CN111473803A

CN111473803A - 一种用于矿用激光靶的标定方法

Info

Publication number: CN111473803A
Application number: CN202010463834.1A
Authority: CN
Inventors: 王以忠; 张景程; 张晓日; 邵震宇; 许东旭; 黄喆
Original assignee: Tianjin Hengdu Quantum Precision Instrument Technology Co ltd; Tianjin University of Science and Technology
Current assignee: Tianjin Hengdu Quantum Precision Instrument Technology Co ltd; Tianjin University of Science and Technology
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2040-05-27
Also published as: CN111473803B

Abstract

本发明公开一种用于矿用激光靶的标定方法，包括矿用激光靶、可升降全站仪、基准棱镜、激光靶稳定支架，矿用激光靶内部包括倾斜仪、光学传感器以及安装支架，矿用激光靶标定分为横轴标定和纵轴标定；在矿用激光靶标定过程中，调平激光靶支架，使内部倾斜仪两轴的度数最小，调平可升降全站仪，通过棱镜与矿用激光靶精密互换及全站仪测量，建立棱镜和矿用激光靶在全站仪坐标系下的位置及入射光的角度；同时记录下全站仪射出的光在矿用激光靶中的光斑质心，从而使全站仪的入射光与光斑质心一一对应，进而完成矿用激光靶横轴及纵轴的标定。本发明适合大壳体激光靶因体积无法翻转的条件下，完成高精度矿用激光靶标定。

Description

一种用于矿用激光靶的标定方法

技术领域

本发明涉及一种激光靶标定技术，具体涉及一种用于矿用激光靶的标定方法。

背景技术

近几年，随着煤矿快速掘进技术的普及，我国煤炭企业生产的速度越来越快。掘进机是一种大型巷道挖掘专用设备，广泛用于煤矿巷道掘进工作，更是井下巷道综掘施工的核心装备，在我国煤炭工业生产中占有极重要的地位。随着快掘系统深入应用，对矿井下巷道综掘施工的自动化水平提出了更高的要求，掘进机的实时位姿自动检测技术是其中最为关键的研究内容之一。

在传统方法中，煤矿巷道的中心轴线设计主要靠精确调整的激光指向仪保证，掘进机司机通过目视断面上的激光光斑控制掘进机截割头，并在断面上截割运行。针对掘进机的自动位姿测量技术，目前方法主要有基于全站仪的导向和定位、惯性导航、电子罗盘和视觉测量等。以上几种测量方法有各自的优点和不足之处，其中将视觉测量和惯性导航结合起来的矿用激光靶测量方法实现了掘进机实时位姿的6自由度测量。

为了确保煤机导向系统的精度、稳定性和可靠性，首先需要确定在三维空间的绝对位置，需要六个参数，即三个线元素和三个角元素，其中，三个线元素(X、Y、Z)的测量由全站仪完成，三个角元素中的两个——煤矿巷道轴线相对于水平面的坡度角和滚动角，由倾斜仪来测量，而针对第三个角元素的测量方法——煤矿巷道轴线与设计隧道轴线在水平面上的夹角(偏航角)，则是影响整个自动导向系统的精度、稳定性和可靠性关键。目前，通过矿用激光靶获取掘进机的实时位姿优点是精度高、性能稳定可靠、所需测量窗口小，但是价格稍高，同样是目前性能最先进的自动导向系统。

所以，矿用激光靶的标定即成为煤机导向系统测量的基础。矿用激光靶标定的目的是让光斑质心与光入射的角度一一对应。每一个矿用激光靶组装时相机和倾角仪的相对位置不尽相同，所以每一个矿用激光靶都需要标定，从而确定在这种组装下光板质心与角度的对应关系。传统的激光靶标定系统的方式是先将激光靶正放到一维转台上，全站仪锁定激光靶，此时全站仪保持不动，转动一维转台，质心坐标会相应的发生变化，记录质心坐标与转台转动角度之间的关系，完成横轴的标定；需将激光靶翻转90°度，重复标定横轴的步骤，可完成纵轴的标定。但由于矿用激光靶体积较大无法放在一维转台上，并且无法通过翻转激光靶本身完成标定。

