CN114970073B - 一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统 - Google Patents
一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114970073B CN114970073B CN202111507050.5A CN202111507050A CN114970073B CN 114970073 B CN114970073 B CN 114970073B CN 202111507050 A CN202111507050 A CN 202111507050A CN 114970073 B CN114970073 B CN 114970073B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- positioning
- mining machine
- coal mining
- hydraulic support
- coal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000003245 coal Substances 0.000 claims abstract description 187
- 238000005065 mining Methods 0.000 claims abstract description 114
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims abstract description 71
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 69
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 42
- 230000004927 fusion Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 26
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 22
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 17
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims description 17
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 16
- 230000036544 posture Effects 0.000 claims description 16
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 16
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 8
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 6
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 6
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 4
- 238000000053 physical method Methods 0.000 claims description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000007499 fusion processing Methods 0.000 claims description 3
- 238000003672 processing method Methods 0.000 claims description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 abstract description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 abstract 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000036632 reaction speed Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/10—Complex mathematical operations
- G06F17/16—Matrix or vector computation, e.g. matrix-matrix or matrix-vector multiplication, matrix factorization
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/02—Reliability analysis or reliability optimisation; Failure analysis, e.g. worst case scenario performance, failure mode and effects analysis [FMEA]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Algebra (AREA)
- Geometry (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Operation Control Of Excavators (AREA)
Abstract
