CN110162036A - 一种掘进机自主导航定位系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掘进机自主导航定位系统及其方法，该系统包括：固定在悬臂式掘进机主体上的SLAM视觉模块和IMU惯导模块；以及利用SLAM视觉模块和IMU惯导模块的掘进机位姿信息结合位姿数据库的导航定位参数，并实现控制掘进机上竖直调整油缸、前铲板调整油缸、横摆调整油缸和后支撑油缸的掘进机位姿控制系统。本发明利用惯性导航和视觉定位的组合并且结合掘进机位姿控制系统中的位姿数据库，有效控制掘进机的偏差量，能够较好的提升掘进机导航定位的精度和实时性，提高巷道施工和成型质量，实现无需外部定位节点辅助的掘进机完全自主导航定位，尤其适用于井下巷道中的综合掘进工况，能够为悬臂式掘进机的智能化和自动化作业提供条件。
Description
技术领域
本发明涉及矿业领域，具体为一种掘进机自主导航定位系统及其方法。
背景技术
煤炭资源是我国最重要的一次性能源，随着煤炭开采机械化水平的不断提高，煤矿井下巷道的开采变得格外重要。悬臂式掘进机作为煤矿井下巷道综合掘进最重要的一种采掘机械，广泛应用于各种类型的巷道掘进中，但掘进工作面临着工作环境恶劣，工人劳动强度大，掘进方向可控性差，掘进巷道成型质量差等难题，故智能化和自动化的综掘技术是巷道掘进发展的必备条件。
为了提升地下矿井巷道的成型质量和巷道掘进水平，悬臂式掘进机的自动导航和精确定位问题首当其冲，很多现有的室内定位技术和方法都要求所用激光装置或无线节点自身准确定位，无法有效在井下深层空间确定掘进机掘进方向和位姿。另外，悬臂式掘进机特有的综掘工艺也要求一种可操作性和适应性更强的自动导航和定位方法，为实现智能化综掘提供技术支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种掘进机自主导航定位系统及其方法，以解决上述背景技术中提出的无法有效在井下深层空间确定掘进机掘进方向和位姿的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种掘进机自主导航定位系统，包括：固定在悬臂式掘进机主体上用于获取掘进机位姿图像的SLAM视觉模块；
用于自动采集掘进机导航位姿参数信息的IMU惯导模块；以及
利用SLAM视觉模块和IMU惯导模块的掘进机位姿信息结合位姿数据库的导航定位参数，并实现控制掘进机上竖直调整油缸、前铲板调整油缸、横摆调整油缸和后支撑油缸的掘进机位姿控制系统；
所述掘进机位姿控制系统包括：多传感器融合微处理器、掘进机位姿数据库和壳体，所述多传感器融合微处理器和掘进机位姿数据库固定在壳体上并通过壳体固定在悬臂式掘进机主体质心上方。
具体来说，所述IMU惯导模块固定安装在SLAM视觉模块正后方，且IMU惯导模块的y轴方向与SLAM视觉模块摄像机深度方向同轴。
其中，所述SLAM视觉模块包括深度双目视觉相机、防爆型LED灯和透明相机防尘罩，深度双目视觉相机固定在掘进机位姿控制系统上方，且其质心布置在悬臂式掘进机主体质心上方，深度双目视觉相机深度方向与悬臂式掘进机中轴线平行且在同一铅垂面内；透明相机防尘罩罩在深度双目视觉相机外侧并固定在掘进机位姿控制系统壳体上；防爆型LED灯布置在深度双目视觉相机镜头前方的透明相机防尘罩上，提供相机照明。
本发明的一个实施例：所述SLAM视觉模块、IMU惯导模块和掘进机位姿控制系统通过透明隔振防爆装置固定在悬臂式掘进机主体上。
