CN112114327A - 一种基于多传感器融合的煤矿巷道钻锚机器人精确定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿机器人定位技术领域，具体涉及一种基于多传感器融合的煤矿巷道钻锚机器人精确定位方法及系统，该方法根据钻锚作业需求，研究基于分布式激光测距传感器的钻锚机器人与掘进工作面之间的距离信息，建立“机器人‑工作面”定位模型，解算钻锚机器人前移过程中与掘进工作面的位置关系；以机器人后端顶部锚杆为目标，利用激光雷达扫获取锚杆与钻锚机器人的动态点图信息，建立“机器人‑锚杆”定位模型，解算钻锚机器人后移过程中与锚杆的空间位置关系。本发明实现了钻锚机器人在煤矿巷道的精确定位，大大提高了巷道掘进的支护效率以及煤矿设备的智能化水平。

Description

一种基于多传感器融合的煤矿巷道钻锚机器人精确定位方法 及系统

技术领域

本发明涉及煤矿机器人定位技术领域，具体涉及一种基于多传感器融合的煤矿巷道钻锚机器人精确定位方法及系统。

背景技术

巷道支护技术是煤炭安全开采关键环节，随着对煤炭需求量的增加，开采和支护效率也必须相对应的提高。钻锚机器人是专门用于煤矿井下和其他井巷工程中巷道安装锚杆的支护类设备，可以代替工人完成锚杆运输、打孔、装配等作业，有效地解决了工人劳动强度大等问题，但目前大多数钻锚作业都是通过人工驾驶钻锚机器人移动以及工作机构位姿调整完成钻锚台车定位，由此可见其定位精度和效率无法保证。因此，针对钻锚机器人机身定位困难等问题，研究采用多传感器组合与信息融合技术建立钻锚机器人机身定位方法，建立适用于井下复杂环境的钻锚机器人机身定位系统，提高定位精度、容错率，对实现煤矿巷道钻锚机器人精确定位、移动效率具有重大应用价值与研究意义。

钻锚机器人本体结构由履带行走机构和龙门框架组成，传统掘进机可在龙门框架内部通过。进行钻锚作业时，钻锚机器人与掘进机会存在空间干涉情况，因此将机器人定位内容分为前移定位和后移定位：前移定位时钻锚机器人需在距掘进工作面指定位置停止并完成位于掘进机机身高度以上的所有钻锚作业；后移定位时钻锚机器人完全后退至掘进机机身长度以外停止并进行补打剩余锚杆，确保钻锚机器人能够精确停止在钻锚平面是巷道支护作业顺利高效完成的前提。

发明内容

针对复杂工况环境下的钻锚机器人机身定位困难、干扰大、精度低、效率低等问题，本发明提供了一种基于多传感器融合的煤矿巷道钻锚机器人精确定位方法及系统。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于多传感器融合的煤矿巷道钻锚机器人精确定位系统，包括：

前移定位模块：由分布式激光测距传感器组成，其位于钻锚机器人顶梁结构处且呈左右对称分布，钻锚机器人向前移动时，利用分布式激光测距传感器测量钻锚机器人与掘进工作面的垂直距离，建立“机器人-工作面”前移定位模型，并根据左右传感器所采集的距离差，求解机器人前移位姿信息，实现钻锚机器人的前移定位；

后移定位模块：由激光雷达完成偏角检测，其位于钻锚机器人后端顶部中线处，在钻锚机器人向后移动时，利用激光雷达所扫描到的点图信息，建立“机器人-锚杆”后移定位模型，求解机器人后移位姿信息，实现钻锚机器人的后移定位；

机载计算机，用于实现人机交互，显示“机器人-工作面”前移定位模型解算的定位信息以及“机器人-锚杆”后移定位模型解算的定位信息，并基于所述定位信息以预设的机器人位姿解算公式计算显示钻锚机器人在巷道中具体位姿信息；还用于远程干预钻锚机器人启停，将控制指令下发至运动控制卡并执行；