本发明提供了一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位方案，包括底层数据处理系统、数据修正系统和虚拟现实系统。利用采煤机上安装的两台二维激光雷达、倾角传感器和里程计采集支架和采煤机的姿态数据，经由数据修正系统修正后通过精定位系统和粗定位系统中内置的解算模块获得采煤机在工作面内的相对位置信息和绝对位置信息。在虚拟现实环境中实现截割推进过程的仿真运动，并通过人机交互获取采煤机位置信息同时给出定位结果置信度的判定。本发明为采煤机在复杂底板条件下的定位提供了一种基于激光雷达和虚拟现实技术的解决方案，解决了中小型煤矿由于无法负担昂贵的惯导仪器而导致的采煤机无法准确定位的问题，有利于降低采煤机定位的投入成本。同时避免了采煤机依靠惯导定位误差随时间累计导致长时间定位不准确的问题。
Description
技术领域
本发明涉及采煤机定位技术领域，具体为一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统。
背景技术
对于机械装备的智能化程度得到了越来越多的重视与研究，具体到综采装备来说就是要给传统的“综采三机”加上智能的“眼睛”，而采煤机作为综采装备的核心装备之一，它的位置信息的获取是后续自动化开采工作的基础，准确获得了采煤机的位置才能开展后续的采煤机姿态及刮板输送机姿态的分析工作，进而对整个综采工作面的工作状况能有比较明确的判断和预估。
目前对于采煤机定位方法的研究多为利用惯性导航元件对采煤机进行定位，但是由于矿用惯性导航元件价格昂贵，国内仅有少数大中型煤矿能够在井下安装使用，大多数中小型煤矿并不能使用惯导进行采煤机的定位，且惯性导航元件受其累计误差的影响，无法实现长时间精准定位，因此需要寻找一种新的定位方式来对采煤机进行定位。激光雷达具有测量精度高，反应速度快的特点，且相比惯性导航元件来说其成本低廉且不存在累计误差，是一种合适的定位装置。
现有技术中，公开号为201910494772.8的“一种采煤机定位监测系统及其监测方法”使用了一台2维激光雷达、一台数字摄像机、一个3轴倾角传感器及测控微机，通过2维激光雷达对定向靶进行扫描测距确定采煤机纵向位置坐标及航向角，利用数字摄像机通过图像识别确定采煤机横向坐标，利用3轴倾角传感器监测采煤机俯仰角和翻滚角，从而实现了对采煤机位置与姿态的监测。
公开号为201910289310.2的“一种采煤机在工作面煤层三维模型中精确定位方法”使用了激光雷达与惯导获取了巷道三维模型和惯性坐标，提取巷道和工作面煤层三维模型特征点后利用KD树算法对特征点进行初始匹配建立基于NDT算法的特征粗匹配点集，利用RANSAC方法去除掉错误的匹配点对，精确对齐采煤机坐标系与工作面煤层三维模型坐标系，实现采煤机在工作面煤层三维模型中精确定位。
但是上述方法的缺陷在于：1）需要进行大量前置准备工作，如扫描巷道的三维点云数据、建立巷道扫描三维模型、标定定位靶，操作繁琐，降低了开采效率。2）现有利用激光雷达的定位方法几乎都只适用于水平底板这种理想环境，与井下真实的底板条件有很大的差距，因此实用性并不高。
发明内容
本发明为了当前中小型煤矿由于成本原因无法安装惯导导致的无法对采煤机进行精确定位的问题，提供一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统。
本发明采取以下技术方案：一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统，包括底层数据处理系统、数据修正系统和虚拟现实系统，底层数据处理系统包括精定位子系统与粗定位子系统；所述的数据修正系统对倾角传感器采集到的液压支架与采煤机姿态角信息的数据进行优化，优化后的数据通过数据库接入到精定位系统中作为已知变量使用；所述的精定位子系统对采煤机上的任意一点的相对位置进行定位；所述的粗定位子系统对采煤机在工作面上的整体位置进行定位；所述的虚拟现实系统包括虚拟仿真系统、人机交互界面和置信度判定系统，整体位置定位结果通过建立的动态链接库接入虚拟仿真系统中驱动虚拟场景运作，同时将场景中采集到的采煤机实时位置数据对定位结果的置信度进行判定，最终将定位结果、场景实时位置数据、判定置信度结果在人机交互界面中显示，依据判定结果对底层数据处理系统中的参数进行调整，再次将定位结果通过动态链接库与虚拟现实系统进行交互。
精定位子系统包括参数预处理模块、相对定位解算模块以及相对定位结果的获取，其中参数预处理模块获取相对定位所需的基本尺寸参数及根据液压支架和采煤机的相对姿态对定位解析过程中的部分公式进行修正；相对定位解算模块通过激光雷达扫描液压支架立柱获取距离及角度信息，通过在采煤机机身上安装的激光雷达处及对应液压支架上建立的数个空间直角坐标系进行三维空间坐标变换，确定采煤机上定位点在液压支架基准坐标系上的位置坐标，实现采煤机的相对定位结果的获取所述的参数预处理模块中，定位所需的基本尺寸参数由测试所选取的液压支架、采煤机、刮板输送机的装配图及三机配套图获得。精定位子系统中所使用的融合后的已知变量包括数据修正系统优化后的液压支架俯仰角、横滚角，采煤机机身的横滚角、俯仰角。
粗定位子系统中，整体定位解算模块通过对应支架判定及里程计数据解算判定采煤机精定位所选取的对应液压支架，判定完成后将精定位结果接入即可获得采煤机在工作面上的整体定位结果。
其中对应支架判定的具体过程为：采煤机在工作时，其路径由铺设好的刮板输送机确定，依靠滑靴沿着每一节中部槽在整个工作面上往复运动，实现采煤作业，而刮板输送机的每一节中部槽则由对应的一台液压支架进行推溜来使其朝着煤壁方向运动，采煤机的运动路径可以与排布在整个工作面上的液压支架群对应起来，从而实现采煤机在整个工作面上的定位。
里程计数据解算判定具体过程为：将获得的采煤机行程数据与对应型号的刮板输送机中部槽长度相除，借助雷达布置图与采煤机装配图计算出激光雷达所在的中部槽槽号，将与该节中部槽相连接的液压支架判定为雷达对应的液压支架。
数据修正系统中，将获取的历史数据与实时数据通过贝叶斯估计算法相融合，其中历史数据指的是前两刀截割过程中倾角传感器测得的采煤机机身姿态角及前一刀截割过程中倾角传感器测得的液压支架的姿态角；根据装备三机配套图可知一次截割过程中液压支架的俯仰角和横滚角大致可与前两刀采煤机机身的横滚角和俯仰角数值均值相同，而前一刀的液压支架姿态角可对均值结果进行修正，取修正后的数值作为贝叶斯估计算法的先验信息，贝叶斯估计算法中的样本信息由实时测量的液压支架及采煤机姿态角度获取，通过上述数据融合过程即可完成对倾角传感器采集到的液压支架与采煤机姿态角信息的优化。
