CN114383610A - 一种基于移动三维扫描技术的抖动检测分段滤波方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于移动三维扫描技术的抖动检测分段滤波方法，包括：记录巡检机器人运动过程中的当前总位移数和抖动检测段数；当检测到最近两段抖动间隔距离为巡检机器人前后轮轴心距左右时，判定巡检机器人前后两轮均在钢管轨道上运行，采用预设的状态空间模型对巡检机器人中激光陀螺惯性测量单元的惯性导航和里程计数据进行滤波解算；巡检机器人在其它位置时，则采用普通组合导航的卡尔曼滤波算法解算巡检机器人的惯性导航和里程计数据。本发明解决了在惯性导航/里程计组合导航过程中，里程计可能会由于滑行、弹起悬空等故障造成组合导航误差增大的问题。

Description

一种基于移动三维扫描技术的抖动检测分段滤波方法
技术领域
本发明属于煤炭开采技术领域，尤其涉及一种基于移动三维扫描技术的抖动检测分段滤波方法。
背景技术
高精度脉冲式激光扫描仪通过采集空间位置的点云数据，经过数据采集、航位推算、点云融合算法、可视化软件等处理后可完成特定场景的空间定位及数字化建模。
激光扫描仪包含激光扫描单元和激光陀螺惯性测量单元。由于激光扫描仪安装于巡检机器人上，其在专门设计的柔性轨道上运行。如图1所示，柔性轨道系统由1.4m长的平直钢管和0.1m长的弹簧连接而成。扫描仪运动过程中，在平直钢管上可平稳运行，但经过弹簧时，整机会出现一定幅度的抖动。由于抖动产生时，弹起过程中会向上加速，下降过程中会出现失重现象，加速度计可敏感地检测出此时扫描仪的加速度变化，且此时陀螺仪测得的角度数据也会出现大幅波动。在搭建的模拟轨道上测试时，加速度计原始数据如图2所示。
从图2可以看出，从300s到350s间加速度数据出现小幅波动，这是由于静基座校准完成后，先开启三维激光扫描仪，内部电机开启后引起一定震动，350s之后开始执行巡检任务，巡检机器人开始运动。可以看出巡检机器人运动过程中，激光陀螺惯性测量单元加速度数据会周期性地出现一定幅度的高频波动，且是先出现一个小幅抖动，再出现大幅抖动。本次测试过程中，激光陀螺惯性测量单元安装在巡检机器人尾部，向前运动时，车头先经过弹簧，抖动对惯性导航系统影响较小，惯性导航系统所在的一端车轮之后再经过弹簧，产生的抖动对惯性导航系统影响较大，检测出来的加速度数据变化幅度前后两次分别为一小一大。由于巡检机器人运动速度以及连接弹簧的转弯幅度影响，每个周期抖动时加速度数据的变化幅度也会有一定变化。因此，在惯性导航/里程计组合导航过程中，里程计可能会由于滑行、弹起悬空等故障，使得里程计测得的里程数据小于实际运动里程，造成组合导航误差增大。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种技术解决方案。
发明内容
为了解决上述问题，有必要提供一种基于移动三维扫描技术的抖动检测分段滤波方法。
本发明第一方面提出一种基于移动三维扫描技术的抖动检测分段滤波方法，包括：
记录巡检机器人运动过程中的当前总位移数和抖动检测段数；
当检测到最近两段抖动间隔距离为巡检机器人前后轮轴心距左右时，判定巡检机器人前后两轮均在钢管轨道上运行，采用预设的状态空间模型对巡检机器人中激光陀螺惯性测量单元的惯性导航和里程计数据进行滤波解算；
巡检机器人在其它位置时，则采用普通组合导航的卡尔曼滤波算法解算巡检机器人的惯性导航和里程计数据；
状态空间模型为：
记巡检机器人直线运动状态下的姿态误差方程为：
Figure BDA0003430610250000031
其中，
Figure BDA0003430610250000032
Figure BDA0003430610250000033
Figure BDA0003430610250000034
ωiθ表示地球自转角速率，L表示机器人所处地理纬度，δ表示此项为后缀引起的误差项(如
Figure BDA0003430610250000035
代表由计算地球自转角速度引起的误差)，
Figure BDA0003430610250000036
表示激光陀螺惯性测量单元在x，y，z轴的标定刻度系数；
令
Figure BDA0003430610250000037
则有巡检机器人直线运动状态下的姿态误差方程为：
Figure BDA0003430610250000038
还有巡检机器人直线运动状态下的速度误差方程为：
Figure BDA0003430610250000039
fn表示加速度计测量值；
根据正常重力公式g＝gθ(1+βsin2L-β1sin22L)-β2h，得重力矢量误差：
Figure BDA00034306102500000310
令M′va＝(fn×)，
Figure BDA0003430610250000041
Figure BDA0003430610250000042
M′vp＝(vn×)(2M′ap)+M4；
则巡检机器人直线运动状态下的速度误差方程改为：
Figure BDA0003430610250000043
得状态转移矩阵：
Figure BDA0003430610250000044
构成新的卡尔曼滤波方程：
