CN116241265A - 悬臂式掘进机超挖预警装置、方法、系统、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种悬臂式掘进机超挖预警装置、方法、系统、设备及介质，属于掘进机智能控制领域。方法包括：获取红外标靶图像和激光指向仪图像；根据所述红外标靶图像，确定截割头相对于掘进机机身的位姿；根据所述激光指向仪图像，确定掘进机机身相对于巷道的位姿；根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，确定截割头相对于巷道的位姿；根据所述截割头相对于巷道的位姿，判断掘进机的截割头是否超挖，进行超挖预警。本发明通过实时检测截割头在巷道的位置，并实时反馈给防爆计算机做出决策，大大提高了工作效率及巷道成型质量。

Description

悬臂式掘进机超挖预警装置、方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明涉及掘进机智能控制领域，特别是涉及一种悬臂式掘进机超挖预警装置、方法、系统、设备及介质。

背景技术

中国煤矿井下多采用悬臂式掘进机(以下简称掘进机)完成非全断面的巷道成形截割，由于井下掘进工作面狭小，加之掘进机截割作业时高粉尘、高水雾、能见度低等因素，断面形状、方位及尺寸凭借经验或通过人工测量来保证，极易造成巷道超挖欠挖现象。

随着科学技术的发展及国家政策导向，煤矿智能化建设脚步逐渐加快，掘进机自动化程度越来越高，自动截割控制作为掘进机智能截割控制技术的关键，但在实际截割过程中由于机身滑动等扰动因素影响，导致掘进机不能按照规划的路径截割，出现断面超挖或欠挖现象，严重影响巷道成形质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种悬臂式掘进机超挖预警装置、方法、系统、设备及介质，以解决目前的掘进机截割控制技术由于机身滑动等扰动因素影响，导致出现断面超挖或欠挖现象，巷道成型质量差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种悬臂式掘进机超挖预警装置，包括：激光指向仪、红外标靶、防爆相机和防爆计算机；

所述红外标靶设置于掘进机的截割臂上；所述激光指向仪设置于所述掘进机后方的巷道顶部；所述防爆相机用于对所述红外标靶以及所述激光指向仪进行拍摄，得到红外标靶图像和激光指向仪图像；

