CN111505655B - 基于激光雷达的掘进机定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达的掘进机定位方法，以第一雷达第一次所在的坐标系作为原始坐标系，获取掘进机在原始坐标系的第一定位坐标M_A，在掘进机移动到第一雷达的第一边缘区域时，在距所述掘进机当前最近的安装架处安装第二雷达，以取代第一雷达获取掘进机的位置信息；所述第一边缘区域为第一雷达当前的有效测量区域的边界区域，获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标，以及所述掘进机在第二雷达当前所在坐标系的第二定位坐标M_B，以根据获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标、第二定位坐标M_B确定所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标，实现对掘进机的实时定位，降低定位相应掘进机的成本。

Description

基于激光雷达的掘进机定位方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种基于激光雷达的掘进机定位方法。

背景技术

在公开号为CN 110703266 A的掘进机精准定位与导航系统中提到，通过在掘进机的两侧、前方以及上方安装激光雷达记录环境的轮廓曲线从而对掘进机进行定位导航。本方法与之相比无需在掘进机上安装任何电子设备，且仅需两个激光雷达交替安装。公开号为CN 104296733 A的掘进机激光定位装置使用激光发射器、激光靶和激光传感器对掘进机进行定位。该方法需要机械臂对激光靶的位置进行调整。由于在井下需要满足防爆要求，机械臂的使用增加了系统的复杂程度。公开号为CN 207194904 U的掘进机定位系统由三维电子罗盘、拉绳传感器和双轴倾角传感器组成，通过测量掘进机在x/y/z轴方向的倾角确定掘进机的位置。该方法的拉绳传感器需要固定在巷道墙壁上，会影响巷道内其他设备的布置。公开号为CN 110162036 A的掘进机自主导航定位系统通过在掘进机上方安装SLAM视觉模块和IMU惯导模块进行导航定位。该方法的成本较高。公开号为CN 105298509 A的掘进机定位系统包括安装在巷道内的至少三个第一定位装置和安装在掘进机上的第二定位装置组成，其大概原理是通过接收来自掘进机方向的高频脉冲信号确定掘进机的位置。该方法需要在巷道内安装至少三个设备，占据空间较大，而且还需在掘进机上安装第二定位装置，在掘进机工作时会受到振动的影响。公开号为CN 108345005 A的方法使用了捷联惯导系统和激光雷达，前者获取掘进机的加速度及角速度信息，后者用于扫描巷道和标记板，两者信息结合后获取掘进机在三维地图中的位置和姿态信息。该方法使用了捷联惯导系统。综上可知，传统的掘进机定位方案往往存在成本高的问题。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种基于激光雷达的掘进机定位方法。

为实现本发明的目的，提供一种基于激光雷达的掘进机定位方法，包括如下步骤：

S10，以第一雷达第一次所在的坐标系作为原始坐标系，获取掘进机在原始坐标系的第一定位坐标M_A；

S20，在掘进机移动到第一雷达的第一边缘区域时，在距所述掘进机当前最近的安装架处安装第二雷达，以取代第一雷达获取掘进机的位置信息；所述第一边缘区域为第一雷达当前的有效测量区域的边界区域；

S30，获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标，以及所述掘进机在第二雷达当前所在坐标系的第二定位坐标M_B；

S40，根据获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标、第二定位坐标M_B确定所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标。

具体地，以第一雷达第一次所在的坐标系作为原始坐标系，获取掘进机在原始坐标系的第一定位坐标M_A之前，还包括：

获取雷达的各个安装架与原始坐标系的原点的位置关系，在各个安装架的设定位置处固定一块激光反射板用于确定相应安装架处所装雷达在其他雷达中的坐标。

具体地，在距所述掘进机当前最近的安装架处安装第二雷达包括：

将第二雷达在按照距所述掘进机最近的安装架处和第一雷达同样的方向安装；

若需要改变第二雷达的方向，按照原始坐标系中各个坐标轴的正方向旋转第二雷达，并记录下第二雷达相对于各个坐标轴分别对应的旋转角度。

具体地，根据获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标、第二定位坐标M_B和第一定位坐标M_A确定所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标包括：