Figure BDA0003430610250000045
基于上述，检测抖动的方法包括：
设
Figure BDA0003430610250000049
为巡检机器人运动过程中抖动检测判定条件，巡检机器人的加速度方差抖动检测算法模型：
Figure BDA0003430610250000046
其中，ak为k时刻的加速度矢量和数据，
Figure BDA0003430610250000047
为采样窗口N组数据的平均加速度矢量和，
Figure BDA0003430610250000048
为加速度方差阈值，加速度方差阈值根据前期静置过程以及加速直线运动过程的数据选取。
本发明第二方面提供一种基于移动三维扫描技术的巡检机器人，包括巡检机器人和激光扫描仪，其中，激光扫描仪包含激光扫描单元和激光陀螺惯性测量单元，所述激光陀螺惯性测量单元在进行测量时，采用所述的基于移动三维扫描技术的抖动检测分段滤波方法对激光陀螺惯性测量单元的惯性导航和里程计数据进行滤波解算。
本发明的有益效果为：本发明解决了在惯性导航/里程计组合导航过程中，里程计可能会由于滑行、弹起悬空等故障造成组合导航误差增大的问题。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为基于电缆槽侧板的轨道设计。
图2为测试过程中加速度计原始数据。
图3为巡检机器人在相邻三段轨道上的运动简图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
图3为巡检机器人在相邻三段轨道上的运动简图，图3(1)为巡检机器人向右运动过程中右轮将要经过弹簧时，图3(2)为巡检机器人左右轮分别在两端轨道上，图3(3)为巡检机器人左轮经过弹簧后，图3(3)与图3(1)为同一运动状态，即巡检机器人在同一段钢管轨道上。从图中可知，钢管轨道可视为理想化平直轨道，装置在上面作直线运动，两钢管之间通过弹簧连接，由于采煤工作面正常工作时需横向移动底板支架，因此相邻两段钢管间可能偏移一定角度。
根据巡检机器人系统结构设计(图1)钢管轨道每段长1400mm，相邻钢管间弹簧长100mm，巡检机器人前后轮轴心距为585mm，由此可知：
(1)每次抖动期间，巡检机器人运动距离约为100mm；
(2)检测到连续两次抖动时，从第一段检测到开始，到第二段检测到，巡检机器人运动的距离可能为585mm，也可能为915mm，任意检测到两段抖动之间，巡检机器人运动里程应为S＝585n+915m，其中，|m-n|＝1；
(3)在图3中(1)(3)状态下，即在连续两次抖动间距为915mm时，巡检机器人前后轮均在同一段钢管轨道上，运动距离为815mm，此时可认为巡检机器人作直线运动，激光陀螺惯性测量单元的角速度投影到载体坐标系b内的角速度值应为0。
通过上述分析，在长时间运动过程中，根据条件(1)(2)，通过对抖动计数，可知当两次抖动间存在奇数次抖动时，里程计运动数据应该为1.5m的整数倍，以此可以校正里程计误差。根据条件(3)，可知直线运动过程中，理论上载体系相对于导航系无旋转，导航系相对于地球系无旋转，由此可以校正激光陀螺惯性测量单元误差。因此可以周期性地校正惯导系统的定位误差，改善组合导航系统的导航结果。
当巡检机器人前后轮均在单组钢管上运动时，可视为惯导系统在导航坐标系在惯性系内作直线运动，不会由于地表弧度导致导航系转动，即
Figure BDA0003430610250000071
基于上述，本发明提出一种基于移动三维扫描技术的抖动检测分段滤波方法，包括：
记录巡检机器人运动过程中的当前总位移数和抖动检测段数；
当检测到最近两段抖动间隔距离为巡检机器人前后轮轴心距左右时，判定巡检机器人前后两轮均在钢管轨道上运行，采用预设的状态空间模型对巡检机器人中激光陀螺惯性测量单元的惯性导航和里程计数据进行滤波解算；
巡检机器人在其它位置时，则采用普通组合导航的卡尔曼滤波算法解算巡检机器人的惯性导航和里程计数据；
状态空间模型为：
记巡检机器人直线运动状态下的姿态误差方程为：
Figure BDA0003430610250000072
其中，
Figure BDA0003430610250000073
Figure BDA0003430610250000081
Figure BDA0003430610250000082
ωiθ表示地球自转角速率，L表示机器人所处地理纬度，δ表示此项为后缀引起的误差项(如
Figure BDA0003430610250000083
代表由计算地球自转角速度引起的误差)，
Figure BDA0003430610250000084
表示激光陀螺惯性测量单元在x，y，z轴的标定刻度系数；
令
Figure BDA0003430610250000085
则有巡检机器人直线运动状态下的姿态误差方程为：
Figure BDA0003430610250000086
还有巡检机器人直线运动状态下的速度误差方程为：
Figure BDA0003430610250000087
fn表示加速度计测量值；
根据正常重力公式g＝gθ(1+βsin2L-β1sin22L)-β2h，得重力矢量误差：
Figure BDA0003430610250000088