本发明还提供一种利用上述的掘进机自主导航定位系统进行施工的方法，包括
a、在任意时间中，IMU惯导模块在掘进机行进过程中实时获取掘进机的位置和姿态信息和使用SLAM视觉模块得到的巷道截面图像特征进行掘进机主体位姿融合对准；
b、将自主导航定位系统工作时间按照巷道截面图像特征划分为N个图像组，每组有M个关键帧图像；
c、将步骤a对准后的信息在多传感器融合微处理器中经过滑窗更新算法和非线性滤波优化处理，以进行掘进机位姿图像关键帧之间的局部位姿优化处理；
d、将步骤a中第一次SLAM视觉模块得到的巷道截面关键帧的图像特征、按照步骤a和步骤c依次运行第M次后处理后的关键帧特征位姿参数和位姿数据库在多传感器融合微处理器进行回环检测计算以减少误差传递，提高定位精度；
e、在每个图像组中，依次循环执行步骤a、b、c、d步骤；
f、在执行N组关键帧图像位姿数据检测后，结合位姿数据库和步骤d中的回环检测的结果，采用图优化方法通过多传感器融合微处理器对掘进机全局位姿进行优化并输出，可以结合所有关键帧图像和特征来优化调节油缸移动的偏差量，用于掘进机位姿调整量的校准；
g、掘进机位姿控制系统将步骤d和步骤f中输出的掘进机位姿信息传递至掘进机主体上的控制阀，由位姿信息调整掘进机竖直调整油缸、前铲板调整油缸、横摆调整油缸和后支撑油缸的伸出量，通过该伸出量对掘进机偏斜位姿作出调整，实现掘进机实时位姿控制及导航。
与现有技术相比，本发明利用惯性导航和视觉定位的组合并且结合掘进机位姿控制系统中的位姿数据库，有效控制掘进机的偏差量。能够较好的提升掘进机导航定位的精度和实时性，提高巷道施工和成型质量，实现无需外部定位节点辅助的掘进机完全自主的连续的导航定位，尤其适用于井下巷道中的综合掘进工况，能够为悬臂式掘进机的智能化和自动化作业提供条件。
附图说明
图1为本发明掘进机自主导航定位及控制系统安装示意图；
图2为掘进机自主导航定位及控制系统施工工作示意图；
图3为掘进机自主导航定位及控制装置结构示意图；
图4为本发明的系统数据处理流程原理框图。
图中：1掘进巷道，2待掘进巷道断面，3掘进机主体，3-1竖直调整油缸，3-2前铲板调整油缸，3-3横摆调整油缸，3-4后支撑油缸，3-5控制阀，4掘进机位姿控制系统，4-1多传感器融合微处理器，4-2位姿数据库，4-3壳体，5IMU惯导模块，6SLAM视觉模块，6-1深度双目视觉相机，6-2防爆型LED灯，6-3透明相机防尘罩，7透明隔振防爆装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～图3所示为一种掘进机自主导航定位系统，
包括：固定在悬臂式掘进机主体3上用于获取掘进机位姿图像的SLAM视觉模块6；用于自动采集掘进机导航位姿参数信息的IMU惯导模块5；以及利用SLAM视觉模块6和IMU惯导模块5的掘进机位姿信息结合位姿数据库4-2的导航定位参数，并实现控制掘进机上竖直调整油缸3-1、前铲板调整油缸3-2、横摆调整油缸3-3和后支撑油缸3-4的掘进机位姿控制系统4。其中，所述IMU惯导模块5固定安装在SLAM视觉模块6正后方，可以使IMU惯导模块5和SLAM视觉模块6两部件承受相同的振动扰动，且IMU惯导模块5的y轴方向与SLAM视觉模块6摄像机深度方向同轴，可以方便惯导和视觉信息的融合转换，并减小处理器的计算量，提升系统位姿信号的准确性和实时性。