运动控制卡：用于接收各传感器所采集数据并进行A/D转换发送至机载计算机，同时向履带机构下发控制指令以驱动左右履带实现不同动作；

进一步地，“机器人-工作面”前移定位模型以掘进工作面为参考；“机器人-锚杆”后移定位模型以后端首排顶部锚杆为参考。

进一步地，激光测距传感器安装在钻锚机器人前端顶梁结构位置，以机器人中心轴线为基准呈左右对称分布，以实现前后距离定位和偏航夹角计算，左右两侧的激光传感器用来检测机器人与左右煤壁的距离，辅助机器人位姿调整。

进一步地，所述激光雷达安装在钻锚机器人后端顶梁结构中间位置。

本发明还提供了一种基于多传感器融合的煤矿巷道钻锚机器人精确定位方法，包括如下步骤：

S1、根据钻锚作业需求，研究基于分布式激光测距传感器的钻锚机器人与掘进工作面之间的距离信息，建立“机器人-工作面”定位模型，解算钻锚机器人前移过程中与掘进工作面的位置关系；

S2、以机器人后端顶部锚杆为目标，利用激光雷达扫获取锚杆与钻锚机器人的动态点图信息，建立“机器人-锚杆”定位模型，解算钻锚机器人后移过程中与锚杆的空间位置关系；

S3、基于所述定位信息以预设的机器人位姿解算公式计算钻锚机器人在巷道中具体位姿信息。

本发明实现了钻锚机器人在煤矿巷道的精确定位，大大提高了巷道掘进的支护效率以及煤矿设备的智能化水平。

附图说明

图1为定位系统结构框图。

图2为本发明实施例中的激光测距传感器布放示意图。

图3为本发明实施例中前移时钻锚机器人有偏航位姿示意图。

图4为本发明实施例中的钻锚机器人前移定位模型。

图5为本发明实施例中的激光雷达布放示意图。

图6为本发明实施例中的激光雷达测距原理图。

图7为本发明实施例中的钻锚机器人后移有偏航位姿示意图。

图8为本发明实施例中的钻锚机器人后移定位模型。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例的一种基于多传感器融合的煤矿巷道钻锚机器人精确定位系统，包括：

前移定位模块：由分布式激光测距传感器组成，其位于钻锚机器人顶梁结构处且呈左右对称分布，钻锚机器人向前移动时，利用分布式激光测距传感器测量钻锚机器人与掘进工作面的垂直距离，建立“机器人-工作面”前移定位模型，并根据左右传感器所采集的距离差，求解机器人前移位姿信息，实现钻锚机器人的前移定位；

后移定位模块：由激光雷达完成偏角检测，其位于钻锚机器人后端顶部中线处，在钻锚机器人向后移动时，利用激光雷达所扫描到的点图信息，建立“机器人-锚杆”后移定位模型，求解机器人后移位姿信息，实现钻锚机器人的后移定位；

机载计算机，用于实现人机交互，显示“机器人-工作面”前移定位模型解算的定位信息以及“机器人-锚杆”后移定位模型解算的定位信息，并基于所述定位信息以预设的机器人位姿解算公式计算显示钻锚机器人在巷道中具体位姿信息；还用于远程干预钻锚机器人启停，将控制指令下发至运动控制卡并执行；

运动控制卡：用于接收各传感器所采集数据并进行A/D转换发送至机载计算机，同时向履带机构下发控制指令以驱动左右履带实现不同动作；

本发明实施例中，激光测距传感器安装在钻锚机器人前端顶梁结构位置，以机器人中心轴线为基准呈左右对称分布，以实现前后距离定位和偏航夹角计算，左右两侧的激光传感器用来检测机器人与左右煤壁的距离，辅助机器人位姿调整。如图2所示。1、2、3、4都为激光测距传感器，其中1、4 用来检测钻锚机器人与侧帮的距离信息，2、3用来检测钻锚机器人与工作面的距离信息。

