CN110231626B - 一种采煤机定位监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采煤机定位监测系统及其监测方法。采煤机定位监测系统包括智能定位监测装置、定位靶和上位机。智能定位监测装置包括一台2维激光雷达、一台数字摄像机、一个3轴倾角传感器及测控微机。当采煤机在刮板输送机上行走作业处于不同位置时，测控微机控制2维激光雷达对其侧向的定位靶进行扫描测距，利用测距结果可确定采煤机在工作面的纵向位置坐标及航向角；数字摄像机对侧向的定位靶进行拍摄，利用图像识别确定定位靶编号及定位靶相对摄像机的位移，可确定采煤机在工作面的横向位置坐标；3轴倾角传感器监测采煤机的俯仰角和翻滚角，实现对采煤机姿态的监测。本发明的采煤机定位监测系统及方法系统简单，性能可靠，定位精度高。

Description

一种采煤机定位监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种采煤机的定位监测系统及方法，特别涉及一种在煤矿井下综采工作面基于机器视觉与激光雷达融合技术实现的采煤机定位监测系统及方法。

技术背景

综采工作面是煤矿井下生产的关键环节之一。要建设智能化综采工作面、实现采煤工作面设备的远程智能控制，必须对采煤机在综采工作面的位置进行实时、准确地监测，以便及时发现异常，合理处置，保证连续安全生产。

目前采煤机定位监测方法主要包括红外监测法、齿轮计数法、超声波反射法、无线定位法、惯性导航监测法及上述若干方法组合监测方法。其中，红外监测法是在采煤机机身安装红外发射装置，液压支架上安装红外接收装置，通过接收装置对接收信号的强弱进行分析，从而判断采煤机具体位置，但不能连续监测采煤机位置，并且由于干扰因素众多，不能做到精确定位；齿轮计数法是通过行走部齿轮转动的圈数来计数，并根据液压支架来确定采煤机位置，但由于采煤机行进过程中并非直线行走，部分轨道(即刮板输送机中部槽)可能为弯曲状态，而齿轮计数法只能监测路程，因此造成定位不准确；惯性定位法(INS)是利用加速度计和陀螺仪得出采煤机的轴加速度和轴角速度，然后利用算法来确定采煤机的位置，但INS、SINS定位方法用在飞行器、汽车等高速行进物体定位精度高，而采煤机行进速度低、机体各向震动较大，导致定位累计误差大难以满足生产定位要求；UWB等无线定位方法理论定位精度虽然较高，但受到井下采掘空间的空间狭小、机电设备多、电磁环境复杂等影响，实际定位精度>10cm。现有方法不能实现对综采工作面采煤机的精确定位。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中采煤机定位监测精度低的不足，提出了一种基于机器视觉与激光雷达融合技术的采煤机定位监测系统及方法，实现对综采工作面采煤机定位的高精度监测。

技术方案

采煤机定位监测系统包括智能定位监测装置、定位靶、上位机。智能定位监测装置包括2维激光雷达、数字摄像机、3轴倾角传感器及测控微机；所述的2维激光雷达和数字摄像机均安装在智能定位监测装置壳体外部，且均指向定位靶；3轴倾角传感器固定在测控微机的电路板上，测控微机固定安装在智能定位监测装置壳体内部，3轴倾角传感器在采煤机行进过程中可以监测到采煤机的俯仰角和翻滚角，实现对采煤机姿态的监测；测量时将智能定位监测装置固定安装在采煤机机身邻近液压支架一侧的侧面中部，并在周围加装护板防止磕碰以及减少煤尘和水雾的影响。所述的定位靶是一个宽度与工作面单台液压支架等宽、高度为1米的长方形金属板，金属板朝向采煤机的一侧为黑色底面、表面喷涂白色液压支架条码和格状图案，每个定位靶均固定在液压支架立柱前端的底座相同位置，测量时智能定位监测装置的激光雷达和数字摄像机与定位靶之间应无任何阻挡；所述的上位机装设在智能综采工作面监控中心，负责对智能定位监测装置上传数据的接收、存储、分析及控制。

当综采工作面的采煤机在刮板输送机上行走作业处于不同位置时，由智能定位监测装置的测控微机发出控制指令，控制激光雷达对其侧向的定位靶进行一定角度范围内的扫描测距，形成对周围邻近的定位靶表面距离和角度参数的点云数据，将该点云数据通过Hough变换获得临近区域定位靶平面与激光扫描平面的相交直线方程，由直线方程及水平倾角进一步解算出激光雷达与定位靶的距离关系及航向角，由此确定采煤机在工作面的纵向(Y轴方向)位置坐标。同时，智能定位监测装置的数字摄像机对侧向的定位靶进行拍摄，形成的数字图像由测控微机上传到上位机，上位机对图像进行校正及识别，确定定位靶编号及定位靶相对摄像机的移动距离，从而确定采煤机在工作面的横向(X轴方向)位置坐标。