所述防爆计算机，与所述防爆相机连接，用于：

对所述红外标靶图像和所述激光指向仪图像进行图像处理，得到处理后的红外标靶图像和处理后的激光指向仪图像；

所述处理后的红外标靶图像结合掘进机截割头位姿解算模型，确定截割头相对于掘进机机身的位姿；

所述处理后的激光指向仪图像结合掘进机机身位姿解算模型，确定掘进机机身相对于巷道的位姿；

根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，确定截割头相对于巷道的位姿；

根据所述截割头相对于巷道的位姿进行超挖预警。

可选地，所述防爆相机包括：前置防爆相机和后置防爆相机；所述前置防爆相机和所述后置防爆相机均与所述防爆计算机连接；

所述前置防爆相机用于对所述红外标靶进行拍摄，得到红外标靶图像；

所述后置防爆相机用于对所述激光指向仪进行拍摄，得到激光指向仪图像。

一种悬臂式掘进机超挖预警方法，所述掘进机超挖预警方法应用于上述的掘进机超挖预警装置，所述掘进机超挖预警方法包括：

获取红外标靶图像和激光指向仪图像；

根据所述红外标靶图像，确定截割头相对于掘进机机身的位姿；

根据所述激光指向仪图像，确定掘进机机身相对于巷道的位姿；

根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，确定截割头相对于巷道的位姿；

根据所述截割头相对于巷道的位姿，判断掘进机的截割头是否超挖，进行超挖预警。

可选地，所述根据所述红外标靶图像，确定截割头相对于掘进机机身的位姿，具体包括：

对所述红外标靶图像进行图像处理，得到处理后的红外标靶图像；

所述处理后的红外标靶图像结合掘进机截割头位姿解算模型，确定截割头相对于掘进机机身的回转角和抬升角；

根据所述截割头相对于掘进机机身的回转角和抬升角，利用公式

确定截割头相对于掘进机机身的位姿；其中，/>

表示截割头相对于掘进机机身的位姿；θ₁为截割头相对于掘进机机身的回转角；θ₂为截割头相对于掘进机机身的抬升角；d为油缸的伸缩距离；b₁为地面到掘进机机身中心的竖直方向距离；b₂为掘进机机身中心到掘进机抬升关节间的竖直方向距离；b₃为掘进机抬升关节与伸缩关节之间的高度差；a₁为掘进机机身中心到回转台中心水平距离；a₂为掘进机回转台中心与抬升关节之间水平距离；a₃为掘进机抬升关节与伸缩关节之间的距离；a₄为掘进机伸缩关节与截割头之间的水平距离。

可选地，所述根据所述激光指向仪图像，确定掘进机相对于巷道的位姿，具体包括：

对所述激光指向仪图像进行图像处理，得到处理后的激光指向仪图像；

所述处理后的激光指向仪图像结合掘进机机身位姿解算模型，确定掘进机机身相对于巷道的位姿矩阵；

根据所述位姿矩阵确定掘进机机身在巷道坐标系下的位姿。

可选地，所述根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，确定截割头相对于巷道的位姿，具体包括：

根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，利用公式

确定截割头相对于巷道的位姿；其中，/>

表示截割头相对于巷道的位姿；/>

表示截割头相对于掘进机机身的位姿；/>

表示掘进机机身相对于巷道的位姿。

可选地，所述根据所述截割头相对于巷道的位姿，判断掘进机的截割头是否超挖，进行超挖预警，具体包括：

在所述截割头上设置多个关键点，并确定多个所述关键点在截割头坐标系下的坐标矩阵；

根据所述截割头相对于巷道的位姿以及所述坐标矩阵，利用公式

确定截割头上关键点在巷道中的位姿；其中，^oP表示截割头上关键点在巷道中的位姿；/>

表示截割头相对于巷道的位姿；ⁿp表示坐标矩阵；

判断所述截割头上关键点在巷道中的位姿是否超出设置的巷道超挖预警边界；

若所述截割头上关键点在巷道中的位姿超出所述设置的巷道超挖预警边界，则进行超挖预警。

一种悬臂式掘进机超挖预警系统，包括：

图像获取模块，用于获取红外标靶图像和激光指向仪图像；所述红外标靶设置于掘进机的截割臂上；所述激光指向仪设置于所述掘进机后方的巷道顶部；

第一位姿确定模块，用于根据所述红外标靶图像，确定截割头相对于掘进机机身的位姿；

第二位姿确定模块，用于根据所述激光指向仪图像，确定掘进机机身相对于巷道的位姿；

第三位姿确定模块，用于根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，确定截割头相对于巷道的位姿；

预警模块，用于根据所述截割头相对于巷道的位姿，判断掘进机的截割头是否超挖，进行超挖预警。

一种电子设备，包括：存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述的悬臂式掘进机超挖预警方法。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的悬臂式掘进机超挖预警方法。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明的悬臂式掘进机超挖预警方法通过获取红外标靶图像和激光指向仪图像；根据所述红外标靶图像和所述激光指向仪图像，确定截割头相对于掘进机机身的位姿以及掘进机机身相对于巷道的位姿并确定截割头相对于巷道的位姿；根据所述截割头相对于巷道的位姿，判断掘进机的截割头是否超挖，进行超挖预警。本发明通过实时检测截割头在巷道的位置，并实时反馈给防爆计算机做出决策，避免了掘进机实际截割过程中由于机身滑动等扰动因素影响，导致掘进机不能按照规划的路径截割，出现超挖现象的问题，大大提高了工作效率及巷道成型质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的悬臂式掘进机超挖预警方法流程图；