(1)“机器人-工作面”前移定位模型分析

钻锚机器人在向前移动时，采用分布式激光测距传感器检测钻锚机器人前端与掘进工作面的距离信息，建立基于激光测距传感器的定位模型并进行分析，实现钻锚机器人前端绝对定位；

由于掘进工作面必然存在不平整、欠挖超挖等情况，因此可通过添加激光测距传感器计算距离平均值等方式来降低定位误差，以提供价值相对较高的距离信息，本实施例中以左右两个测距传感器为例建立钻锚机器人前移定位模型。

图3为钻锚机器人在前移时有偏航位姿示意图，其中，5表示两侧煤壁，6表示掘进工作面，3、4表示激光测距传感器，当前状态为存在偏航夹角，钻机所在工作面没有平行于待钻孔巷道截面，因此需要通过建模分析偏航夹角与所测距离的几何关系，计算得出偏航夹角的大小并确定机器人所在位置，为位姿调整提供重要参数。

图4假设钻锚机器人存在左偏航情况下的坐标关系示意图。以煤矿巷道左前端为坐标原点，分别沿巷道截面向右和煤壁向后为x轴和y轴正方向，建立二维平面坐标系。其中A、B表示左右顶梁两侧的激光测距传感器，其可通过云台设计使激光不受偏角影响始终正对掘进工作面；D₁和D₂分别表示两传感器所采集到工作面的距离大小；S表示两传感器之间的距离；直线L表示S 的垂直平分线，因此α角则表示偏航夹角的大小；在示意图中α和β分别表示与y轴的偏航夹角和与x轴的偏航夹角，其大小相等，因此求解β大小即可得知钻锚机器人偏航夹角大小。

在ΔABC中

由图4可知AC＝D₁-D₂，AB＝S，因此将其带入(1)式可得：

当β等于0且D₁、D₂等于D时，说明机器人没有发生偏航，即实现了钻锚机器人前移时的精确定位目标。

(2)“机器人-锚杆”后移定位模型分析

钻锚机器人后移时，采用激光雷达检测钻锚机器人后端与锚杆之间的距离信息，建立基于激光雷达的定位模型并进行分析，实现钻锚机器人后端绝对定位。为了便于模型计算将激光雷达安装在钻锚机器人后端顶梁结构中间位置，并且激光雷达可以动态实时成像，还原当时所采集的锚杆图像及距离信息，以便数据提取和模型分析计算。

其中，7表示激光雷达，由于巷道内会有侧帮及其他锚杆干扰，因此可通过程序设计限制传感器测量范围，避免其余锚杆对测量结果造成影响，同时可适当调整激光雷达安装角度，示意图如图6所示，以便于能够顺利检测到锚杆，最终通过水平投影计算抵消安装角度带来的误差即可。

在图6中，8表示锚杆，7表示激光雷达，9表示顶板煤壁，P表示钻锚机器人后端与锚杆所在平面之间的水平距离，φ表示安装传感器时的设置角度，其大小可根据实际情况设定，结合激光雷达实际检测距离H可得水平投影距离Hsinφ。

图7为钻锚机器人在向后移动时有偏航位姿示意图，其中，10表示锚网，8表示锚杆，7表示激光雷达，5表示两侧煤壁，6表示掘进工作面，存在偏航的情况下，钻机所在平面与钻锚工作面不重合，因此需要建立激光扫描定位模型确定偏航夹角并且确定出钻锚机器人所在位置，以便于位姿调整。

建立模型分析钻锚机器人向后移动时存在偏航夹角的情况。以激光雷达所检测到左端锚杆为坐标原点，沿锚杆方向为x轴正方向，y轴指向掘进工作面，建立二维坐标系。其中A点为激光雷达所在位置，箭头指向为钻锚机器人航向方向，锚杆之间距离为L，激光雷达采集到左锚杆距离水平投影为a，到右锚杆距离水平投影为b，之间夹角为θ，航向到左锚杆之间的扫描夹角θ₁，到右锚杆之间的扫描夹角为θ₂，偏航夹角大小为