令M′va＝(fn×)，
Figure BDA0003430610250000089
Figure BDA00034306102500000810
M′vp＝(vn×)(2M′ap)+M4；
则巡检机器人直线运动状态下的速度误差方程改为：
Figure BDA0003430610250000091
得状态转移矩阵：
Figure BDA0003430610250000092
构成新的卡尔曼滤波方程：
Figure BDA0003430610250000093
具体的检测抖动的方法包括：
设
Figure BDA0003430610250000094
为巡检机器人运动过程中抖动检测判定条件，巡检机器人的加速度方差抖动检测算法模型：
Figure BDA0003430610250000095
其中，ak为k时刻的加速度矢量和数据，
Figure BDA0003430610250000096
为采样窗口N组数据的平均加速度矢量和，
Figure BDA0003430610250000097
为加速度方差阈值，加速度方差阈值根据前期静置过程以及加速直线运动过程的数据选取。
实施例2
本实施例提供一种基于移动三维扫描技术的巡检机器人，包括巡检机器人和激光扫描仪，其中，激光扫描仪包含激光扫描单元和激光陀螺惯性测量单元，其特征在于：所述激光陀螺惯性测量单元在进行测量时，采用实施例1所述的基于移动三维扫描技术的抖动检测分段滤波方法对激光陀螺惯性测量单元的惯性导航和里程计数据进行滤波解算。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于移动三维扫描技术的抖动检测分段滤波方法，其特征在于，包括：
记录巡检机器人运动过程中的当前总位移数和抖动检测段数；
当检测到最近两段抖动间隔距离为巡检机器人前后轮轴心距左右时，判定巡检机器人前后两轮均在钢管轨道上运行，采用预设的状态空间模型对巡检机器人中激光陀螺惯性测量单元的惯性导航和里程计数据进行滤波解算；
巡检机器人在其它位置时，则采用普通组合导航的卡尔曼滤波算法解算巡检机器人的惯性导航和里程计数据；
状态空间模型为：
记巡检机器人直线运动状态下的姿态误差方程为：
Figure FDA0003430610240000011
其中，
Figure FDA0003430610240000012
Figure FDA0003430610240000013
Figure FDA0003430610240000014
ωiθ表示地球自转角速率，L表示机器人所处地理纬度，δ表示此项为后缀引起的误差项(如
Figure FDA0003430610240000015
代表由计算地球自转角速度引起的误差)，
Figure FDA0003430610240000016
Figure FDA0003430610240000017
表示激光陀螺惯性测量单元在x，y，z轴的标定刻度系数；
令
Figure FDA00034306102400000110
则有巡检机器人直线运动状态下的姿态误差方程为：
Figure FDA0003430610240000021
还有巡检机器人直线运动状态下的速度误差方程为：
Figure FDA0003430610240000022
fn表示加速度计测量值；
根据正常重力公式g＝gθ(1+βsin2L-β1sin22L)-β2h，得重力矢量误差：
Figure FDA0003430610240000023
令M′va＝(fn×)，
Figure FDA0003430610240000024
Figure FDA0003430610240000025
M′vp＝(vn×)(2M′ap)+M4；
则巡检机器人直线运动状态下的速度误差方程改为：
Figure FDA0003430610240000026
得状态转移矩阵：
Figure FDA0003430610240000027
构成新的卡尔曼滤波方程：
Figure FDA0003430610240000028
2.根据权利要求1所述的基于移动三维扫描技术的抖动检测分段滤波方法，其特征在于，检测抖动的方法包括：
设
Figure FDA0003430610240000031
为巡检机器人运动过程中抖动检测判定条件，巡检机器人的加速度方差抖动检测算法模型：
Figure FDA0003430610240000032
其中，ak为k时刻的加速度矢量和数据，
Figure FDA0003430610240000033
为采样窗口N组数据的平均加速度矢量和，
Figure FDA0003430610240000034
为加速度方差阈值，加速度方差阈值根据前期静置过程以及加速直线运动过程的数据选取。
3.一种基于移动三维扫描技术的巡检机器人，包括巡检机器人和激光扫描仪，其中，激光扫描仪包含激光扫描单元和激光陀螺惯性测量单元，其特征在于：所述激光陀螺惯性测量单元在进行测量时，采用权利要求1-2任一项所述的基于移动三维扫描技术的抖动检测分段滤波方法对激光陀螺惯性测量单元的惯性导航和里程计数据进行滤波解算。
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