图2为本发明提供的坐标系示意图；

图3为本发明在截割头上设置的关键点示意图；

图4为本发明在截割头上设置的关键点俯视图；

图5为本发明提供的巷道断面边界示意图；

图6为本发明提供的悬臂式掘进机超挖预警系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种悬臂式掘进机超挖预警装置、方法、系统、设备及介质，以解决目前的掘进机截割控制技术由于机身滑动等扰动因素影响，导致出现断面超挖或欠挖现象，巷道成型质量差的问题。

为了解决掘进机自动截割控制过程中出现的超挖现象，采用非接触视觉测量的方法得到掘进机截割头的位姿数据，提出一种悬臂式掘进机超挖预警装置、方法、系统、设备及介质。对提高煤矿井下巷道成型质量，推动煤矿智能化发展具有重要意义。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

本发明提供了一种悬臂式掘进机超挖预警装置，包括：激光指向仪、红外标靶、防爆相机和防爆计算机。

所述红外标靶设置于掘进机的截割臂上；所述激光指向仪设置于所述掘进机后方的巷道顶部；所述防爆相机用于对所述红外标靶以及所述激光指向仪进行拍摄，得到红外标靶图像和激光指向仪图像。在实际应用中，本发明的掘进机超挖预警装置还包括激光指向仪支架，所述激光指向仪支架设置于所述掘进机后方的巷道顶部，所述激光指向仪安装于所述激光指向仪支架上。所述红外标靶为红外LED标靶。

所述防爆计算机，与所述防爆相机连接，用于：对所述红外标靶图像和所述激光指向仪图像进行图像处理，得到处理后的红外标靶图像和处理后的激光指向仪图像；所述处理后的红外标靶图像结合掘进机截割头位姿解算模型，确定截割头相对于掘进机机身的位姿；所述处理后的激光指向仪图像结合掘进机机身位姿解算模型，确定掘进机机身相对于巷道的位姿；根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，确定截割头相对于巷道的位姿；根据所述截割头相对于巷道的位姿进行超挖预警。

利用视觉测量原理建立的掘进机截割头位姿解算模型和掘进机机身位姿解算模型才能得到掘进机截割头和掘进机机身的位姿信息。掘进机截割头位姿解算模型(即P4P解算模型)，利用前置防爆相机采集红外LED标靶上的红外特征点图像，经过图像处理，再结合截割头位姿解算模型(即P4P解算模型)得到截割头相对于掘进机机身的位姿信息。同理，掘进机机身位姿解算模型(即两点三线2P3L解算模型)，利用后置防爆相机采集激光指向仪图像，经过图像处理，再结合掘进机机身位姿解算模型(即两点三线2P3L解算模型)得到掘进机机身相对于巷道的位姿信息。

在实际应用中，防爆计算机主要用于对防爆相机采集到的图片进行图像处理、模型解算及分析决策。

进一步地，所述防爆相机包括：前置防爆相机和后置防爆相机；所述前置防爆相机和所述后置防爆相机均与所述防爆计算机连接。

所述前置防爆相机用于对所述红外标靶进行拍摄，得到红外标靶图像。

所述后置防爆相机用于对所述激光指向仪进行拍摄，得到激光指向仪图像。

实施例二

如图1所示，本发明还提供了一种悬臂式掘进机超挖预警方法，所述掘进机超挖预警方法应用于实施例一的悬臂式掘进机超挖预警装置，所述悬臂式掘进机超挖预警方法包括：

步骤101：获取红外标靶图像和激光指向仪图像。在实际应用中，采集掘进机状态信息，使用安装在掘进机机身上的前置摄像机(前置防爆相机)采集安装在掘进机截割臂上的红外标靶的图像，后置相机(后置防爆相机)采集在掘进机后方巷道顶部安装的激光指向仪的图像；使用安装在掘进机机身前侧的毫米波雷达测量机身距离前煤壁的距离。

步骤102：根据所述红外标靶图像，确定截割头相对于掘进机机身的位姿。在实际应用中，前置防爆相机采集红外标靶图像经过图像处理、模型解算得到截割头相对掘进机机身的回转角θ₁和抬升角θ₂；根据θ₁和θ₂得到截割头相对于掘进机机身的位姿

