CN114859366A - 掘进机定位定向方法及装置 - Google Patents

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CN114859366A
CN114859366A CN202110154901.6A CN202110154901A CN114859366A CN 114859366 A CN114859366 A CN 114859366A CN 202110154901 A CN202110154901 A CN 202110154901A CN 114859366 A CN114859366 A CN 114859366A
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roadway
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machine
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周明星
石勇
徐桂军
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates

Abstract

本发明公开一种掘进机定位定向方法及装置，方法包括：掘进机在巷道内行走掘进时，通过安装在其后端的多线束激光雷达对巷道顶端的导向杆进行扫描，以获取导向杆的相关参数，并根据相关参数得到掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离，从而控制掘进机行走系统对行走方向及位置进行调整，以使掘进机沿巷道中轴线自动行走。在掘进机自动行走的过程中，每当导向杆脱离激光雷达扫描区域时，沿掘进机行走方向前移导向杆，以便激光雷达可以实时扫描导向杆，使得掘进机始终沿着中轴线自动行走。本发明方法，通过导向杆计算掘进机与巷道走向中轴线偏移距离和角度，实现掘进机在巷道内自动沿中轴线行走，实现方式简便，结果准确可靠。

Description

掘进机定位定向方法及装置
技术领域
本发明涉及工程机械定位装置领域，尤其涉及一种煤矿中基于3D激光雷达的掘进机定位定向方法及装置。
背景技术
3D激光雷达通过激光发射组件快速旋转的同时发射高频率激光束对外界环境进行持续性的扫描，探测目标物体距离和反射率等信息，为定位、导航、避障等提供保障，主要面向无人驾驶汽车环境感知、机器人环境感知、无人机测绘等领域。
在煤矿掘进机作业过程中，为了按照预定巷道方向掘进，需要实时修正掘进方向以保证掘进机主体处于巷道中心位置。现有技术中，大多通过激光引导技术实现掘进机定位定向，但需要操作人员目视调整机器位姿，无法自动化作业。
因此，如何提供一种准确可靠且可实现自动化操作的的掘进机定位定向方法，是本领域技术人员研究的重点之一。
发明内容
本发明目的就是为了解决上述难题，提供一种基于3D激光雷达的掘进机定位定向方法与装置，通过设定的导向杆计算掘进机与巷道走向中轴线偏移距离和角度，实现掘进机在巷道内自动沿巷道中轴线自动行走的定位定向功能，实现方式简便，结果准确可靠。
为实现本发明的上述目的，本发明提供的基于3D激光雷达的掘进机定位定向方法包括：
掘进机在巷道内行走掘进时，通过安装在其后端的多线束激光雷达对预先安装在巷道顶端且位于激光雷达上方的导向杆进行扫描；
在激光雷达扫描导向杆时，获取导向杆的相关参数，并根据获取的相关参数得到掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离；
根据得到的掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离，控制掘进机行走系统对行走方向及位置进行调整，以使掘进机沿巷道中轴线自动行走；
在掘进机自动行走的过程中，每当导向杆脱离激光雷达扫描区域时，沿掘进机行走方向前移导向杆，以便激光雷达可以实时扫描导向杆，使得掘进机始终沿着巷道的中轴线自动行走。
其中，所述获取的导向杆的相关参数，为导向杆在雷达坐标系里的坐标数据。