其中所述SLAM视觉模块6包括深度双目视觉相机6-1、防爆型LED灯6-2和透明相机防尘罩6-3，深度双目视觉相机6-1固定在掘进机位姿控制系统4上方，且其质心布置在悬臂式掘进机主体3质心上方，深度双目视觉相机6-1深度方向与悬臂式掘进机中轴线平行且在同一铅垂面内，可以使得相机镜头能够完整的拍摄到巷道断面，提供更详细精确的位姿特征；防爆型LED灯6-2布置在深度双目视觉相机6-1镜头前方的透明相机防尘罩6-3上，提供相机照明，提升图像的可识别度；透明相机防尘罩6-3罩在深度双目视觉相机6-1外侧并固定在掘进机位姿控制系统壳体4-3上，提供物理防护，隔绝灰尘，减少图像的干扰点，且便于外部清理，SLAM视觉模块6布置在SLAM视觉模块6的质心在掘进机质心正上方，可以减少位姿信息转换过程中出现的杆臂效应。
所述掘进机位姿控制系统4包括：多传感器融合微处理器4-1、掘进机位姿数据库4-2和壳体4-3，所述多传感器融合微处理器4-1和掘进机位姿数据库4-2固定在壳体4-3上并通过壳体4-3固定在悬臂式掘进机主体3质心上方的箱体外侧，这样的放置可以远离掘进机动作部件的干扰，其中掘进机位姿数据库4-2可通过即插即用式存储设备附装在多传感器融合微处理器4-1上，方便数据的读取和传输。而壳体4-3的使用减少掘进机位姿控制系统4零部件的振动并为掘进机位姿控制系统4提供物理防护。
本发明中的SLAM视觉模块6、IMU惯导模块5和掘进机位姿控制系统4通过透明隔振防爆装置7固定在悬臂式掘进机主体3上。透明隔振防爆装置7能够在满足掘进机自主导航定位系统的惯导和视觉模块功能的前提下，提供安全防护，减少系统振动扰动，提升系统导航定位精度。
本发明中，对于一种利用上述掘进机自主导航定位系统进行施工的方法，数据处理流程原理如图4所示，具体的步骤如下：
a、在任意时间中，IMU惯导模块5在掘进机行进过程中实时获取掘进机的位置和姿态信息和使用SLAM视觉模块6得到的巷道截面图像特征进行掘进机主体3位姿融合校准。对于位置和姿态信息包括速度、位置和姿态等。在SLAM视觉模块6使用双目相机拍摄中，会产生很多关键帧的图像；每一个关键帧的图像都会与IMU惯导模块5的信息掘进机主体3中视觉惯导融合对准，确保工作的准确性。
b、将自主导航定位系统工作时间按照巷道截面图像特征划分为N个图像组，每组有M个关键帧图像。
c、为了让校准后的数据更具有可识别度，将步骤a对准后的信息在多传感器融合微处理器4-1中经过滑窗更新算法和非线性滤波优化处理，以进行掘进机位姿图像关键帧之间的局部位姿优化处理。
d、在一组M个关键帧图像生成定位过程中，将步骤a中第一次SLAM视觉模块6得到的巷道截面关键帧的图像特征、按照步骤a和步骤b依次运行第M次后处理后的关键帧特征位姿参数和位姿数据库4-2在多传感器融合微处理器4-1进行回环检测以减少误差传递，这里的第M次处理后的关键帧由于运行时间较长会有一定的数据偏差，再通过与本组M个关键帧图像中SLAM视觉模块6第一次得到的巷道截面关键帧的图像特征对比，可以有效的消除这种偏差，并且这里的回环检测还参考保存在掘进机位姿控制系统中的位姿数据库4-2，确保掘进机在行进过程中的精确定位。
在步骤b中划分的N个图像组中，步骤e在每个关键帧图像组中，依次循环执行步骤a、b、c、d步骤。
f、在执行N组关键帧图像位姿数据检测后，结合位姿数据库4-2和步骤d中的回环检测的结果，采用图优化方法通过多传感器融合微处理器4-1对掘进机全局位姿进行优化并输出。步骤f的目的在于执行完N组关键帧图像检测后，可以结合整组关键帧图像及特征来优化调节油缸移动的偏差量，用于掘进机位姿调整量的校准。