虚拟仿真系统包括虚拟装备、虚拟煤层底板及虚拟雷达三个部分，虚拟装备包括虚拟液压支架、采煤机和刮板输送机，通过三维建模软件对真实装备进行1：1建模，经过格式转换后导入Unity软件中，将编写好的脚本挂载到虚拟装备上使得虚拟装备能够按照真实的工作过程运行；虚拟煤层底板是预先设定好底板的起伏变化情况，利用三维建模软件完成底板模型的构建再导入Unity软件中，给底板赋予刚体属性和碰撞体组件即可完成虚拟底板的布置，虚拟雷达的建立是将真实的雷达依照上述过程在Unity软件中建立其对应的数字孪生体，将编写的脚本挂载在虚拟雷达上使得其在扫描到碰撞体时到能够返回对应的距离及角度信息，以此模拟真实雷达的扫描过程。
一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统中相对定位解算模块的解算方法。
S100～在采煤机机身上布置两个激光雷达，分别为靠近采煤机机身上表面的上方激光雷达和远离采煤机机身上表面的下方激光雷达，二者布置于采煤机机身部分电控箱面板附近，具体安装位置可根据采煤机型号进行适当调整，需保证两个激光雷达上表面与机身上表面平行，水平投影重合，高度方向二者间隔200mm。
S200～建立四个空间直角坐标系，分别为以上方激光雷达为原点的采煤机基准坐标系A，以雷达扫描平面与液压支架左侧立柱相交所截得的椭圆截面的中心为原点的立柱过渡坐标系B，以左侧立柱底部转动副中心为原点的底座过渡坐标系C以及以支架下方液压缸安装销轴的几何中心处为原点的液压支架基准坐标系D。
S300～确定激光雷达到左右两侧立柱连线的距离。
S400～确定液压支架立柱倾角θ2。
S500～确定坐标系B到坐标系C之间的距离S1。
S600～利用所建立的四个坐标系进行坐标变换，将采煤机上任意一点M转换到支架推移机构处的坐标系D中表示。
步骤S300中具体计算过程如下，根据公式2.1,2.2和2.3
（2.1）
（2.2）
（2.3）
式2.1中h1为上方激光雷达到两立柱连线的距离，m1、n1分别为上方激光雷达所测的到左右两立柱的距离加立柱半径，以此作为上方激光雷达到立柱扫描截面中心的距离，l1为两立柱间的截面中心距离；式2.2中各参数为下方激光雷达所测的数据，其含义与2.1中完全相同，且l1= l2；θ1为三角形的高与AB边的夹角。
步骤S400的具体计算公式为：
（2.4）；
步骤S500的具体计算公式为：
（2.5）
参数q1为雷达扫描平面到底板之间的距离，q2为立柱底部安装位置到底板之间的距离，S1为坐标系B到坐标系C之间的距离，q1、q2均可通过实物测量得到。
步骤S600中，坐标系变换过程如下：采煤机上任意一点M可由式2.15转换到支架推移机构处的坐标系D中表示，
（2.15）
其中，为任意一点M在坐标系A中的坐标，/>为任意一点M在坐标系D中的坐标，为从坐标系C到坐标系D的转换矩阵，/>、/>定义方式与/>相同；
令： （2.16）
为从坐标系A到坐标系D的转换矩阵；
则式2.15可转变为式2.17。
（2.17）
（2.18）
～/>为/>矩阵中的各个元素，其中，
（2.19）
其中为三角形的高与AB边的夹角，/>为液压支架立柱倾角，m1为上方激光雷达所测的到左立柱的距离加立柱半径，/>为坐标系B到坐标系C之间的距离，/>、/>、/>分别为坐标系C到坐标系D在Z、X、Y三个方向上的投影长度。
矩阵中其余各项均为0，如式2.20所示。
(2.20)
至此，采煤机基准坐标系A表示的任意一点（XA,YA，ZA）均可在液压支架基准坐标系D中表示，选定坐标系A的原点作为采煤机的定位基准点。
一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统中参数预处理模块的处理方法，包括两部分修正。
第一部分修正～根据数据修正系统修正后的液压支架俯仰角和倾角传感器采集到的采煤机横滚角将液压支架和采煤机的相对姿态关系进行分类，针对不同情况对进行修正，其中θ2液压支架立柱倾角，h 1为上方激光雷达到两立柱连线的距离，h 2为下方激光雷达到两立柱连线的距离，获取不同底板条件下的液压支架立柱倾角θ2的表达式，对于修正过程中涉及到的角度由角度判定算法通过与参数所对应的原角度作差完成角度正负值的判定，具体修正过程如下：
设由直接解算得到的角度为/>，液压支架的俯仰角为/>，采煤机的横滚角为/>，则液压支架与采煤机的相对姿态关系可分为五种情况。
当=/>=0，即判定情况为（1）时，修正后/>=/>；
当>0, />>0，即判定情况为（2）时，修正后/>=/>+/>-/>；
当>0, /><0，即判定情况为（3）时，修正后/>=/>+/>+/>；
当<0, /><0，即判定情况为（4）时，修正后/>=/>-/>+/>；
当<0, />>0，即判定情况为（5）时，修正后/>=/>-/>-/>；
不同情况的判定过程通过参数预处理模块中的角度判定算法对、/>的角度正负值进行判定完成。
第二部分修正～根据数据修正系统修正后的液压支架横滚角和倾角传感器采集到的采煤机俯仰角将液压支架和采煤机的相对姿态关系进行分类，针对不同情况下列公式2.1、2.2进行修正。
（2.1）
（2.2）
获取不同底板条件下雷达到两立柱连线的距离、/>的表达式，具体修正过程如下：
设由式2.1直接解算得到的距离为p 1，液压支架的横滚角为，采煤机的俯仰角为/>，则液压支架与采煤机的相对姿态关系可分为五种情况，
当=/>=0，即判定情况为（1）时，修正后：/>；
当>0, />>0，即判定情况为（2）时，
修正后；；
当>0, /><0，即判定情况为（3）时，
修正后；；
当<0, />>0，即判定情况为（4）时，
修正后；；
当<0, /><0，即判定情况为（5）时，
修正后；；
不同情况的判定过程通过参数预处理模块中的角度判定算法对、/>的角度正负值进行判定完成。