上位机通过测控微机上传的数据和图像进行处理，确定采煤机在工作面的位置，实现精确定位。

有益效果：本发明提出的一种采煤机定位监测系统及方法，采用基于机器视觉与激光雷达融合技术实现，激光雷达测距与机器视觉定位精度均可以达到1mm，对采煤机定位精度显著优于与已有的测量方法，并且系统结构简单，安装维护方便，可靠性高。

附图说明

图1是本发明的采煤机定位监测系统示意图。

图2是本发明的采煤机智能定位监测装置结构示意图。

图3是本发明的定位靶示意图。

图4是本发明的定位原理示意图。

图中：1-采煤机；2-智能定位监测装置，201-2维激光雷达，202-数字摄像机，203-测控微机，204-3轴倾角传感器；3-定位靶；4-液压支架；5-刮板输送机；6-上位机。

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。

本发明提出的一种采煤机的定位监测系统如图1所示，采煤机定位监测系统包括：智能定位监测装置2、定位靶3及上位机6；智能定位监测装置2固定安装在采煤机1机身邻近液压支架4一侧的侧面中部，并在周围加装防护钢板防止磕碰以及减少煤尘和水雾对智能定位监测装置的影响。

如图2所示，智能定位监测装置2包括2维激光雷达201、数字摄像机202、测控微机203、3轴倾角传感器204；所述的3轴倾角传感器204安装在测控微机203上，测控微机203主板固定在智能定位监测装置2的壳体内部，在采煤机1行进过程中，3轴倾角传感器204可以监测到采煤机的俯仰角(设为β)和横滚角(设为θ)，实现对采煤机姿态的监测。

如图3所示，定位靶3是一个长方形金属板，宽度与工作面单台液压支架等宽，高度为1米；金属板底面为黑色，在表面喷涂白色的定位信息，包括上部的条形码和下部的格状图案，其中条形码代表不同液压支架的定位靶编号，格状图案用于测距定位；定位靶3垂直固定安装在液压支架4的液压立柱前端的底座上，方向与工作面X轴走向平行，安装高度应保证数字摄像机正对时可以拍摄到完整的定位靶；智能定位监测装置2工作时数字摄像机和定位靶3之间应无任何阻挡。

当采煤机1在刮板输送机5上作业行走时，所述的智能定位监测装置2的测控微机203控制2维激光雷达201对侧向的若干临近定位靶进行扫描测距，输出一组点云数据，表示扫描时激光照射到各定位靶表面的离散点到测量点的距离和旋转夹角，表示为(r_i，α_i)(i＝1,2,3，...，n)。通过对2维激光雷达201输出的点云数据通过Hough变换获得临近区域定位靶平面与激光扫描平面的相交直线方程，由直线方程进一步解算出激光雷达与定位靶的距离关系及航向角，由此确定采煤机在工作面的Y轴向位置坐标。同时，智能定位监测装置2的数字摄像机202对侧向的定位靶3进行拍摄，形成的数字图像由测控微机203上传到上位机6，上位机6对图像进行校正及识别，确定定位靶编号及定位靶相对摄像机的移动距离，从而确定采煤机在工作面的X轴向位置坐标。上位机通过对测控微机上传的数据和图像进行处理，确定采煤机在工作面的位置，实现精确定位。

所述的一种采煤机定位监测方法，包括如下步骤：

步骤1：如图1所示，采煤机1在刮板输送机5上行走作业，在工作面的位置发生变化，利用智能定位监测装置2的测控微机203控制2维激光雷达201对侧向的若干临近定位靶进行扫描测距，激光扫描雷达输出一组点云数据，表示扫描时激光照射到各定位靶表面的离散点到测量点的距离和旋转夹角，可表示为(r_i，α_i)(i＝1,2,3，...，n)，α角以机身前进方向为0°(初始时刻0°即X轴正方向)，顺时针方向旋转为正；由测距结果中距离r最小时对应的角α，可知该位置采煤机的航向角