因此以激光雷达所在坐标点为圆心可得几何圆方程：

联立两式可得A点坐标：

在ΔAOL中，根据余弦定理可得：

因此

将(7)式带入(5)式可得：

由于钻锚机器人始终在所建立坐标正半轴，y＞0，因此可得A点坐标值为：

根据几何关系可得偏航夹角大小：

当

近似等于0且a＝b时，说明机器人没有发生偏航，即实现了钻锚机器人后移时的精确定位目标。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种基于多传感器融合的煤矿巷道钻锚机器人精确定位系统，其特征在于：包括：

前移定位模块：由分布式激光测距传感器组成，其位于钻锚机器人顶梁结构处且呈左右对称分布，钻锚机器人向前移动时，利用分布式激光测距传感器测量钻锚机器人与掘进工作面的垂直距离，建立“机器人-工作面”前移定位模型，并根据左右传感器所采集的距离差，求解机器人前移位姿信息，实现钻锚机器人的前移定位；

后移定位模块：由激光雷达完成偏角检测，其位于钻锚机器人后端顶部中线处，在钻锚机器人向后移动时，利用激光雷达所扫描到的点图信息，建立“机器人-锚杆”后移定位模型，求解机器人后移位姿信息，实现钻锚机器人的后移定位；

机载计算机，用于实现人机交互，显示“机器人-工作面”前移定位模型解算的定位信息以及“机器人-锚杆”后移定位模型解算的定位信息，并基于所述定位信息以预设的机器人位姿解算公式计算显示钻锚机器人在巷道中具体位姿信息；还用于远程干预钻锚机器人启停，将控制指令下发至运动控制卡并执行；

运动控制卡：用于接收各传感器所采集数据并进行A/D转换发送至机载计算机，同时接收机载计算机下发控制指令，以实现钻锚机器人前移、后移等基础运动。

2.如权利要求1所述的一种基于多传感器融合的煤矿巷道钻锚机器人精确定位系统，其特征在于：“机器人-工作面”前移定位模型以掘进工作面为参考，利用分布式激光测距传感器检测钻锚机器人到掘进工作面之间的距离，最终得到钻锚机器人在前移时位姿信息；“机器人-锚杆”后移定位模型以后端首排顶部锚杆为参考，利用激光雷达扫面钻锚机器人与后端首排顶部锚杆的图像，最终得到钻锚机器人在后移时位姿信息。

3.如权利要求1所述的一种基于多传感器融合的煤矿巷道钻锚机器人精确定位系统，其特征在于：激光测距传感器安装在钻锚机器人前端顶梁结构位置，以机器人中心轴线为基准呈左右对称分布，以实现前后距离定位和偏航夹角计算，左右两侧的激光传感器用来检测机器人与左右煤壁的距离，辅助机器人位姿调整。

4.如权利要求1所述的一种基于多传感器融合的煤矿巷道钻锚机器人精确定位系统，其特征在于：所述分布式激光测距传感器安装在钻锚机器人前端顶梁结构左右两侧位置以及钻锚机器人两侧，所述激光雷达安装在钻锚机器人后端顶梁结构中间位置。

5.一种基于多传感器融合的煤矿巷道钻锚机器人精确定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、根据钻锚作业需求，研究基于分布式激光测距传感器的钻锚机器人与掘进工作面之间的距离信息，建立“机器人-工作面”定位模型，解算钻锚机器人前移过程中与掘进工作面的位置关系；

S2、以机器人后端顶部锚杆为目标，利用激光雷达扫获取钻锚机器人与顶部首排锚杆的动态点图信息，建立“机器人-锚杆”定位模型，解算钻锚机器人后移过程中与锚杆的空间位置关系；

S3、基于所述定位信息以预设的机器人位姿解算公式计算钻锚机器人在巷道中具体位姿信息。

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