其中，根据获取的导向杆的相关参数，得到掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离包括：
获取导向杆在雷达坐标系里的坐标数据后，利用变换矩阵对获得的导向杆坐标数据进行转换，以获取导向杆在巷道平面内机身坐标系下的坐标数据；
根据获取的导向杆在巷道平面内机身坐标系下的坐标数据，得到导向杆在巷道平面内机身坐标系的平面线性方程；
利用导向杆的平面线性方程，得到掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离。
其中，所述变换矩阵为：
Figure BDA0002934298120000021
式中：
Figure BDA0002934298120000022
为激光雷达测得的导向杆数据，
Figure BDA0002934298120000023
为将
Figure BDA0002934298120000024
对应转换至机身坐标系中的导向杆数据，Rot为机身坐标系相对雷达坐标系的姿态旋转矩阵，P为雷达坐标系相对机身坐标系的平移向量；
其中，P＝[tx,ty,tz]T，Rot由下式得到所得：
Figure BDA0002934298120000025
式中，R、β、γ分别为雷达坐标系相对机身坐标系的对应坐标系转角。
其中，根据获取的导向杆在巷道平面内机身坐标系下的坐标数据，得到导向杆在巷道平面内机身坐标系的平面线性方程，包括：
根据获取的导向杆在巷道平面内机身坐标系下的坐标数据，得到导向杆在机身坐标系中巷道水平面投影的数据[xi，yi]，i＝0...n，然后，采用最小二乘线性拟合，得到导向杆在巷道平面内机身坐标系的平面线性方程：
y＝a+b*x (3)
其中：
Figure BDA0002934298120000031
其中，利用导向杆的平面线性方程，得到掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离，分别通过如下公式计算：
机身偏移角度：
Ψ＝pi/2-atan(b) (5)
偏移距离：
x＝-a/b*cos(ψ)-t (6)
其中：pi为圆周率，atan为反正切函数，t为导向杆与巷道中轴线的偏移距离，为已知量。
其中，所述掘进机上安装有用于接收激光雷达扫描导向杆后得到的反射激光信号并将反射激光信号转化为电信号的接收单元和用于根据电信号进行数据处理的数据处理单元。
其中，所述数据处理单元实时处理激光雷达扫描数据，并将结果发送给上位机。
其中，所述导向杆为白色且具有高反射率的长条状导向杆。
其中，所述导向杆沿巷道走向的中轴线方向延伸。
其中，所述激光雷达的扫描方向垂直于掘进机的前进方向。
此外，本发明还提供一种用于如上所述掘进机定位定向方法的装置。
与现有技术相比，本发明的基于3D激光雷达的掘进机定位定向方法及装置具有如下优点：
本发明的掘进机定位定向装置，在巷道顶端安装导向杆以模拟巷道中轴线走向，通过激光雷达对导向杆进行扫描可得到掘进机相对巷道走向中轴线的偏移距离和偏移角度，从而可根据偏移距离和偏移角度对掘进机的行走方向及位置进行自动调整，以使掘进机始终沿巷道走向中轴线行进，定位准确，实现方式简便，结果准确可靠，可以使掘进机进行自动化掘进作业得以实现。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例基于3D激光雷达的掘进机定位定向方法的示意图；
图2是本发明实施例掘进机定位定向方法中采用的装置的示意图；
图3是本发明实施例掘进机定位定向方法中采用的坐标系示意图；
图4是本发明实施例控制原理图。
具体实施方式
如图2所示，为本发明实施例掘进机定位定向方法中所采用的装置的示意图，由图可知，本实施例装置包括：用于预先安装在巷道顶端的导向杆，其沿巷道走向的中轴线延伸以模拟巷道中轴线走向；用于安装在掘进机后端的激光雷达，位于导向杆下方以便对导向杆进行扫描；用于安装在掘进机上的数据处理单元，其实时处理激光雷达扫描导向杆所得的参数数据并获得处理结果；用于与数据处理单元和掘进机的行走系统分别连接的上位机，其根据数据处理单元发送的处理结果对掘进机的行走方向及位置进行调整，以使掘进机沿巷道中轴线自动行走。