若第二雷达与第一雷达的安装方向相同，所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标为：

M₀＝B_A+M_B，

其中，M₀表示掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标，B_A表示第二雷达在原始坐标系的第一相对坐标，M_B表示掘进机在第二雷达当前所在坐标系的第二定位坐标。

具体地，根据获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标、第二定位坐标M_B和第一定位坐标M_A确定所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标包括：

若第二雷达相对于原始坐标系第一坐标轴的旋转角度为θ_x、第二雷达相对于原始坐标系第二坐标轴的旋转角度为θ_y，第二雷达相对于原始坐标系第三坐标轴的旋转角度为θ_z，所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标为：

其中，M₀表示掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标，B_A表示第二雷达在原始坐标系的第一相对坐标，M_B表示掘进机在第二雷达当前所在坐标系的第二定位坐标。

具体地，第二雷达的安装要求包括：

将第二雷达按照和第一雷达同样的方向安装，使得第二雷达所在的坐标系由第一雷达所在的坐标系平移得到。

具体地，第二雷达的安装要求还包括：

若改变第二雷达的方向，按照所述原始坐标系中三个坐标轴旋转并借助角度参照板记录第一坐标轴的旋转角度为θ_x、第二坐标轴的旋转角度为θ_y，第三坐标轴的旋转角度为θ_z。

具体地，上述基于激光雷达的掘进机定位方法，还包括：

在掘进机移动到第二雷达的第二边缘区域时，将所述第一雷达按照在距所述掘进机当前最近的安装架处，以取代第二雷达获取掘进机的位置信息；所述第二边缘区域为第二雷达当前的有效测量区域的边界区域；

获取第一雷达当前在所述原始坐标系的第二相对坐标，以及所述掘进机在第一雷达当前所在坐标系的第三定位坐标；

根据第一雷达当前在所述原始坐标系的第二相对坐标、第三定位坐标确定所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标。

上述基于激光雷达的掘进机定位方法，以第一雷达第一次所在的坐标系作为原始坐标系，获取掘进机在原始坐标系的第一定位坐标M_A，在掘进机移动到第一雷达的第一边缘区域时，在距所述掘进机当前最近的安装架处安装第二雷达，以取代第一雷达获取掘进机的位置信息；所述第一边缘区域为第一雷达当前的有效测量区域的边界区域，获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标，以及所述掘进机在第二雷达当前所在坐标系的第二定位坐标M_B，以根据获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标、第二定位坐标M_B确定所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标，实现对掘进机的实时定位，降低定位相应掘进机的成本。

附图说明

图1是一个实施例的基于激光雷达的掘进机定位方法流程示意图；

图2是一个实施例的雷达A和雷达B分别所在坐标系之间的关系示意图；

图3是一个实施例的角度参照板示意图；

图4是一个实施例的激光反射板o示意图；

图5是一个实施例的激光反射板p或激光反射板q示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参考图1所示，图1为一个实施例的基于激光雷达的掘进机定位方法流程示意图，包括如下步骤：

S10，以第一雷达第一次所在的坐标系作为原始坐标系，获取掘进机在原始坐标系的第一定位坐标M_A。

上述第一雷达也可以称为雷达A，第二雷达可以称为雷达B。用于安置雷达的安装架后方贴近坐标原点处固定激光反射板(如激光反射板o、激光反射板p和激光反射板q)，用于确定雷达在另一个雷达中的坐标。

上述步骤可以在合适的地方安装雷达A(第一雷达)，将测得的激光反射板o的数据点的几何中心作为掘进机的位置坐标，即掘进机在坐标系A(原始坐标系)中的坐标M_A＝(x_a,y_a,z_a)，以实现对掘进机当前位置的获取，定义坐标系A为原始坐标系(掘进机的位置始终以此坐标为基准)。