针对上述技术问题，如何提供一种较为方便，重复性低的矿用激光靶标定方法就成了本领域技术人员的长期技术诉求。

发明内容

为了克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种高效且准确的用于大型激光靶的标定方法。

为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：

一种用于矿用激光靶的标定方法，包括矿用激光靶、可升降全站仪、基准棱镜、激光靶稳定支架，矿用激光靶内部包括倾角仪、电路板、光学传感器以及安装支架，通过对矿用激光靶标横轴和纵轴进行的标定确定每一个矿用激光靶组装时相机和倾角仪的相对位置进而获得光斑质心与角度的对应关系，具体标定过程包括以下步骤：

a.所述矿用激光靶安装在所述激光靶稳定支架上，然后放置在测试平台上固定好；

b.所述可升降全站仪固定在距离所述矿用激光靶1～10米处；

c.将所述基准棱镜放置在所述可升降全站仪视野范围内尽可能远处固定好；

d.调平所述激光靶稳定支架，调平可升降全站仪气泡；

e.标定所述矿用激光靶横轴；

f.标定所述矿用激光靶纵轴。

所述步骤e中标定矿用激光靶横轴的实现步骤如下：

由于所述矿用激光靶是ATR镜头，标定时，将待标定矿用激光靶曝光时间设置为20000在进行如下操作。

(1)将所述矿用激光靶固定好后，通过网络调试助手以及所述激光靶稳定支架，将内部倾角仪调平，保证内部倾角仪的X,Y方向的角度都在0.0010度以内。然后将所述可升降全站仪正对矿用激光靶，并调整全站仪垂直角使其角度为90度00分00秒，保证光垂直入射，这样光斑质心才均在U轴上。最后调平全站仪，使其气泡在0.0010度以内。全站仪锁定矿用激光靶，移动全站仪，使光斑质心U数值在250附近；

(2)确定好可升降全站仪起始位置后，对全站仪进行设站处理；

(3)确认好全站仪的气泡和垂直角满足要求后，将全站仪锁定激光靶并记录下全站仪的水平角度、垂直角度、东坐标Y、北坐标X、高程、同时记录下测试矿用激光靶质心坐标，即按照20组质心数据求平均值调整全站仪气泡在0.0010以内；

(4)全站仪锁定基准棱镜1，查看全站仪气泡是否还接近于初始气泡值，其偏差小于0.0003度，如果相差较大，调整气泡值，然后测距，记录全站仪东坐标Y、北坐标X、高程；

(5)全站仪锁定基准棱镜2，查看全站仪气泡是否还接近于初始气泡值，其偏差小于0.0003度，如果相差较大，调整气泡值，然后测距，记录全站仪东坐标Y、北坐标X、高程；

(6)移动全站仪，使光斑质心U数值增加25个像素左右，重复(3)到(5)的步骤；

(7)重复(6)的步骤，直到使光斑质心U数值在1000左右，即可完成横轴标定。

所述步骤e中标定矿用激光靶纵轴的实现步骤如下：

由于所述矿用激光靶体积太大不能翻转故不能采用传统的方法标定纵轴，所以采用升降全站仪的方式标定，

(1)将所述矿用激光靶固定好后，通过网络调试助手以及所述激光靶稳定支架，将内部倾角仪调平，保证内部抗倾角仪的X,Y方向的角度都在0.0010度以内。然后将所述可升降全站仪正对矿用激光靶，所述可升降全站仪锁定待标定矿用激光靶，移动全站仪，尽量保持与激光靶前后距离为1.5米左右或者更近，观察矿用激光靶光斑质心U数值，使其在640附近；