具体的，本实施例掘进机1为可自动行走的掘进机，如无人驾驶的掘进机。3D激光雷达2安装于掘进机1后端左侧，雷达扫描方向垂直于掘进机1前进方向，为多线雷达，扫描的是三维空间，可采用现有技术的16线3D激光雷达(如图2所示)。当掘进机1沿巷道走向中轴线方向行走时，机身长度方向可看作是三维坐标中的Y方向，则3D激光雷达可以看作有16个激光源沿着机身的Y方向摆放，然后绕着Y轴旋转一圈，可得到三维空间中障碍物距离和反射率信息。此外，激光雷达2也可以选用更高线数，如32线或64线或128线等多线束3D激光雷达。
本实施例采用导向杆3模拟巷道走向的中轴线方向，导向杆3预先安装于巷道顶部且沿巷道走向中轴线方向延伸。安装时，工人通过绑定形式贴着巷道顶悬挂导向杆，导向杆采用细长条的杆状物，长度不低于激光雷达扫描的宽度，具体长度可由雷达参数和巷道参数决定，但不宜过短。
在应用时，使掘进机1上的激光雷达2位于导向杆3下方，且使得导向杆3位于激光雷达扫描区域内，以便激光雷达能照射到导向杆。若随着掘进机的行走使得导向杆3不再位于激光雷达扫描区域内时，应及时沿着掘进机的前进方向向前移动导向杆3以使导向杆位于激光雷达扫描区域内。在向前移动导向杆时，应使导向杆一直沿着巷道走向的中轴线方向延伸。
其中，导向杆在被激光雷达扫描后需要通过反射率差异将导向杆从环境(巷道环境)中提取出来，而由于煤矿井下巷道环境以黑色煤层为主、反射率低下，因此，本实施例导向杆采用白色的高反射率材料制成。
本实施例的装置除了上述构件外，还包括安装在掘进机1上的用于接收激光雷达发射单元(即激光雷达2)扫描导向杆3后得到的反射激光信号并将反射激光信号转化为电信号的接收单元5(如图4所示)，而数据处理单元根据接收单元的电信号进行数据处理，数据处理后所得的处理结果发送给与数据处理单元连接的上位机6，上位机6根据数据处理单元发送的处理结果对掘进机行走系统7进行控制，以对掘进机行走方向及位置进行调整，使得掘进机沿巷道中轴线自动行走。
其中，数据处理单元根据接收单元的电信号进行数据处理时，需要处理通过雷达提取到的导向杆距离信息和反射率数据，提取出导向杆的距离参数，上述数据均为基于雷达坐标系的数据，即，基于如图3所示的三维坐标系O1-X1Y1Z1中(图3中未示出Y1轴)的数据，提取参数的方法可采用现有技术的方法，在此不再细述；然后，将各数据转换到机身坐标系中，即，基于如图3所示的三维坐标系O0-X0Y0Z0(图3中未示出Z0轴)中；接着，再计算出导向杆在平面坐标系(即图3所示的坐标系XOY)中的直线方程；然后，计算出导向杆与掘进机机身的相对角度和距离关系(即，计算出水平投影中掘进机与巷道中轴线的偏移距离和角度)，角度和距离数据通过数据处理单元自身的串口发送给上位机。而上位机收到数据后对掘进机行走方向及位置进行调整，从而控制掘进机行走。
其中，本发明采用上述装置进行掘进机定位定向方法的流程图如图1所示，由图可知，本发明实施例基于3D激光雷达的掘进机定位定向方法包括：
掘进机在巷道内行走掘进时，通过安装在其后端的多线束激光雷达对预先安装在巷道顶端且位于激光雷达上方的导向杆进行扫描；
在激光雷达扫描导向杆时，获取导向杆的相关参数，并根据获取的相关参数得到掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离；
根据得到的掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离，控制掘进机行走系统对行走方向及位置进行调整，以使掘进机沿巷道中轴线自动行走；
在掘进机自动行走的过程中，每当导向杆脱离激光雷达扫描区域时，沿掘进机行走方向前移导向杆，以便激光雷达可以实时扫描导向杆，使得掘进机始终沿着巷道的中轴线自动行走。
下面，对本发明实施例掘进机定位定向方法进行详细描述。
S01、掘进机在巷道内行走掘进时，通过安装在其后端的多线束激光雷达对预先安装在巷道顶端且位于激光雷达上方的导向杆进行扫描
本实施例将3D激光雷达2安装于掘进机1后端左侧，雷达扫描方向垂直于掘进机1前进方向；将导向杆3预先安装于激光雷达2上方巷道顶部，并使导向杆沿巷道走向中轴线方向延伸；将工业控制计算机4安装于掘进机1后端的激光雷达2附近。