g、掘进机位姿控制系统4将步骤d和步骤f中输出的掘进机位姿信息传递至掘进机主体3上的控制阀3-5中，由位姿信息调整掘进机竖直调整油缸3-1、前铲板调整油缸3-2、横摆调整油缸3-3和后支撑油缸3-4的伸出量，通过该伸出量对掘进机偏斜位姿作出调整，实现掘进机实时位姿控制及导航。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种掘进机自主导航定位系统，其特征在于，
包括：固定在悬臂式掘进机主体(3)上用于获取掘进机位姿图像的SLAM视觉模块(6)；
用于自动采集掘进机导航位姿参数信息的IMU惯导模块(5)；以及
利用SLAM视觉模块(6)和IMU惯导模块(5)的掘进机位姿信息结合位姿数据库(4-2)的导航定位参数，并实现控制掘进机上竖直调整油缸(3-1)、前铲板调整油缸(3-2)、横摆调整油缸(3-3)和后支撑油缸(3-4)的掘进机位姿控制系统(4)；
所述掘进机位姿控制系统(4)包括：多传感器融合微处理器(4-1)、掘进机位姿数据库(4-2)和壳体(4-3)，所述多传感器融合微处理器(4-1)和掘进机位姿数据库(4-2)固定在壳体(4-3)上并通过壳体(4-3)固定在悬臂式掘进机主体(3)质心上方。
2.根据权利要求1所述的掘进机自主导航定位系统，其特征在于：所述IMU惯导模块(5)固定安装在SLAM视觉模块(6)正后方，且IMU惯导模块(5)的y轴方向与SLAM视觉模块(6)摄像机深度方向同轴。
3.根据权利要求1所述的掘进机自主导航定位系统，其特征在于：所述SLAM视觉模块(6)包括深度双目视觉相机(6-1)、防爆型LED灯(6-2)和透明相机防尘罩(6-3)，深度双目视觉相机(6-1)固定在掘进机位姿控制系统(4)上方，且其质心布置在悬臂式掘进机主体(3)质心上方，深度双目视觉相机(6-1)深度方向与悬臂式掘进机中轴线平行且在同一铅垂面内；透明相机防尘罩(6-3)罩在深度双目视觉相机(6-1)外侧并固定在掘进机位姿控制系统壳体(4-3)上；防爆型LED灯(6-2)布置在深度双目视觉相机(6-1)镜头前方的透明相机防尘罩(6-3)上，提供相机照明。
4.根据权利要求1所述的掘进机自主导航定位系统，其特征在于：所述SLAM视觉模块(6)、IMU惯导模块(5)和掘进机位姿控制系统(4)通过透明隔振防爆装置(7)固定在悬臂式掘进机主体(3)上。
5.一种利用权利要求1所述的掘进机自主导航定位系统进行施工的方法，其特征在于，包括
a、在任意时间中，IMU惯导模块(5)在掘进机行进过程中实时获取掘进机的位置和姿态信息和使用SLAM视觉模块(6)得到的巷道截面图像特征进行掘进机主体(3)位姿融合对准；
b、将自主导航定位系统工作时间按照巷道截面图像特征划分为N个图像组，每组有M个关键帧图像；
c、将步骤a对准后的信息在多传感器融合微处理器(4-1)中经过滑窗更新算法和非线性滤波优化处理，以进行掘进机位姿图像关键帧之间的局部位姿优化处理；
d、将步骤a中第一次SLAM视觉模块(6)得到的巷道截面关键帧的图像特征、按照步骤a和步骤c依次运行第M次后处理后的关键帧特征位姿参数和位姿数据库(4-2)在多传感器融合微处理器(4-1)进行回环检测计算以减少误差传递，提高定位精度；
e、在每个图像组中，依次循环执行步骤a、b、c、d步骤；
f、在执行N组关键帧图像位姿数据检测后，结合位姿数据库(4-2)和步骤d中的回环检测的结果，采用图优化方法通过多传感器融合微处理器(4-1)对掘进机全局位姿进行优化并输出；
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