h 2的修正方法与h 1相同，将修正后θ2、h 1、h 2代入计算完成复杂底板条件下采煤机的相对定位。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：
1、本发明对采煤机和液压支架的相对姿态关系进行了解析，不需要预设理想的底板条件，能够适用于真实井下起伏不平的复杂地形，对于底板起伏变化剧烈的煤矿来说具有很强的实用性。
2、本发明为中小型煤矿提供了一种高效低成本的采煤机定位方案，解决了中小型煤矿由于无法负担昂贵的惯导仪器而导致的采煤机无法准确定位的问题，有利于降低采煤机定位的投入成本。
3、采用激光雷达、倾角传感器对采煤机定位不存在累计误差，采集到的数据比较真实准确。相比采用惯导的采煤机定位方式来说避免了由于累计误差而造成的长时间定位不准确的问题。
4、相比已有的使用激光雷达和惯导的定位方法来说，本方案事先不需要进行复杂的定位靶标记或者地图构建准备工作，也不需要在工作过程中停车，利用激光雷达和倾角传感器及里程计元件即可完成实时定位过程，方案简便易行。
5、本方案利用虚拟现实技术在所构建的综采场景中能够实时显示采煤机的位置信息，同时可以在线验证方案的置信度。采用本方案所提供的系统，试验人员能够直观便捷地获取定位结果同时能够通过修改相应参数条件对不同环境下的定位系统进行测试，解决了实际井下环境中测试困难、测试成本大的问题，大幅提高了测试效率。
附图说明
图1为坐标系的建立示意图；
图2为雷达距离测量参数图；
图3为确定立柱倾角参数图；
图4为确认参数S1示意图；
图5为采煤机基准坐标系A到立柱过渡坐标系B的变换示意图；
图6为立柱过渡坐标系B到底座过渡坐标系C的变换示意图；
图7为底座过渡坐标系C到液压支架基准坐标系D的变换示意图；
图8为复杂底板情况下液压支架俯仰角与采煤机横滚角相对姿态关系；
图9为复杂底板情况下液压支架横滚角与采煤机俯仰角相对姿态关系；
图10为采煤机在整个工作面上的粗定位示意图；
图11为本发明系统的原理图。
具体实施方式
下面结合附图1至10对本发明做进一步详细的说明。
本发明克服现有技术的不足，提供了一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位方案。解决了当前中小型煤矿由于成本原因无法安装惯导导致的无法对采煤机进行精确定位的问题，所提出的定位方案适用于起伏不平的复杂底板情况，为后续多源数据融合定位研究提供了支持。
本发明提供了一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统，包括以下内容：底层数据处理系统、数据修正系统和虚拟现实系统。
底层数据处理系统包含精定位子系统与粗定位子系统。
精定位子系统包含参数预处理模块、相对定位解算模块及相对定位结果的获取。
参数预处理模块的功能是获取相对定位所需的基本尺寸参数及根据液压支架和采煤机的相对姿态对定位解析过程中的部分公式进行修正。定位所需的基本尺寸参数由测试所选取的液压支架、采煤机、刮板输送机的装配图及三机配套图获得。
相对定位解算模块的功能是通过雷达扫描液压支架立柱获取距离及角度信息，通过在采煤机机身上安装的激光雷达处及对应液压支架上建立的数个空间直角坐标系进行三维空间坐标变换，确定采煤机上定位点在液压支架基准坐标系上的位置坐标，从而实现采煤机的相对定位结果的获取。
为实现上述目的本系统实施步骤如下：
S100～在采煤机机身上布置本模块所需的两个YDLIDAR X4二维激光雷达，二者布置于采煤机机身部分电控箱面板附近具体安装位置可根据采煤机型号进行适当调整，需保证两个雷达上表面与机身上表面平行，水平投影重合，高度方向二者间隔200mm。布置方案如图1所示。
S200～建立本模块所需的四个空间直角坐标系，分别为以上方激光雷达为原点的采煤机基准坐标系A，以雷达扫描平面与液压支架左侧立柱相交所截得的椭圆截面的中心为原点的立柱过渡坐标系B，以左侧立柱底部转动副中心为原点的底座过渡坐标系C，和以支架下方液压缸安装销轴的几何中心处为原点的液压支架基准坐标系D。各坐标系具体位置及各坐标轴指向如图1所示。
S300～确定雷达到两立柱连线的距离，各参数关系如图2所示。推导过程见公式2.1-2.3。
（2.1）
（2.2）
（2.3）
式2.1中h1为上方激光雷达到两立柱连线的距离，m1、n1分别为上方激光雷达所测的到左右两立柱的距离加立柱半径，以此作为上方激光雷达到立柱扫描截面中心的距离，l1为两立柱间的截面中心距离；式2.2中各参数为下方激光雷达所测的数据，其含义与2.1中完全相同，且l1= l2；θ1为三角形的高与AB边的夹角。
S400～确定液压支架立柱倾角θ2，各参数关系如图3所示。推导过程见公式2.4。
（2.4）。
S500～确定立柱过渡坐标系B到底座过渡坐标系C之间的距离S1，各参数关系如图4所示。S1的推导过程见公式2.5。
（2.5）
参数q1为雷达扫描平面到底板之间的距离，q2为立柱底部安装位置到底板之间的距离，S1为坐标系B到坐标系C之间的距离，q1、q2均可通过实物测量得到。
S600～利用所建立的四个坐标系进行坐标变换，将采煤机上任意一点M转换到支架推移机构处的坐标系D中表示。变换过程如下：
（1）从采煤机基准坐标系A到立柱过渡坐标系B的变换：
首先假设任意一点M在坐标系B中的坐标为（XB,YB，ZB），在坐标系A中的坐标/>为（XA,YA，ZA）。如图5所示。
（2.6）
（2.7）
将点M的三维坐标转化为齐次坐标：
（2.8）
（2.9）
（2.10）。
(2) 从立柱过渡坐标系B到底座过渡坐标系C的变换：
过程与从坐标系A到坐标系B的变换类似，如图6所示。
C处坐标系的建立利用了D-H坐标系的规则，变量为关节扭转角，/>为杆件长度。与坐标系A到坐标系B的变换类似，进行公式推导，过程如下：
（2.11）
（2.12）
由D-H坐标系建立规则可知，=90°，故可得式2.13。
（2.13）
D-H坐标系建立规则指的是在机器人关节运动学中在相邻两个关节处建立坐标系时所遵循的一种规则，具体为以两个关节旋转轴为z轴，前一个坐标的x轴沿关节连接杆件从自身z轴指向下一个z轴，此x轴垂直于两个z轴，y轴的建立按右手系确定。
（2）从底座过渡坐标系C到液压支架基准坐标系D的变换：