步骤2：对点云数据(r_i，α_i)(i＝1,2,3，...，n)通过Hough变换获得临近区域若干定位靶平面与激光扫描平面的相交直线线段方程，表示为L₁、L₂、L₃、...，如图4所示；若相邻的定位靶靶面在一个近似连续平面上，则其对应的直线线段近似连续，如图4中的L₁和L₂；若相邻的定位靶靶面处于非连续平面上，则其对应的直线线段如图4中的L₂、L₃、L₄等。采煤机1在刮板输送机5上连续行走，利用激光雷达201测的点云数据，通过Hough变换和坐标变换建立工作面所有定位靶的直线线段方程，表示为L₁、L₂、...、L_n，由各定位靶的直线线段方程，可知各直线线段在Y轴方向的位移，分别表示为ΔY₁、ΔY₂、...、ΔY_n。

步骤3：由智能监测装置2的的数字摄像机202对其侧向的定位靶进行拍照成像，形成的数字图像由测控微机203上传到上位机6，上位机6对上传的图像经过图像倾斜校正处理及特征识别，则可确定该时刻数字摄像机202其侧向正对(Y方向)的定位靶编号(表示为K)及该定位靶与数字摄像机202的相对位移(表示为M)；设定位靶宽度均为W，采煤机在初始直线段行走时激光雷达扫描测距输出的最小距离为H。将采煤机坐标简化为一个点，该点具体对应为采煤机上安装的智能定位监测装置2的中心位置，则采煤机坐标可表示为(K×W+M，H+ΔY_K)，即采煤机在工作面的位置坐标。

Claims (1)

1.一种采煤机定位监测方法，其特征是：所述监测方法基于监测系统实施，所述监测系统包括智能定位监测装置、定位靶和上位机；所述的智能定位监测装置包括一台2维激光雷达、一台数字摄像机、一个3轴倾角传感器及测控微机；所述的2维激光雷达和数字摄像机均安装在智能定位监测装置壳体外部，且均指向定位靶；所述的3轴倾角传感器固定在测控微机的电路板上，测控微机固定安装在智能定位监测装置壳体内部，3轴倾角传感器在采煤机行进过程中可以监测到采煤机的俯仰角和翻滚角，实现对采煤机姿态的监测；所述的定位靶是一个宽度与工作面单台液压支架等宽、高度相同的长方形金属板，金属板朝向采煤机的一侧为黑色底面、表面喷涂白色液压支架条码和格状图案，每个定位靶均固定在液压支架立柱前端的底座相同位置，测量时智能定位监测装置的激光雷达和数字摄像机与定位靶之间应无任何阻挡；所述的上位机装设在智能综采工作面监控中心，负责对智能定位监测装置上传数据的接收、存储、分析及控制；

所述监测方法包括如下步骤：

步骤1：采煤机在刮板输送机上行走作业，在工作面的位置发生变化，利用智能定位监测装置的测控微机控制激光雷达对其侧向的若干临近定位靶进行扫描测距，激光雷达扫描输出一组点云数据，该组点云数据表示扫描时激光照射到的各定位靶表面的离散点到测量点的距离和旋转夹角，可表示为(r_i，α_i)(i＝1,2,3，...，n)，α角以机身前进方向为0°，即X轴正方向，顺时针方向旋转为正；由测距结果中距离r最小时对应的角α，可知该位置采煤机的航向角

步骤2：对点云数据(r_i，α_i)(i＝1,2,3，...，n)通过Hough变换获得临近区域若干定位靶平面与激光扫描平面的相交直线线段方程，表示为L₁、L₂、L₃、...；若相邻的定位靶靶面在一个近似连续平面上，则其对应的直线线段近似连续；若相邻的定位靶靶面处于非连续平面上，则其对应的直线线段在Y轴方向存在相对位移；采煤机在刮板输送机上连续行走，利用激光雷达测得的点云数据，通过Hough变换和坐标变换建立工作面所有定位靶的直线线段方程，表示为L₁、L₂、...、L_N，进一步地，由各定位靶的直线线段方程，可知各直线线段在Y轴方向的位移，分别表示为ΔY₁、ΔY₂、...、ΔY_N；

步骤3：由智能监测装置的数字摄像机对其侧向的定位靶进行拍照成像，形成的数字图像由测控微机上传到上位机，上位机对上传的图像经过图像倾斜校正处理及特征识别，则可确定该时刻数字摄像机其侧向即正对Y方向的定位靶编号K及该定位靶与数字摄像机的相对位移M；设定位靶宽度均为W，采煤机在初始直线段行走时激光雷达扫描测距输出的最小距离为H；将采煤机坐标简化为一个点，该点具体对应为采煤机上安装的智能定位监测装置的中心位置，则采煤机坐标可表示为(K×W+M，H+ΔY_K)，即采煤机在工作面的位置坐标。

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