S20，在掘进机移动到第一雷达的第一边缘区域时，在距所述掘进机当前最近的安装架处安装第二雷达，以取代第一雷达获取掘进机的位置信息；所述第一边缘区域为第一雷达当前的有效测量区域的边界区域。

上述步骤中，在掘进机移动到接近雷达的有效测量范围边缘(第一雷达的第一边缘区域)时，可以安装雷达B取代雷达A获取掘进机的位置信息。

S30，获取第二雷达当前在原始坐标系的第一相对坐标，以及掘进机在第二雷达当前所在坐标系的第二定位坐标M_B。

S40，根据获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标、第二定位坐标M_B确定所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标。

上述基于激光雷达的掘进机定位方法，以第一雷达第一次所在的坐标系作为原始坐标系，获取掘进机在原始坐标系的第一定位坐标M_A，在掘进机移动到第一雷达的第一边缘区域时，在距所述掘进机当前最近的安装架处安装第二雷达，以取代第一雷达获取掘进机的位置信息；所述第一边缘区域为第一雷达当前的有效测量区域的边界区域，获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标，以及所述掘进机在第二雷达当前所在坐标系的第二定位坐标M_B，以根据获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标、第二定位坐标M_B确定所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标，实现对掘进机的实时定位，降低定位相应掘进机的成本。

在一个实施例中，以第一雷达第一次所在的坐标系作为原始坐标系，获取掘进机在原始坐标系的第一定位坐标M_A之前，还包括：

获取雷达的各个安装架与原始坐标系的原点的位置关系，在各个安装架的设定位置处固定一块激光反射板用于确定相应安装架处所装雷达在其他雷达中的坐标。

本实施例首先通过测试获取激光雷达的安装架与雷达坐标系(如原始坐标系)原点的位置关系，原始坐标系可以包括第一坐标轴(x轴)、第二坐标轴(y轴)和第三坐标轴(z轴)。可以在安装架上标注出坐标轴x/y/z的方向，并且在安装架后方贴近坐标原点处固定一块激光反射板用于确定雷达在另一个雷达中的坐标。

在一个实施例中，在距所述掘进机当前最近的安装架处安装第二雷达包括：

将第二雷达在按照距所述掘进机最近的安装架处和第一雷达同样的方向安装；

若需要改变第二雷达的方向，按照原始坐标系中各个坐标轴的正方向旋转第二雷达，并记录下第二雷达相对于各个坐标轴分别对应的旋转角度。

本实施例中，在距所述掘进机当前最近的安装架处安装第二雷达后，便采用第二雷达对掘进机进行定位，可以拆除第一雷达，以使第一雷达在新的安装架处安装，以用于后续对相应掘进机的定位。

具体地，雷达B的安装要求可以包括：①将雷达B按照和雷达A同样的方向安装即坐标系B可由坐标系A平移得到，记下雷达B在雷达A中的坐标(安装效果可以通过下述情况一中的坐标关系检验M₀＝B_A+M_B)。②如果还需要改变雷达B的方向获取更好的测量角度，需要严格按照x、y、z三个坐标轴旋转并借助角度参照板记录下旋转的角度θ_x、θ_y、θ_z(一般情况旋转一次即可满足要求)。相应地，其他雷达的安装要求和/或雷达B再次进行安装的要求也可以参考上述雷达B的安装要求，与此次雷达B的安装要求一致。

具体地，根据获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标、第二定位坐标M_B和第一定位坐标M_A确定所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标包括：

若第二雷达与第一雷达的安装方向相同，所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标为：

M₀＝B_A+M_B，

其中，M₀表示掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标，B_A表示第二雷达在原始坐标系的第一相对坐标，M_B表示掘进机在第二雷达当前所在坐标系的第二定位坐标。