如图7所示。图7中参数S1、S2、S3分别为坐标系C到坐标系D在Z、X、Y三个方向上的投影长度，均可由实物测量获得。推导过程与上文类似，见式2.14。
（2.14）
通过上述过程的推导，采煤机上任意一点M可由式2.15转换到支架推移机构处的坐标系D中表示。
（2.15）
令： （2.16）
则式2.15可转变为式2.17。
（2.17）
（2.18）
其中，
（2.19）
矩阵中其余各项均为0，如式2.20所示。/> (2.20)
至此，采煤机基准坐标系A表示的任意一点（XA,YA，ZA）均可在液压支架基准坐标系D中表示，选定坐标系A的原点作为采煤机的定位基准点，由上述方法即可完成采煤机的相对定位。
参数预处理模块中对部分公式进行修正包含两部分，第一部分是根据数据修正系统修正后的液压支架俯仰角和倾角传感器采集到的采煤机横滚角将液压支架和采煤机的相对姿态关系进行分类，针对不同情况对式2.4进行修正，获取不同底板条件下的液压支架立柱倾角的表达式。对于修正过程中涉及到的角度由角度判定算法通过与参数所对应的原角度作差完成角度正负值的判定。具体修正过程如下：
设由式2.4直接解算得到的角度为，液压支架的俯仰角为/>，采煤机的横滚角为，则液压支架与采煤机的相对姿态关系可分为五种情况，如图8所示，/>、/>角度正负按图中规定为准。
当=/>=0，即判定情况为（1）时，修正后/>=/>；
当>0, />>0，即判定情况为（2）时，修正后/>=/>+/>-/>；
当>0, /><0，即判定情况为（3）时，修正后/>=/>+/>+/>；
当<0, /><0，即判定情况为（4）时，修正后/>=/>-/>+/>；
当<0, />>0，即判定情况为（5）时，修正后/>=/>-/>-/>。
不同情况的判定过程通过参数预处理模块中的角度判定算法对、/>的角度正负值进行判定完成。
修正的第二部分是根据数据修正系统修正后的液压支架横滚角和倾角传感器采集到的采煤机俯仰角将液压支架和采煤机的相对姿态关系进行分类，针对不同情况对式2.1、2.2进行修正，获取不同底板条件下雷达到两立柱连线的距离h1、h2的表达式。具体修正过程如下：
设由式2.1直接解算得到的距离为p 1，液压支架的横滚角为，采煤机的俯仰角为/>，则液压支架与采煤机的相对姿态关系可分为五种情况，如图9所示，/>、/>角度正负按图中规定为准。
当=/>=0，即判定情况为（1）时，修正后：/>；
当>0, />>0，即判定情况为（2）时，
修正后；；
当>0, /><0，即判定情况为（3）时，
修正后；；
当<0, />>0，即判定情况为（4）时，
修正后；；
当<0, /><0，即判定情况为（5）时，
修正后；。
不同情况的判定过程通过参数预处理模块中的角度判定算法对、/>的角度正负值进行判定完成。
h 2的修正方法与h 1相同，不再叙述。将修正后θ2代入式2.5～2.20，h 1、h 2代入式2.3、2.4中即可完成复杂底板条件下采煤机的相对定位。
采煤机的粗定位子系统包括整体定位解算模块及整体定位结果的获取。
整体定位解算模块的功能是通过对应支架判定算法及里程计数据解算判定采煤机精定位所选取的对应液压支架。判定完成后将精定位结果接入即可获得采煤机在工作面上的整体定位结果。
对应支架判定算法原理为采煤机在工作时，其路径由铺设好的刮板输送机确定，依靠滑靴沿着每一节中部槽在整个工作面上往复运动，实现采煤作业，而刮板输送机的每一节中部槽则由对应的一台液压支架进行推溜来使其朝着煤壁方向运动。因此，采煤机的运动路径可以与排布在整个工作面上的液压支架群对应起来，从而实现采煤机在整个工作面上的定位。
对应支架判定算法的具体过程为：当采煤机在刮板输送机机头位置时雷达开始扫描，实时记录扫描结果，当扫描平面内出现距离为d1的点且同时出现距离为e1的点时，记录一次；追踪距离为d1的点处距离值的变化，当其值变为e1时，再次记录，同时结束对该点的追踪；两次记录时间间隔内，可认为采煤机在对应的某台液压支架控制范围内运动，参数d1表示采煤机雷达到支架立柱间的最短距离，参数e1表示此时雷达到支架另一支柱的距离。
里程计数据解算判定具体过程为：将获得的采煤机行程数据与对应型号的刮板输送机中部槽长度相除，借助雷达布置图与采煤机装配图计算出激光雷达所在的中部槽槽号，将与该节中部槽相连接的液压支架判定为雷达对应的液压支架。
数据修正系统能够将获取到的历史数据与实时数据通过贝叶斯估计算法相融合，对倾角传感器采集到的液压支架与采煤机姿态角信息进行优化，优化后的数据通过数据库接入到精定位系统中作为已知变量使用。
历史信息指的是前两刀截割过程中倾角传感器测得的采煤机机身姿态角及前一刀截割过程中倾角传感器测得的液压支架的姿态角。根据装备三机配套图可知一次截割过程中液压支架的俯仰角和横滚角大致可与前两刀采煤机机身的横滚角和俯仰角数值均值相同，而前一刀的液压支架姿态角可对均值结果进行修正，取修正后的数值作为贝叶斯估计算法的先验信息。
贝叶斯估计算法中的样本信息由实时测量的液压支架及采煤机姿态角度获取，通过上述数据融合过程即可完成对倾角传感器采集到的液压支架与采煤机姿态角信息的优化。
虚拟现实系统包括虚拟仿真系统、人机交互界面和置信度判定系统。在虚拟现实环境下能够完成测试装备的工作过程与定位过程的仿真，定位结果通过建立的动态链接库接入仿真系统中驱动虚拟场景运作，同时将场景中采集到的采煤机实时位置数据以数据库的形式导出，在MATLAB中编写算法对定位结果的置信度进行判定，最终将定位结果、场景实时位置数据、判定置信度结果都在人机交互界面中显示出来以供研究人员分析，依据判定结果可对底层数据处理系统中的参数进行调整，再次将定位结果通过动态链接库与虚拟现实系统进行交互，以实现对定位结果的迭代优化。
所述虚拟仿真系统包括虚拟装备、虚拟煤层底板及虚拟雷达三个部分。虚拟装备指虚拟液压支架、采煤机和刮板输送机，通过三维建模软件对真实装备进行1：1建模，经过格式转换后导入Unity3D软件中，将编写好的C#脚本挂载到虚拟装备上使得虚拟装备能够按照真实的工作过程运行。虚拟底板是预先设定好底板的起伏变化情况，利用三维建模软件完成底板模型的构建再导入Unity3D软件中，给底板赋予刚体属性和Mesh碰撞体组件即可完成虚拟底板的布置。虚拟雷达的建立是将真实的雷达依照上述过程在Unity3D软件中建立其对应的数字孪生体，将编写的C#脚本挂载在虚拟雷达上使得其在旋转的过程中能够发射出扇形的红外射线族，同时给液压支架的立柱赋予collider碰撞体组件，当射线扫描到立柱时，能够返回对应的距离及角度信息。以此模拟真实雷达的扫描过程。