(2)将可升降全站仪调到最低，调整全站仪气泡，在0.0010以内，测距，记录全站仪的垂直角、水平角并记录矿用激光靶质心坐标值；

(3)确定好所述可升降全站仪位置及高度后，对全站仪进行设站操作；

(4)调高可升降全站仪，然后测距，使全站仪的垂直角变化在1度左右，确定了全站仪高度后将全站仪锁定，调平气泡(在0.0010以内)，测距，记录全站仪的垂直角、水平角并记录矿用激光靶质心坐标值；

(5)重复步骤(4)，直至可升降全站仪升至最高；

(6)完成以上步骤后，即可完成矿用激光靶纵轴得标定；

(7)所述标定过程完成后，将横轴与纵轴的数据分别进行三次样条插值以后，会形成两条相互垂直的线，该两条线的交点即为在此矿用激光靶安装方式下的像素平面的中心点，从而完成矿用激光靶横轴及纵轴的标定。

所述矿用激光靶安装位置，将所述矿用激光靶安装在激光靶稳固定支架20cm～60cm，将安装好的矿用激光靶和支架放置在测试平台上，其固定高度由全站仪的升降高度决定。

将所述可升降全站仪摆放在距离矿用激光靶正前方3米处；将所述基准棱镜固定在可升降全站仪可测距视野范围之内且尽可能远处。

所述矿用激光靶在标定开始前，以及标定过程中，都要保证激光靶稳定支架和可升降全站仪稳定，且需调平气泡。

有益效果

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明一种用于矿用激光靶的标定方法，解决了由于矿用激光靶体积过大无法放在一维转台上进行标定横轴以及不能翻转矿用激光靶本身进行标定纵轴等缺陷。本发明适合在实验范围小的条件下，完成高精度矿用激光靶标定。

附图说明

图1为本发明实施例中矿用激光靶内部结构示意图；

图2为本发明实施例中标定过程原理示意图；

图3为本发明实施例中标定过程中角度计算过程示意图；

图4为本发明实施例中一种用于矿用激光靶的标定方法流程示意图；

具体实施方式

为了使本技术领域的人员可以更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种用于矿用激光靶的标定方法，包括矿用激光靶、可升降全站仪、基准棱镜、激光靶稳定支架，矿用激光靶内部包括倾斜仪、电路板、光学传感器以及安装支架，将矿用激光靶安装在所述激光靶稳定支架上，所述可升降全站仪固定在距离矿用激光靶3米处，所述基准棱镜作为光学参考点，固定在所述可升降全站仪视野范围内尽可能远处，矿用激光靶标定分为横轴标定和纵轴标定。由于每一个矿用激光靶组装时相机和倾角仪的相对位置不尽相同，所以每一个矿用激光靶都需要标定，进而才能确定在这种组装下光斑质心与角度的对应关系。

如附图2标定原理示意图所示，将矿用激光靶和两个基准棱镜固定不动(要求激光靶和棱镜全部在全站仪可测距视线之内且尽可能远)。然后移动或升降全站仪到不同位置，通过棱镜与矿用激光靶精密互换及全站仪测量，建立棱镜和矿用激光靶在全站仪坐标系下的位置及入射光的角度θ；同时记录下全站仪射出的光在矿用激光靶中的光斑质心，从而与光斑质心一一对应，夹角θ的计算原理如下：

全站仪在不同的位置会形成不同的坐标系，如附图3中坐标系s和g，激光靶的锁定光代表该坐标系下的矢量。分别为P1和P2，全站仪可以的到棱镜1，2，3(激光靶默认为一个棱镜)的坐标系，由三个公共点可以得到不同坐标系之间的旋转矩阵具体计算方法如下：

三点确定转换矩阵H，在空间中，任意一个直角坐标系s经过一定的旋转(旋转矩阵R)和平移(平移矩阵T)均可以与另一个不重合的直角坐标g重合，其中R和T组成转换矩阵H。该转换矩阵H可以由空间中三个不共线的定点P1，P2，P3来确定。