本实施例中，若两个雷达安装方向相同，掘进机在坐标系A中的坐标为M_A＝(x_a,y_a,z_a)，雷达B在坐标系A(原始坐标系)中的坐标为B_A＝(x_b,y_b,z_b)，掘进机在坐标系B中的坐标为M_B＝(x_m1,y_m1,z_m1)。在雷达B安装完毕，雷达A拆除后，掘进机在原始坐标系中的坐标为：

M₀＝B_A+M_B＝(x_b,y_b,z_b)+(x_m1,y_m1,z_m1)。

具体地，根据获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标、第二定位坐标M_B和第一定位坐标M_A确定所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标包括：

若第二雷达相对于原始坐标系第一坐标轴的旋转角度为θ_x、第二雷达相对于原始坐标系第二坐标轴的旋转角度为θ_y，第二雷达相对于原始坐标系第三坐标轴的旋转角度为θ_z，所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标为：

其中，M₀表示掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标，B_A表示第二雷达在原始坐标系的第一相对坐标，M_B表示掘进机在第二雷达当前所在坐标系的第二定位坐标。

上述为变换矩阵，相应的推导过程可以包括：

具体地，第二雷达的安装要求包括：

将第二雷达按照和第一雷达同样的方向安装，使得第二雷达所在的坐标系由第一雷达所在的坐标系平移得到。

具体地，第二雷达的安装要求还包括：

若改变第二雷达的方向，按照所述原始坐标系中三个坐标轴旋转并借助角度参照板记录第一坐标轴的旋转角度为θ_x、第二坐标轴的旋转角度为θ_y，第三坐标轴的旋转角度为θ_z。

在一个实施例中，上述基于激光雷达的掘进机定位方法，还包括：

在掘进机移动到第二雷达的第二边缘区域时，将所述第一雷达按照在距所述掘进机当前最近的安装架处，以取代第二雷达获取掘进机的位置信息；所述第二边缘区域为第二雷达当前的有效测量区域的边界区域；

获取第一雷达当前在所述原始坐标系的第二相对坐标，以及所述掘进机在第一雷达当前所在坐标系的第三定位坐标；

根据第一雷达当前在所述原始坐标系的第二相对坐标、第三定位坐标确定所述掘进机当前在所述在原始坐标系的坐标。

具体地，也可以获取第一雷达相对于第二雷达所在坐标系的坐标，依据第一雷达相对于第二雷达所在坐标系的坐标、以及第二雷达在原始坐标系的第一相对坐标，确定第一雷达当前在原始坐标系的第二相对坐标。

本实施例将雷达A作为第三个雷达，掘进机的坐标转换按照步骤S40对应的叠加运算即可。

进一步地，每当掘进机移动到当前雷达对应的边缘区域时，均可以在距掘进机当前最近的安装架处安装当前对掘进机进行定位的当前雷达之外的另一个雷达，以使另一个雷达继续对掘进机进行定位，保证定位工作的实时性。例如在第n次对掘进机的定位过程中，可以将第n个坐标转换为第(n-1)个坐标系中的坐标，然后依次转换直到获得原始坐标系的坐标。

本实施例实现掘进机定位过程中，所采用的材料包括两个激光雷达(雷达A和雷达B)；三个激光反射板(激光反射板o、激光反射板p和激光反射板q)；以及一个角度参照板。其中涉及的定位原理包括：雷达可以通过扫描得到物体的三维空间位置信息，而激光反射板o可以在恶劣环境中得到更加清晰的数据点。本方法通过激光雷达获取掘进机M的坐标，两个雷达交替测量可以获取连续的坐标。

在一个示例中，雷达A和雷达B分别所在坐标系之间的关系可以参考图2所示，角度参照板可以参考图3所示，激光反射板o可以参考图4所示，激光反射板p、激光反射板q可以参考图5所示。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于激光雷达的掘进机定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10，以第一雷达第一次所在的坐标系作为原始坐标系，获取掘进机在原始坐标系的第一定位坐标M_A；