进一步地，所述步骤102，具体包括：

对所述红外标靶图像进行图像处理，得到处理后的红外标靶图像。

所述处理后的红外标靶图像结合掘进机截割头位姿解算模型，确定掘进机截割头相对于掘进机机身的回转角和抬升角。

根据所述掘进机截割头相对于掘进机机身的回转角和抬升角，利用公式

确定截割头相对于掘进机机身的位姿；其中，

表示截割头相对于掘进机机身的位姿；θ₁为掘进机截割头相对于掘进机机身的回转角(截割头水平摆角)；θ₂为掘进机截割头相对于掘进机机身的抬升角(截割头垂直摆角)；d为油缸的伸缩距离；b₁为地面到掘进机机身中心的竖直方向距离；b₂为掘进机机身中心到掘进机抬升关节间的竖直方向距离；b₃为掘进机抬升关节与伸缩关节之间的高度差；a₁为掘进机机身中心到回转台中心水平距离；a₂为掘进机回转台中心与抬升关节之间水平距离；a₃为掘进机抬升关节与伸缩关节之间的距离；a₄为掘进机伸缩关节与截割头之间的水平距离。

本发明在计算过程中涉及了坐标系转化概念，具体坐标系如图2所示，巷道坐标系(O_hX_hY_hZ_h)，Z轴竖直向上，Y轴沿巷道掘进方向与巷道中线重合，X轴沿水平方向；激光指向仪坐标系(O_dX_dY_dZ_d)，以激光指向仪构成的三角形中心为坐标原点，Z轴垂直于巷道顶板向上，Y轴沿巷道掘进方向，X轴沿水平方向；前置相机坐标系(O_c1X_c1Y_c1Z_c1)，后置相机坐标系(O_c2X_c2Y_c2Z_c2)，以相机光心为坐标原点，Z轴沿相机朝向拍摄的物体方向，X轴沿水平方向，Y轴垂直于Z轴竖直向下；红外标靶坐标系(O_bX_bY_bZ_b)，以标靶中心为坐标系原点O，Y轴方向向下过标靶右下角特征点，Z轴方向与悬臂轴线方向重合；掘进机机身坐标系(O_oX_oY_oZ_o)，回转台坐标系(O₁X₁Y₁Z₁)，截割臂升降关节坐标系(O₂X₂Y₂Z₂)；截割臂伸缩关节坐标系(O₃X₃Y₃Z₃)；截割头坐标系(O₄X₄Y₄Z₄)。

步骤103：根据所述激光指向仪图像，确定掘进机相对于巷道的位姿。在实际应用中，后置防爆相机采集激光指向仪图像经过图像处理、模型解算得到掘进机身相对于巷道的位姿

进一步地，所述步骤103，具体包括：

对所述激光指向仪图像进行图像处理，得到处理后的激光指向仪图像。

所述处理后的激光指向仪图像结合掘进机机身位姿解算模型，确定掘进机机身相对于巷道的位姿矩阵。在实际应用中，位姿矩阵为：

其中，

表示掘进机相对于巷道的位姿；α表示掘进机机身在巷道坐标系下绕x轴旋转的角度；β表示掘进机机身在巷道坐标系下绕y轴旋转的角度；γ表示掘进机机身在巷道坐标系下绕z轴旋转的角度；X表示掘进机机身在巷道坐标系下沿x轴平移的距离；Y表示掘进机机身在巷道坐标系下沿y轴平移的距离；Z表示掘进机机身在巷道坐标系下沿z轴平移的距离。

根据所述位姿矩阵确定掘进机机身在巷道坐标系下的位姿。

步骤104：根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，确定截割头相对于巷道的位姿。在实际应用中，根据步骤102得到的截割头相对于掘进机机身的位姿和步骤103得到的掘进机机身相对于巷道的位姿，即可得到截割头相对于巷道的位姿