人机交互界面是由Unity3D软件自带的UGUI控件进行设计，预留定位结果显示面板、实时场景数据获取面板和置信度结果显示面板位置，将精定位与粗定位系统解算的结果通过动态链接库接入面板预留位置使得研究人员可以对定位结果进行分析。
置信度判定系统是利用MATLAB进行算法设计，将精定位与粗定位的结果从Excel导入SQL Server数据库中，在MATLAB中设置ODBC数据源，利用Database函数连接到数据源，再通过exec函数对数据库进行操作，完成前置工作后即可通过fetch函数进行数据的读取。根据采集到的数据特征选取合适的分布，将对应的置信度表格导入SQL Server数据库。通过脚本选取相应的置信度值，将结果接入到人机交互界面上对应的显示面板中即可完成置信度的判定。
Claims (7)
1.一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统，其特征在于：包括底层数据处理系统、数据修正系统和虚拟现实系统，底层数据处理系统包括精定位子系统与粗定位子系统；
所述的数据修正系统对倾角传感器采集到的液压支架与采煤机姿态角信息的数据进行优化，优化后的数据通过数据库接入到精定位系统中作为已知变量使用；
所述的精定位子系统对采煤机上的任意一点的相对位置进行定位；
所述的粗定位子系统对采煤机在工作面上的整体位置进行定位；
所述的虚拟现实系统包括虚拟仿真系统、人机交互界面和置信度判定系统，整体位置定位结果通过建立的动态链接库接入虚拟仿真系统中驱动虚拟场景运作，同时将场景中采集到的采煤机实时位置数据对定位结果的置信度进行判定，最终将定位结果、场景实时位置数据、判定置信度结果在人机交互界面中显示，依据判定结果对底层数据处理系统中的参数进行调整，再次将定位结果通过动态链接库与虚拟现实系统进行交互；
所述的精定位子系统包括参数预处理模块、相对定位解算模块以及相对定位结果的获取，其中参数预处理模块获取相对定位所需的基本尺寸参数及根据液压支架和采煤机的相对姿态对定位解析过程中的部分公式进行修正；相对定位解算模块通过激光雷达扫描液压支架立柱获取距离及角度信息，通过在采煤机机身上安装的激光雷达处及对应液压支架上建立的数个空间直角坐标系进行三维空间坐标变换，确定采煤机上定位点在液压支架基准坐标系上的位置坐标，实现采煤机的相对定位结果的获取所述的参数预处理模块中，定位所需的基本尺寸参数由测试所选取的液压支架、采煤机、刮板输送机的装配图及三机配套图获得，精定位子系统中所使用的融合后的已知变量包括数据修正系统优化后的液压支架俯仰角、横滚角，采煤机机身的横滚角、俯仰角；
所述的粗定位子系统中，整体定位解算模块通过对应支架判定及里程计数据解算判定采煤机精定位所选取的对应液压支架，判定完成后将精定位结果接入即可获得采煤机在工作面上的整体定位结果；
其中对应支架判定的具体过程为：采煤机在工作时，其路径由铺设好的刮板输送机确定，依靠滑靴沿着每一节中部槽在整个工作面上往复运动，实现采煤作业，而刮板输送机的每一节中部槽则由对应的一台液压支架进行推溜来使其朝着煤壁方向运动，采煤机的运动路径可以与排布在整个工作面上的液压支架群对应起来，从而实现采煤机在整个工作面上的定位；
里程计数据解算判定具体过程为：将获得的采煤机行程数据与对应型号的刮板输送机中部槽长度相除，借助雷达布置图与采煤机装配图计算出激光雷达所在的中部槽槽号，将与该节中部槽相连接的液压支架判定为雷达对应的液压支架；
所述的数据修正系统中，将获取的历史数据与实时数据通过贝叶斯估计算法相融合，其中历史数据指的是前两刀截割过程中倾角传感器测得的采煤机机身姿态角及前一刀截割过程中倾角传感器测得的液压支架的姿态角；根据装备三机配套图可知一次截割过程中液压支架的俯仰角和横滚角大致可与前两刀采煤机机身的横滚角和俯仰角数值均值相同，而前一刀的液压支架姿态角可对均值结果进行修正，取修正后的数值作为贝叶斯估计算法的先验信息，贝叶斯估计算法中的样本信息由实时测量的液压支架及采煤机姿态角度获取，通过上述数据融合过程即可完成对倾角传感器采集到的液压支架与采煤机姿态角信息的优化。
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统，其特征在于：所述的虚拟仿真系统包括虚拟装备、虚拟煤层底板及虚拟雷达三个部分，虚拟装备包括虚拟液压支架、采煤机和刮板输送机，通过三维建模软件对真实装备进行1：1建模，经过格式转换后导入Unity软件中，将编写好的脚本挂载到虚拟装备上使得虚拟装备能够按照真实的工作过程运行；虚拟煤层底板是预先设定好底板的起伏变化情况，利用三维建模软件完成底板模型的构建再导入Unity软件中，给底板赋予刚体属性和碰撞体组件即可完成虚拟底板的布置，虚拟雷达的建立是将真实的雷达依照上述过程在Unity软件中建立其对应的数字孪生体，将编写的脚本挂载在虚拟雷达上使得其在扫描到碰撞体时到能够返回对应的距离及角度信息，以此模拟真实雷达的扫描过程。
3.一种如权利要求1所述的基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统中相对定位解算模块的解算方法，其特征在于：
S100～在采煤机机身上布置两个激光雷达，分别为靠近采煤机机身上表面的上方激光雷达和远离采煤机机身上表面的下方激光雷达，二者布置于采煤机机身部分电控箱面板附近，具体安装位置可根据采煤机型号进行适当调整，需保证两个激光雷达上表面与机身上表面平行，水平投影重合，高度方向二者间隔200mm；
S200～建立四个空间直角坐标系，分别为以上方激光雷达为原点的采煤机基准坐标系A，以雷达扫描平面与液压支架左侧立柱相交所截得的椭圆截面的中心为原点的立柱过渡坐标系B，以左侧立柱底部转动副中心为原点的底座过渡坐标系C以及以支架下方液压缸安装销轴的几何中心处为原点的液压支架基准坐标系D；