求旋转矩阵R，其中三点坐标已知，在s坐标系下的坐标分别为P_S1(xs1，ys1，zs1)，P_S2(xs2，ys2，zs2)，P_S3(xs3，ys3，zs3)，三点在g坐标系下的坐标分别为P_g1(xg1，yg1，zg1)，P_g2(xg2，yg2，zg2)，P_g3(xg3，yg3，zg3)为获得旋转矩阵R，可以利用以下矢量关系：

将不同坐标系下的向量带入转换矩阵可得：

其中设旋转矩阵R为：

并带入公式(2)中，求出旋转矩阵R(9个方程解9个未知数)。

求平移矩阵T，已知在空间中任意一个点P1分别在s坐标系下的g坐标系下的三维坐标P_s1(xs1，ys1，zs1)和P_g1(xg1，yg1，zg1)，R已知，其中：

P_g1＝R·P_S1+T (3)

设T为：

并带入公式(3)，求出平移矩阵T(3个方程解3个未知数)。

欧拉角定义：欧拉角一般用于描述一个参照系(通常是一个坐标系)和另一个参照系之间的位置关系，欧拉角代表一系列的三维基本旋转，也就是围绕一个坐标系的各轴的一系列旋转。在一个坐标系中分别绕三个坐标轴经过一组有顺序的旋转，可以与另一个坐标系三个轴指向相同。我们通常把这些旋转角度称为航向角(yaw)，俯仰角(pitch)，横滚角(roll)。

其中绕Z轴旋转角度

的变换矩阵：

其中绕Y轴旋转角度γ的变换矩阵：

其中绕X轴旋转角度θ的变换矩阵：

以上旋转矩阵中的旋转角度均为正向旋转时得到的角度，旋转正方向定义：右手坐标系右手定则；左手坐标系左手定则。

欧拉角与旋转矩阵的关系：如果从坐标系s旋转到坐标系g的旋转矩阵R，例如，旋转顺序坐标系s先绕着Z轴旋转

旋转后的坐标系再绕着Y轴旋转γ，旋转后的矩阵再绕着X轴旋转θ得到坐标系g(其中某一种旋转顺序，可以有不同的旋转顺序)，其中

γ，θ均为欧拉角。在此情况下，旋转矩阵与欧拉角之间的关系为：

了解了计算原理后，首先对矿用激光靶的横轴进行标定，保证横轴的标定范围在250-1000px内，也就是像素平面内U轴的范围在250-1000px。

(1)将所述矿用激光靶固定好后，通过网络调试助手以及所述激光靶稳定支架，将内部倾角仪调平，保证内部倾角仪的X,Y方向的角度都在0.0010度以内。然后将所述可升降全站仪正对矿用激光靶，并调整全站仪垂直角使其角度为90度00分00秒，保证光垂直入射，这样光斑质心才均在U轴上。最后调平全站仪，使其气泡在0.0010度以内。全站仪锁定矿用激光靶，移动全站仪，使光斑质心U数值在250附近。

(2)确定好可升降全站仪起始位置后，对全站仪进行设站处理(建议每移动5次设一次站)。

(3)确认好全站仪的气泡和垂直角满足要求后，将全站仪锁定激光靶并记录下全站仪的水平角度、垂直角度、东坐标Y、北坐标X、高程、同时记录下测试矿用激光靶质心坐标(20组质心数据求平均值即可)调整全站仪气泡在0.0010以内。

(4)全站仪锁定基准棱镜1，查看全站仪气泡是否还接近于初始气泡值(保证偏差不超过0.0003度)，如果相差较大，调整气泡值，然后测距，记录全站仪东坐标Y、北坐标X、高程。