进一步地，所述步骤104，具体包括：

根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，利用公式

确定截割头相对于巷道的位姿；其中，/>

表示截割头相对于巷道的位姿；/>

表示截割头相对于掘进机机身的位姿；/>

表示掘进机相对于巷道的位姿。

步骤105：根据所述截割头相对于巷道的位姿，判断掘进机的截割头是否超挖，进行超挖预警。

进一步地，步骤105，具体包括：

步骤1051：在所述截割头上设置多个关键点，并确定多个所述关键点在截割头坐标系下的坐标矩阵。在实际应用中，如图3和图4所示，在掘进机截割头上设置14个关键点(p₀,p₁…p₁₃)，即14个关键点在截割头坐标系(O₄X₄Y₄Z₄)下的坐标矩阵为ⁿp，

其中，p_0x＝0；p_0y＝0；p_0z＝0

p_1x＝0；

p_1z＝0

p_2x＝0；

p_2z＝0

p_3y＝0；p_3z＝0

p_4y＝0；p_4z＝0

p_5x＝0；p_5y＝0；p_5z＝-L

p_6x＝0；

p_7x＝0；

p_8y＝0；/>

p_9y＝0；/>

p_10x＝0；

p_10z＝-L

p_11x＝0；

p_11z＝-L

p_12y＝0；p_12z＝-L

p_13y＝0；p_13z＝-L

其中，d表示截割头的最小直径；D表示截割头的最大直径；L表示截割头的长。

步骤1052：根据所述截割头相对于巷道的位姿以及所述坐标矩阵，利用公式

确定截割头上关键点在巷道中的位姿；其中，^oP表示截割头上关键点在巷道中的位姿；/>

表示截割头相对于巷道的位姿；ⁿp表示坐标矩阵。

以p₀为例，求得的p₀在巷道中的位置oP₀＝(X₀,Y₀,Z₀)，即：

X₀＝P_0x[(cosγcosβcosθ₁ cosθ₂+(cosγsinβsinα-sinγcosα)sinθ₁ cosθ₂-(cosγsinβcosα+sinγsinα)sinθ₂)]+P_0y[cosγcosβsinθ₁-(cosγsinβsinα-sinγcosα)cosθ₁]

+P_0z[-cosγcosβcosθ₁ sinθ₂-(cosγsinβsinα-sinγcosα)sinθ₁ sinθ₂-(cosγsinβcosα+sinγsinα)cosθ₂]+cosγcosβ(b₃ cosθ₁ cosθ₂-(a₃+a₄+d)cosθ₁ sinθ₂+a₂ cosθ₁+a₁)+(cosγsinβsinα-sinγcosα)(b₃ sinθ₁ cosθ₂-(a₃+a₄+d)sinθ₁ sinθ₂+a₂ sinθ₁)+(cosγsinβcosα+sinγsinα)(-b₃ sinθ₂-(a₃+a₄+d)cosθ₂+b₂)+X

Y₀＝P_0x[sinγcosβcosθ₁ cosθ₂+(sinγsinβsinα+cosγcosα)sinθ₁ cosθ₂-(sinγsinβcosα-cosγsinα)sinθ₂]+P_0y[sinγcosβsinθ₁-(sinγsinβsinα+cosγcosα)cosθ₁]+P_0z[-sinγcosβcosθ₁ sinθ₂-(sinγsinβsinα+cosγcosα)sinθ₁ sinθ₂-(sinγsinβcosα-cosγsinα)cosθ₂]sinγcosβ(b₃ cosθ₁ cosθ₂-(a₃+a₄+d)cosθ₁ sinθ₂+a₂ cosθ₁+a₁)+(sinγsinβsinα+cosγcosα)(b₃ sinθ₁ cosθ₂-(a₃+a₄+d)sinθ₁ sinθ₂+a₂ sinθ₁)+(sinγsinβcosα-cosγsinα)(-b₃ sinθ₂-(a₃+a₄+d)cosθ₂+b₂)+Y

Z₀＝P_0x[-sinβcosθ₁ cosθ₂+cosβsinαsinθ₁ cosθ₂-cosαcosβsinθ₂]+P_0y[-sinβsinθ₁-cosβsinαcosθ₁]+