S300～确定激光雷达到左右两侧立柱连线的距离；
S400～确定液压支架立柱倾角θ2；
S500～确定坐标系B到坐标系C之间的距离S1；
S600～利用所建立的四个坐标系进行坐标变换，将采煤机上任意一点M转换到支架推移机构处的坐标系D中表示。
4.根据权利要求3所述的基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统中相对定位解算模块的解算方法，其特征在于：所述的步骤S300中具体计算过程如下，根据公式2.1,2.2和2.3
（2.1）
（2.2）
（2.3）
式2.1中h1为上方激光雷达到两立柱连线的距离，m1、n1分别为上方激光雷达所测的到左右两立柱的距离加立柱半径，以此作为上方激光雷达到立柱扫描截面中心的距离，l1为两立柱间的截面中心距离；式2.2中各参数为下方激光雷达所测的数据，其含义与2.1中完全相同，且l1= l2；θ1为三角形的高与AB边的夹角。
5.根据权利要求4所述的基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统中相对定位解算模块的解算方法，其特征在于：所述的步骤S400的具体计算公式为：
（2.4）；
所述的步骤S500的具体计算公式为：
（2.5）
参数q1为雷达扫描平面到底板之间的距离，q2为立柱底部安装位置到底板之间的距离，S1为坐标系B到坐标系C之间的距离，q1、q2均可通过实物测量得到。
6.根据权利要求5所述的基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统中相对定位解算模块的解算方法，其特征在于：所述的步骤S600中，坐标系变换过程如下：采煤机上任意一点M可由式2.15转换到支架推移机构处的坐标系D中表示，
（2.15）
其中，为任意一点M在坐标系A中的坐标，/>为任意一点M在坐标系D中的坐标，/>为从坐标系C到坐标系D的转换矩阵，/>、/>定义方式与/>相同；
令： （2.16）
为从坐标系A到坐标系D的转换矩阵；
则式2.15可转变为式2.17；
（2.17）
（2.18）
为/>矩阵中的各个元素，其中，
（2.19）
其中为三角形的高与AB边的夹角，/>为液压支架立柱倾角，m1为上方激光雷达所测的到左立柱的距离加立柱半径，/>为坐标系B到坐标系C之间的距离，/>、/>、/>分别为坐标系C到坐标系D在Z、X、Y三个方向上的投影长度；
矩阵中其余各项均为0，如式2.20所示；
(2.20)
至此，采煤机基准坐标系A表示的任意一点（XA,YA，ZA）均可在液压支架基准坐标系D中表示，选定坐标系A的原点作为采煤机的定位基准点。
7.一种如权利要求1所述的基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统中参数预处理模块的处理方法，其特征在于：包括两部分修正，
第一部分修正～根据数据修正系统修正后的液压支架俯仰角和倾角传感器采集到的采煤机横滚角将液压支架和采煤机的相对姿态关系进行分类，针对不同情况对进行修正，其中θ2液压支架立柱倾角，h 1为上方激光雷达到两立柱连线的距离，h 2为下方激光雷达到两立柱连线的距离，获取不同底板条件下的液压支架立柱倾角θ2的表达式，对于修正过程中涉及到的角度由角度判定算法通过与参数所对应的原角度作差完成角度正负值的判定，具体修正过程如下：
设由直接解算得到的角度为/>，液压支架的俯仰角为/>，采煤机的横滚角为/>，则液压支架与采煤机的相对姿态关系可分为五种情况；
当，即判定情况为（1）时，修正后/>；
当, />，即判定情况为（2）时，修正后/>；
当, />，即判定情况为（3）时，修正后/>；
当,/>，即判定情况为（4）时，修正后/>；
当, />，即判定情况为（5）时，修正后/>；
不同情况的判定过程通过参数预处理模块中的角度判定算法对、/>的角度正负值进行判定完成；
第二部分修正～根据数据修正系统修正后的液压支架横滚角和倾角传感器采集到的采煤机俯仰角将液压支架和采煤机的相对姿态关系进行分类，针对不同情况下列公式2.1、2.2进行修正，
（2.1）
（2.2）
获取不同底板条件下雷达到两立柱连线的距离、/>的表达式，具体修正过程如下：
设由式2.1直接解算得到的距离为p 1，液压支架的横滚角为，采煤机的俯仰角为/>，则液压支架与采煤机的相对姿态关系可分为五种情况，
当，即判定情况为（1）时，修正后：/>；
当, />，即判定情况为（2）时，
修正后；；
当,/>，即判定情况为（3）时，
修正后；；
当,/>，即判定情况为（4）时，
修正后；；
当,/>，即判定情况为（5）时，
修正后；；
不同情况的判定过程通过参数预处理模块中的角度判定算法对、/>的角度正负值进行判定完成；
h 2的修正方法与h 1相同，将修正后θ2、h 1、h 2代入计算完成复杂底板条件下采煤机的相对定位。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111507050.5A CN114970073B (zh) | 2021-12-10 | 2021-12-10 | 一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111507050.5A CN114970073B (zh) | 2021-12-10 | 2021-12-10 | 一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114970073A CN114970073A (zh) | 2022-08-30 |
| CN114970073B true CN114970073B (zh) | 2024-04-02 |
Family
ID=82975343