S20，在掘进机移动到第一雷达的第一边缘区域时，在距所述掘进机当前最近的安装架处安装第二雷达，以取代第一雷达获取掘进机的位置信息；所述第一边缘区域为第一雷达当前的有效测量区域的边界区域；

S30，获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标，以及所述掘进机在第二雷达当前所在坐标系的第二定位坐标M_B；

S40，根据获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标、第二定位坐标M_B确定所述掘进机当前在所述原始坐标系的坐标；

在距所述掘进机当前最近的安装架处安装第二雷达包括：

将第二雷达在按照距所述掘进机最近的安装架处和第一雷达同样的方向安装；

若需要改变第二雷达的方向，按照原始坐标系中各个坐标轴的正方向旋转第二雷达，并记录下第二雷达相对于各个坐标轴分别对应的旋转角度；

该基于激光雷达的掘进机定位方法还包括：

在掘进机移动到第二雷达的第二边缘区域时，将所述第一雷达按照在距所述掘进机当前最近的安装架处，以取代第二雷达获取掘进机的位置信息；所述第二边缘区域为第二雷达当前的有效测量区域的边界区域；

获取第一雷达当前在所述原始坐标系的第二相对坐标，以及所述掘进机在第一雷达当前所在坐标系的第三定位坐标；

根据第一雷达当前在所述原始坐标系的第二相对坐标、第三定位坐标确定所述掘进机当前在所述原始坐标系的坐标。

2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的掘进机定位方法，其特征在于，以第一雷达第一次所在的坐标系作为原始坐标系，获取掘进机在原始坐标系的第一定位坐标M_A之前，还包括：

获取雷达的各个安装架与原始坐标系的原点的位置关系，在各个安装架的设定位置处固定一块激光反射板用于确定相应安装架处所装雷达在其他雷达中的坐标。

3.根据权利要求1所述的基于激光雷达的掘进机定位方法，其特征在于，根据获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标、第二定位坐标M_B确定所述掘进机当前在所述原始坐标系的坐标包括：

若第二雷达与第一雷达的安装方向相同，所述掘进机当前在所述原始坐标系的坐标为：

M₀＝B_A+M_B，

其中，M₀表示掘进机当前在所述原始坐标系的坐标，B_A表示第二雷达在原始坐标系的第一相对坐标，M_B表示掘进机在第二雷达当前所在坐标系的第二定位坐标。

4.根据权利要求1所述的基于激光雷达的掘进机定位方法，其特征在于，根据获取第二雷达当前在所述原始坐标系的第一相对坐标、第二定位坐标M_B确定所述掘进机当前在所述原始坐标系的坐标包括：

若第二雷达相对于原始坐标系第一坐标轴的旋转角度为θ_x、第二雷达相对于原始坐标系第二坐标轴的旋转角度为θ_y，第二雷达相对于原始坐标系第三坐标轴的旋转角度为θ_z，所述掘进机当前在所述原始坐标系的坐标为：

其中，M₀表示掘进机当前在所述原始坐标系的坐标，B_A表示第二雷达在原始坐标系的第一相对坐标，M_B表示掘进机在第二雷达当前所在坐标系的第二定位坐标。

5.根据权利要求1所述的基于激光雷达的掘进机定位方法，其特征在于，所述第二雷达的安装要求包括：

将第二雷达按照和第一雷达同样的方向安装，使得第二雷达所在的坐标系由第一雷达所在的坐标系平移得到。

6.根据权利要求5所述的基于激光雷达的掘进机定位方法，其特征在于，所述第二雷达的安装要求还包括：

若改变第二雷达的方向，按照所述原始坐标系中三个坐标轴旋转并借助角度参照板记录第一坐标轴的旋转角度为θ_x、第二坐标轴的旋转角度为θ_y，第三坐标轴的旋转角度为θ_z。