P_0z[sinβcosθ₁sinθ₂-cosβsinαsinθ₁sinθ₂-cosαcosβcosθ₂]+[-sinβ(-cosθ₁sinθ₂a₄+cosθ₁cosθ₂b₃-cosθ₁sinθ₂(a₃+d)+cosθ₁a₂+a₁)+cosβsinα(-sinθ₁sinθ₂a₄+sinθ₁cosθ₂b₃-sinθ₁sinθ₂(a₃+d)+sinθ₁a₂)+cosαcosβ(-cosθ₂a₄-sinθ₂b₃-cosθ₂(a₃+d)+b₂)+Z]。

同理，得到其余关键点^oP₁,^oP₂…^oP₁₃的坐标。

步骤1053：判断所述截割头上关键点在巷道中的位姿是否超出设置的巷道超挖预警边界。

如图5所示，以巷道地板中心点为原点O，Z轴竖直向上，Y轴沿巷道掘进方向与巷道中线重合，X轴沿水平方向建立断面坐标系。设巷道宽为W，高为H，距巷道边界向内设置一个截割头截齿高h的距离。因此，超挖左右边界为[-W/2+h,W/2-h]，超挖上下边界为[h,H-h]。

步骤1054：若所述截割头上关键点在巷道中的位姿超出所述设置的巷道超挖预警边界，则进行超挖预警。

在实际应用中，当截割头在巷道断面上截割摆动时，^oP_6x小于等于-W/2+h时左超挖，^oP_7x大于等于W/2-h时右超挖预警，^oP_8z大于等于H-h时上超挖预警，^oP_9z小于等于h时下超挖预警。

出现超挖时系统将超挖情况反馈至上位机(防爆计算机)以作控制决策的依据，由此实时判断直至整个断面完成掘进。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种悬臂式掘进机超挖预警装置、方法、系统、设备及介质，可解决掘进机实际截割过程中由于机身滑动等扰动因素影响，导致掘进机不能按照规划的路径截割，出现超挖现象的问题。

通过实时检测截割头在巷道的位置，并实时反馈给上位机做出决策，避免了因人工观察而导致的误判且降低了操作难度，大大提高了工作效率及巷道成型质量。

实施例三

为了执行上述实施例二对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种悬臂式掘进机超挖预警系统，如图6所示，该系统包括：

图像获取模块601，用于获取红外标靶图像和激光指向仪图像。

第一位姿确定模块602，用于根据所述红外标靶图像，确定截割头相对于掘进机机身的位姿。

第二位姿确定模块603，用于根据所述激光指向仪图像，确定掘进机机身相对于巷道的位姿。

第三位姿确定模块604，用于根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，确定截割头相对于巷道的位姿。

预警模块605，用于根据所述截割头相对于巷道的位姿，判断掘进机的截割头是否超挖，进行超挖预警。

实施例四

本发明还提供了一种电子设备，包括：存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行实施例二的悬臂式掘进机超挖预警方法。

实施例五

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例二的悬臂式掘进机超挖预警方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种悬臂式掘进机超挖预警装置，其特征在于，包括：激光指向仪、红外标靶、防爆相机和防爆计算机；

所述红外标靶设置于掘进机的截割臂上；所述激光指向仪设置于所述掘进机后方的巷道顶部；所述防爆相机用于对所述红外标靶以及所述激光指向仪进行拍摄，得到红外标靶图像和激光指向仪图像；

所述防爆计算机，与所述防爆相机连接，用于：

对所述红外标靶图像和所述激光指向仪图像进行图像处理，得到处理后的红外标靶图像和处理后的激光指向仪图像；

所述处理后的红外标靶图像结合掘进机截割头位姿解算模型，确定截割头相对于掘进机机身的位姿；

所述处理后的激光指向仪图像结合掘进机机身位姿解算模型，确定掘进机机身相对于巷道的位姿；

根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，确定截割头相对于巷道的位姿；

根据所述截割头相对于巷道的位姿进行超挖预警。

2.根据权利要求1所述的悬臂式掘进机超挖预警装置，其特征在于，所述防爆相机包括：前置防爆相机和后置防爆相机；所述前置防爆相机和所述后置防爆相机均与所述防爆计算机连接；