(5)全站仪锁定基准棱镜2，查看全站仪气泡是否还接近于初始气泡值(保证偏差不超过0.0003度)，如果相差较大，调整气泡值，然后测距，记录全站仪东坐标Y、北坐标X、高程。

(6)移动全站仪，使光斑质心U数值增加25个像素左右，重复(3)到(5)的步骤。

4.然后对矿用激光靶的纵轴进行标定，保证纵轴的标定范围在250-850px内，也就是像素平面内V轴的范围在250-850px。

(1)将所述矿用激光靶固定好后，通过网络调试助手以及所述激光靶稳定支架，将内部倾角仪调平，保证内部抗倾角仪的X,Y方向的角度都在0.0010度以内。然后将所述可升降全站仪正对矿用激光靶，所述可升降全站仪锁定待标定矿用激光靶，移动全站仪，尽量保持与激光靶前后距离为1.5米左右或者更近，观察矿用激光靶光斑质心U数值，使其在640附近。

(2)将可升降全站仪调到最低，调整全站仪气泡，在0.0010以内，测距，记录全站仪的垂直角、水平角并记录矿用激光靶质心坐标值。

(3)确定好所述可升降全站仪位置及高度后，对全站仪进行设站操作(建议每移动5次设一次站)。

(4)调高可升降全站仪，然后测距，使全站仪的垂直角变化在1度左右，确定了全站仪高度后将全站仪锁定，调平气泡(在0.0010以内)，测距，记录全站仪的垂直角、水平角并记录矿用激光靶质心坐标值。

(5)重复步骤(4)，直至可升降全站仪升至最高。

(6)完成以上步骤后，即可完成矿用激光靶纵轴得标定。

(7)所述标定过程完成后，将横轴与纵轴的数据分别进行三次样条插值以后，会形成两条相互垂直的线，该两条线的交点即为在此矿用激光靶安装方式下的像素平面的中心点(不同于像素平面的几何中心点)。从而完成矿用激光靶横轴及纵轴的标定。

Claims

1.一种用于矿用激光靶的标定方法，包括矿用激光靶、可升降全站仪、基准棱镜、激光靶稳定支架，矿用激光靶内部包括倾斜仪、电路板、光学传感器以及安装支架，其特征在于：通过对矿用激光靶标横轴和纵轴进行的标定确定每一个矿用激光靶组装时相机和倾角仪的相对位置进而获得光斑质心与角度的对应关系，具体标定过程包括以下步骤：

b.所述可升降全站仪固定在距离所述矿用激光靶1～10米处；

d.调平所述激光靶稳定支架，调平可升降全站仪气泡；

e.标定所述矿用激光靶横轴；

f.标定所述矿用激光靶纵轴。

2.如权利要求1所述的一种用于矿用激光靶的标定方法，其特征在于：所述步骤e中标定矿用激光靶横轴的实现步骤如下：

3.如权利要求1所述的一种用于矿用激光靶的标定方法，其特征在于：所述步骤e中标定矿用激光靶纵轴的实现步骤如下：

(5)重复步骤(4)，直至可升降全站仪升至最高；

(6)完成以上步骤后，即可完成矿用激光靶纵轴得标定；

4.如权利要求1至3任意一项所述的一种用于矿用激光靶的标定方法，其特征在于：所述矿用激光靶安装位置，将所述矿用激光靶安装在激光靶稳固定支架20cm～60cm，将安装好的矿用激光靶和支架放置在测试平台上，其固定高度由全站仪的升降高度决定。

5.如权利要求4所述的一种用于矿用激光靶的标定方法，其特征在于：将所述可升降全站仪摆放在距离矿用激光靶正前方3米处；将所述基准棱镜固定在可升降全站仪可测距视野范围之内且尽可能远处。

6.如权利要求5所述的一种用于矿用激光靶的标定方法，其特征在于：所述矿用激光靶在标定开始前，以及标定过程中，都要保证激光靶稳定支架和可升降全站仪稳定，且需调平气泡。