当掘进机在巷道内行走掘进时，通过激光雷达2对巷道导向杆进行扫描，由于激光雷达为多线束激光雷达，因此激光雷达扫描的是巷道内的三维空间。
由于煤矿井下巷道环境以黑色煤层为主，反射率低下，因此，为了后续能够在巷道环境中将导向杆提取出来，本实施例采用白色的具有高反射率的导向杆，这样，在被激光雷达扫描后，可以通过反射率差异将导向杆从巷道环境中提取出来。
S02、在激光雷达扫描导向杆时，获取导向杆的相关参数，并根据获取的相关参数得到掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离；
在激光雷达扫描导向杆时，可通过安装在掘进机1上的接收单元5接收激光雷达2扫描导向杆3后所得到的反射激光信号并将反射激光信号转化为电信号，并将电信号发送给数据处理单元，数据处理单元接收到电信号后对其进行数据处理。
其中，数据处理单元根据接收单元的电信号进行数据处理时，需要处理通过雷达提取到的导向杆距离信息和反射率数据，提取出导向杆的距离参数(上述各参数为基于雷达坐标系的参数，即，基于如图3所示的坐标系O1-X1Y1Z1中的数据，提取参数的方法可采用现有技术的方法，在此不再细述)；然后，将各数据转换到机身坐标系中(即，基于如图3所示的坐标系O0-X0Y0Z0)；接着，再计算出导向杆在平面坐标系(即图3所示的坐标系XOY)中的直线方程；然后，计算出导向杆与掘进机机身的相对角度和距离关系(即，计算出水平投影中掘进机与巷道中轴线的偏移距离和角度)，角度和距离数据通过数据处理单元自身的串口发送给上位机。
具体的，在获取导向杆在雷达坐标系里的坐标数据后，利用变换矩阵对获得的导向杆坐标数据进行空间位姿转换，以获取导向杆在巷道平面内机身坐标系下的坐标数据，变换矩阵为：
Figure BDA0002934298120000071
式(1)中：
Figure BDA0002934298120000072
为激光雷达测得的导向杆数据，i为0到n，n为激光雷达测到的导向杆上所有点的最大值(如，对于16线激光雷达来说，n＝15；对于32线激光雷达来说，n＝31)，测得的每个点的导向杆数据均为包括有各点三个坐标值矩阵的转置矩阵；
Figure BDA0002934298120000073
为将
Figure BDA0002934298120000074
对应转换至机身坐标系中的导向杆数据，Rot为机身坐标系相对雷达坐标系的姿态旋转矩阵，由雷达在机身安装位置可知，Rot可由下式得到：
Figure BDA0002934298120000075
式(2)中，α、β、γ分别为雷达坐标系相对机身坐标系的对应坐标系转角。
P为雷达坐标系相对机身坐标系的坐标系间平移向量，P＝[tx，ty，tz]T。
经过上述坐标变换得到导向杆在机身坐标系中巷道水平面投影[xi，yi]，i＝0...n，采用最小二乘线性拟合，得到导向杆在巷道平面内机身坐标系的平面线性方程：
y＝a+b*x (3)
其中：
Figure BDA0002934298120000081
利用导向杆的平面线性方程后，可得到掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离，计算公式分别如下：
机身偏移角度：
Ψ＝pi/2-atan(b) (5)
偏移距离：
x＝-a/b*cos(ψ)-t (6)
其中：pi为圆周率，atan为反正切函数，t为导向杆与巷道中轴线的偏移距离，为已知量。
S03、根据得到的掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离，控制掘进机行走系统对行走方向及位置进行调整，以使掘进机沿巷道中轴线自动行走角度和距离数据通过数据处理单元自身的串口发送给上位机。
上位机在收到数据处理单元发送的掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离的数据后，控制掘进机行走系统对行走方向及位置进行调整，以使掘进机沿巷道中轴线自动行走。