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111507050.5A Active CN114970073B (zh) | 2021-12-10 | 2021-12-10 | 一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114970073B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2815831A1 (en) * | 2012-09-21 | 2014-03-21 | Komatsu Ltd. | Working vehicle periphery monitoring system and working vehicle |
| WO2019007439A1 (zh) * | 2017-07-04 | 2019-01-10 | 中国矿业大学 | 基于采煤机震源超前探测的采煤机自动调高装置及方法 |
| CN113051756A (zh) * | 2021-03-24 | 2021-06-29 | 太原理工大学 | 一种虚实融合的采煤机记忆截割试验系统和方法 |
-
2021
- 2021-12-10 CN CN202111507050.5A patent/CN114970073B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2815831A1 (en) * | 2012-09-21 | 2014-03-21 | Komatsu Ltd. | Working vehicle periphery monitoring system and working vehicle |
| WO2019007439A1 (zh) * | 2017-07-04 | 2019-01-10 | 中国矿业大学 | 基于采煤机震源超前探测的采煤机自动调高装置及方法 |
| CN113051756A (zh) * | 2021-03-24 | 2021-06-29 | 太原理工大学 | 一种虚实融合的采煤机记忆截割试验系统和方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于单目视觉与里程计的组合室内定位研究;方章云;袁亮;侯爱萍;吴金强;;组合机床与自动化加工技术;20191220(12);全文 * |
| 基于记忆割煤方法的采煤机监控系统设计;贾文;李玉虎;丰界泽;赵义;邸晟钧;刘顺;闫孝姮;;煤炭工程;20200120(01);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114970073A (zh) | 2022-08-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109579831B (zh) | 矿用悬臂式掘进机可视化辅助导引方法和系统 | |
| CN110033489B (zh) | 一种车辆定位准确性的评估方法、装置及设备 | |
| CN110412616A (zh) | 一种矿区地下采场验收方法与装置 | |
| CN107301648B (zh) | 基于重叠区域边界角度的冗余点云去除方法 | |
| CN107741234A (zh) | 一种基于视觉的离线地图构建及定位方法 | |
| CN108549771A (zh) | 一种挖掘机辅助施工系统及方法 | |
| CN101630418B (zh) | 三维模型的测量和重建一体化方法及其系统 | |
| CN108801142A (zh) | 一种特大尺寸工件双移动测量机器人系统及方法 | |
| CN102494657A (zh) | 一种曲面轮廓测量及检测的测头半径补偿方法 | |
| CN113607135A (zh) | 一种用于路桥施工领域的无人机倾斜摄影测量方法 | |
| CN103712555A (zh) | 汽车大梁装配孔视觉在线测量系统及其方法 | |
| CN103292695A (zh) | 一种单目立体视觉测量方法 | |
| CN112050732B (zh) | 一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测方法及系统 | |
| CN106323286B (zh) | 一种机器人坐标系与三维测量坐标系的变换方法 | |
| CN113124797B (zh) | 一种基于可调节底板的液压支架群位姿模拟系统 | |
| CN117291959A (zh) | 基于激光slam的工作面整体工作空间虚拟重构方法 | |
| CN103899338A (zh) | 一种基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法 | |
| CN114279324B (zh) | 一种预制构件外观质量全方位智能检测方法 | |
| CN114741761A (zh) | 一种基于三维激光扫描与bim逆向建模的厂房结构复原方法 | |
| Wang et al. | A new method for measuring the attitude and straightness of hydraulic support groups based on point clouds | |
| CN116563377A (zh) | 一种基于半球投影模型的火星岩石测量方法 | |
| Zeng et al. | Measurement method and experiment of hydraulic support group attitude and straightness based on binocular vision | |
| CN116977590A (zh) | 一种基于倾斜摄影技术的建筑基坑监测方法 | |
| Grudziński et al. | Stereovision tracking system for monitoring loader crane tip position | |
| CN114970073B (zh) | 一种基于激光雷达的采煤机虚实融合定位系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |