绝对偏航角为
Figure BDA00019565577500000818
t＝t3及其后，摄像机的绝对位置和绝对姿态计算同上。
设托盘角点P在托盘坐标系中的坐标为(Xo,Yo,Zo)，(u,v)是点P所对应的像点p在图像物理坐标系中的坐标，则有，
Figure BDA00019565577500000819
其中，M＝(r11/tz,r12/tz,r21/tz,r22/tz,r31/tz,r32/tz,tx/tz,ty/tz)T (2)
f表示工业摄像机镜头焦距，tx、ty、tz表示工业摄像机相对第一锚杆托盘的空间位置，r11表示摄像机相对第一托盘空间姿态旋转矩阵中第一行第一列的元素，其余类推。设
Figure BDA00019565577500000820
Figure BDA00019565577500000821
则上式中包含八个未知数，由于一个特征点可提供两个方程，故给定四个不共线的特征点(托盘四个角点正好满足这一要求)，上述方程即存在唯一解，根据旋转矩阵的单位正交性，可得：
工业摄像机在锚杆托盘坐标系ZO方向上距离
Figure BDA0001956557750000091
工业摄像机在锚杆托盘坐标系横轴XO方向偏移距离
X＝m7·(f-Z) (5)
工业摄像机在锚杆托盘坐标系纵轴YO方向偏移距离
Y＝m8·(f-Z) (6)
工业摄像机在锚杆托盘坐标系中偏航角
θ＝-arcsin(m5·(f-Z)) (7)
工业摄像机在锚杆托盘坐标系中横滚角
Figure BDA0001956557750000092
工业摄像机在锚杆托盘坐标系中俯仰角
Figure BDA0001956557750000093
通过计算得到上述6个参数，从而实现对掘进机的定位。
区别于现有技术，本发明的基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置和方法利用巷道顶板上锚杆托盘等特征，解决了现有导航定位方法的不足和局限；测量中主要用到工业摄像机及数据采集和处理系统等装备，具有初始化完成后不依赖激光指向仪和人工干预的高度自主、高精度、高可靠性等优点，适用于煤矿井下掘进机及其它移动平台的无人驾驶场合。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置，其特征在于，包括：
拍摄模块，设置于行进于煤矿巷道中的掘进机机身，成像器件对称轴与掘进机机身对称轴方向一致，且成像器件镜头朝向掘进机机身正上方，用于实时拍摄巷道顶板特征；所述拍摄模块为工业摄像机，设置于巷道顶部的巷道顶板特征为巷道顶部的锚杆托盘，且工业摄像机的拍摄视场至少覆盖2个巷道顶部的锚杆托盘；
分析模块，连接拍摄模块，用于设定图像提取时间点，并在预设的图像提取时间点提取拍摄模块拍摄的巷道顶板特征得到的图像，根据摄影测量法，计算相邻的图像提取时间点时刻的两幅图像中，拍摄模块相对巷道顶板特征的相对空间位姿参数，获得拍摄模块在相邻的图像提取时间点的空间位姿改变量；
若在工业摄像机的拍摄视场覆盖沿掘进机行进方向设置的第一锚杆托盘和第二锚杆托盘，则在掘进机的行进过程中，分析模块分别解算工业摄像机与两个锚杆托盘的相对空间位姿，以相邻的图像提取时间点计算得到的第一锚杆托盘与工业摄像机之间的相对空间位姿作为空间位姿改变量；
定位模块，用于获取掘进机行进初始时刻拍摄模块的初始空间位姿参数，通过将初始空间位姿参数与分析模块计算得到的多个相邻的图像提取时间点的空间位姿改变量叠加，得到掘进机的实时绝对空间位姿参数；
当第一锚杆托盘距离工业摄像机的视场边缘距离小于等于预设距离时，分析模块计算相邻的图像提取时间点计算得到的第一锚杆托盘与工业摄像机之间的相对空间位姿，作为空间位姿改变量，当第一锚杆托盘完全从工业摄像机的拍摄视场中消失时，将第二锚杆托盘作为第一锚杆托盘，并将新进入工业摄像机拍摄视场的锚杆托盘作为第二锚杆托盘。
2.一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位方法，利用如权利要求1所述的煤矿巷道导航定位装置进行煤矿巷道导航定位，其特征在于，包括：
分别在巷道、工业摄像机及第一锚杆托盘和第二锚杆托盘上选取中心点，并以选取的中心点为坐标原点，建立巷道、工业摄像机及第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的空间直角坐标系；
利用定位模块获取掘进机行进初始时刻t＝t0拍摄模块的初始空间位置坐标为(χO，yO，zO)，初始横滚角为α0，初始俯仰角为β0，初始偏航角为γ0；
设t＝t0时，掘进机位于煤矿巷道起点处，通过工业摄像机采集第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的图像，测得工业摄像机相对第一锚杆托盘的位置坐标为
Figure FDA0003057187180000021
及相对第一锚杆托盘的横滚角为
Figure FDA0003057187180000022
俯仰角为
Figure FDA0003057187180000023
偏航角为
Figure FDA0003057187180000024
工业摄像机相对第二锚杆托盘的位置坐标为
Figure FDA0003057187180000025
相对第二锚杆托盘的横滚角为
Figure FDA0003057187180000026
俯仰角为
Figure FDA0003057187180000027
偏航角为
Figure FDA0003057187180000028
设t＝t1时，掘进机行进至下一个位置，再次通过工业摄像机采集第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的图像，当第一锚杆托盘部分移出工业摄像机视场时，测得工业摄像机相对第二锚杆托盘位置坐标为
Figure FDA0003057187180000029
工业摄像机相对第二锚杆托盘的横滚角为
Figure FDA00030571871800000210
俯仰角为
Figure FDA00030571871800000211
偏航角为
Figure FDA00030571871800000212
则t＝t1时刻工业摄像机的绝对位置为
Figure FDA00030571871800000213
工业摄像机的绝对横滚角为
Figure FDA00030571871800000214
绝对俯仰角为
Figure FDA00030571871800000215
绝对偏航角为
Figure FDA00030571871800000216
设t＝t2时，掘进机行进至下一个位置，新的锚杆托盘进入工业摄像机视场，作为新的第二锚杆托盘，原第二锚杆托盘成为第一锚杆托盘，采集新的第一锚杆托盘和第二锚杆托盘的图像，测得工业摄像机相对新的第一锚杆托盘的位置坐标为
Figure FDA00030571871800000217
相对新的第一锚杆托盘的横滚角为
Figure FDA00030571871800000218
俯仰角为
Figure FDA00030571871800000219
偏航角为
Figure FDA00030571871800000220
工业摄像机相对新的第二锚杆托盘的位置坐标为
Figure FDA0003057187180000031
相对新的锚杆托盘的横滚角为
Figure FDA0003057187180000032
俯仰角为
Figure FDA0003057187180000033
偏航角为
Figure FDA0003057187180000034
则t＝t2时刻，工业摄像机的绝对位置为
Figure FDA0003057187180000035
绝对横滚角为
Figure FDA0003057187180000036
绝对俯仰角为
Figure FDA0003057187180000037
绝对偏航角为
Figure FDA0003057187180000038
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