需要说明的是，在上述掘进机自动行走的过程中，每当导向杆脱离激光雷达扫描区域时，均需沿掘进机行走方向前移导向杆，以便激光雷达可以实时扫描导向杆，并对扫描的数据进行实时处理与上传，从而通过上位机控制掘进机行走系统，使得掘进机可以始终沿着巷道的中轴线自动行走。
下面，以16线激光雷达在某位置处探测得到导向杆具体数据为例，描述采用本发明方法进行掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离计算的过程。
16线激光雷达在某位置处探测得到导向杆在雷达坐标系O1-X1Y1Z1下三维坐标
Figure BDA0002934298120000082
如下：
[-0.678913，1.63762，0.464524]
[-0.657367，1.65795，0.402679]
[-0.63445，1.66722，0.33938]
[-0.604862，1.65049，0.272409]
[-0.589222，1.66341，0.212026]
[-0.562573，1.65302，0.149453]
[-0.546283，1.6808，0.0906364]
[-0.524684，1.68393，0.0301252]
[-0.336199，1.65497，-0.442374]
[-0.36422，1.6831，-0.388823]
[-0.386733，1.69539，-0.330327]
[-0.41009，1.68649，-0.268585]
[-0.439103，1.69946，-0.210562]
[-0.458283，1.67485，-0.148304]
[-0.481014，1.68437，-0.0895165]
[-0.499343，1.66792，-0.0294313]
已知α、β、γ分别为0、π/2、0，根据上述公式(2)计算得到旋转矩阵如下：
Rot＝[1 0 0；0 0 -1；0 1 0]
同时已知平移向量P＝[0，-5，0]，则通过公式(1)得到机身坐标系下导向杆数据
Figure BDA0002934298120000091
[-0.678913，-5.46452，1.63762]
[-0.657367，-5.40268，1.65795]
[-0.63445，-5.33938，1.66722]
[-0.604862，-5.27241，1.65049]
[-0.589222，-5.21203，1.66341]
[-0.562573，-5.14945，1.65302]
[-0.546283，-5.09064，1.6808]
[-0.524684，-5.03013，1.68393]
[-0.336199，-4.55763，1.65497]
[-0.36422，-4.61118，1.6831]
[-0.386733，-4.66967，1.69539]
[-0.41009，-4.73142，1.68649]
[-0.439103，-4.78944，1.69946]
[-0.458283，-4.8517，1.67485]
[-0.481014，-4.91048，1.68437]
[-0.499343，-4.97057，1.66792]
取上述数据中的x和y值构成[xi，yi]，i＝0...n，n＝15。
根据公式(4)，可得到a＝-3.6233，b＝2.70154。
根据公式(5)，可得到掘进机位于该位置处时，掘进机相对巷道中轴线的机身偏移距离为1.25779m，偏移角为20.3228度。
根据得到的上述数据，可控制掘进机行走系统对掘进机行走方向及位置进行调整，从而使掘进机沿巷道中轴线自动行走。
综上所述，本发明的基于3D激光雷达的掘进机定位定向方法及装置具有如下优点：
本发明以3D激光雷达为基础，实现了基于3D激光雷达的矿用掘进机定位定向方法，能够实时、有效地确定掘进机作业过程中偏离巷道走向中轴线的距离和角度，从而提高整个掘进作业的准确性，并有助于掘进作业的自动化实现。
尽管上文对本发明作了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种掘进机定位定向方法，其特征在于，包括：
掘进机在巷道内行走掘进时，通过安装在其后端的多线束激光雷达对预先安装在巷道顶端且位于激光雷达上方的导向杆进行扫描；
在激光雷达扫描导向杆时，获取导向杆的相关参数，并根据获取的相关参数得到掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离；
根据得到的掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离，控制掘进机行走系统对行走方向及位置进行调整，以使掘进机沿巷道中轴线自动行走；
在掘进机自动行走的过程中，每当导向杆脱离激光雷达扫描区域时，沿掘进机行走方向前移导向杆，以便激光雷达可以实时扫描导向杆，使得掘进机始终沿着巷道的中轴线自动行走。
2.根据权利要求1所述的掘进机定位定向方法，其特征在于，所述获取的导向杆的相关参数，为导向杆在雷达坐标系里的坐标数据。
3.根据权利要求2所述的掘进机定位定向方法，其特征在于，根据获取的导向杆的相关参数，得到掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离包括：
获取导向杆在雷达坐标系里的坐标数据后，利用变换矩阵对获得的导向杆坐标数据进行转换，以获取导向杆在巷道平面内机身坐标系下的坐标数据；
根据获取的导向杆在巷道平面内机身坐标系下的坐标数据，得到导向杆在巷道平面内机身坐标系的平面线性方程；
利用导向杆的平面线性方程，得到掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离。
4.根据权利要求3所述的掘进机定位定向方法，其特征在于，所述变换矩阵为：
Figure FDA0002934298110000011
式中：
Figure FDA0002934298110000012
为激光雷达测得的导向杆数据，
Figure FDA0002934298110000013
为将
Figure FDA0002934298110000014
对应转换至机身坐标系中的导向杆数据，Rot为机身坐标系相对雷达坐标系的姿态旋转矩阵，P为雷达坐标系相对机身坐标系的平移向量；
其中，P＝[tx,ty,tz]T，Rot由下式得到所得：
Figure FDA0002934298110000021
式中，α、β、γ分别为雷达坐标系相对机身坐标系的对应坐标系转角。
5.根据权利要求4所述的掘进机定位定向方法，其特征在于，根据获取的导向杆在巷道平面内机身坐标系下的坐标数据，得到导向杆在巷道平面内机身坐标系的平面线性方程，包括：
根据获取的导向杆在巷道平面内机身坐标系下的坐标数据，得到导向杆在机身坐标系中巷道水平面投影的数据[xi，yi]，i＝0...n，然后，采用最小二乘线性拟合，得到导向杆在巷道平面内机身坐标系的平面线性方程：
y＝a+b*x (3)
其中：
Figure FDA0002934298110000022
6.根据权利要求5所述的掘进机定位定向方法，其特征在于，利用导向杆的平面线性方程，得到掘进机相对巷道中轴线的机身偏移角度和偏移距离，分别通过如下公式计算：
机身偏移角度：
Ψ＝pi/2-atan(b) (5)
偏移距离：
x＝-a/b*cos(ψ)-t (6)
其中：pi为圆周率，atan为反正切函数，t为导向杆与巷道中轴线的偏移距离，为已知量。
7.根据权利要求1-6任一项所述的掘进机定位定向方法，其特征在于，所述掘进机上安装有用于接收激光雷达扫描导向杆后得到的反射激光信号并将反射激光信号转化为电信号的接收单元和用于根据电信号进行数据处理的数据处理单元。
8.根据权利要求7所述的掘进机定位定向方法，其特征在于，所述数据处理单元实时处理激光雷达扫描数据，并将结果发送给上位机。
9.根据权利要求8所述的掘进机定位定向方法，其特征在于，所述导向杆为白色且具有高反射率的长条状导向杆。
10.一种用于如权利要求1-9任一项所述掘进机定位定向方法的装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117270533A (zh) * 2023-09-20 2023-12-22 河北伊联智能科技有限公司 基于激光扫描的掘进机自动纠偏系统

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