所述前置防爆相机用于对所述红外标靶进行拍摄，得到红外标靶图像；

所述后置防爆相机用于对所述激光指向仪进行拍摄，得到激光指向仪图像。

3.一种悬臂式掘进机超挖预警方法，其特征在于，所述掘进机超挖预警方法应用于权利要求1-2任一项所述的悬臂式掘进机超挖预警装置，所述掘进机超挖预警方法包括：

获取红外标靶图像和激光指向仪图像；

根据所述红外标靶图像，确定截割头相对于掘进机机身的位姿；

根据所述激光指向仪图像，确定掘进机机身相对于巷道的位姿；

根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，确定截割头相对于巷道的位姿；

根据所述截割头相对于巷道的位姿，判断掘进机的截割头是否超挖，进行超挖预警。

4.根据权利要求3所述的悬臂式掘进机超挖预警方法，其特征在于，所述根据所述红外标靶图像，确定截割头相对于掘进机机身的位姿，具体包括：

对所述红外标靶图像进行图像处理，得到处理后的红外标靶图像；

所述处理后的红外标靶图像结合掘进机截割头位姿解算模型，确定掘进机截割头相对于掘进机机身的回转角和抬升角；

根据所述掘进机截割臂相对于掘进机机身的回转角和抬升角，利用公式

，

确定截割头相对于掘进机机身的位姿；其中，

表示截割头相对于掘进机机身的位姿；θ₁为掘进机截割臂相对于掘进机机身的回转角；θ₂为掘进机截割臂相对于掘进机机身的抬升角；d为油缸的伸缩距离；b₁为地面到掘进机机身中心的竖直方向距离；b₂为掘进机机身中心到掘进机抬升关节间的竖直方向距离；b₃为掘进机抬升关节与伸缩关节之间的高度差；a₁为掘进机机身中心到回转台中心水平距离；a₂为掘进机回转台中心与抬升关节之间水平距离；a₃为掘进机抬升关节与伸缩关节之间的距离；a₄为掘进机伸缩关节与截割头之间的水平距离。

5.根据权利要求3所述的悬臂式掘进机超挖预警方法，其特征在于，所述根据所述激光指向仪图像，确定掘进机机身相对于巷道的位姿，具体包括：

对所述激光指向仪图像进行图像处理，得到处理后的激光指向仪图像；

所述处理后的激光指向仪图像结合掘进机机身位姿解算模型，确定掘进机机身相对于巷道的位姿矩阵；

根据所述位姿矩阵确定掘进机机身相对于巷道的位姿。

6.根据权利要求3所述的悬臂式掘进机超挖预警方法，其特征在于，所述根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，确定截割头相对于巷道的位姿，具体包括：

根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，利用公式

确定截割头相对于巷道的位姿；其中，/>

表示截割头相对于巷道的位姿；/>

表示截割头相对于掘进机机身的位姿；/>

表示掘进机机身相对于巷道的位姿。

7.根据权利要求3所述的悬臂式掘进机超挖预警方法，其特征在于，所述根据所述截割头相对于巷道的位姿，判断掘进机的截割头是否超挖，进行超挖预警，具体包括：

在所述截割头上设置多个关键点，并确定多个所述关键点在截割头坐标系下的坐标矩阵；

根据所述截割头相对于巷道的位姿以及所述坐标矩阵，利用公式

确定截割头上关键点在巷道中的位姿；其中，^oP表示截割头上关键点在巷道中的位姿；/>

表示截割头相对于巷道的位姿；ⁿp表示坐标矩阵；

判断所述截割头上关键点在巷道中的位姿是否超出设置的巷道超挖预警边界；

若所述截割头上关键点在巷道中的位姿超出所述设置的巷道超挖预警边界，则进行超挖预警。

8.一种悬臂式掘进机超挖预警系统，其特征在于，包括：

图像获取模块，用于获取红外标靶图像和激光指向仪图像；所述红外标靶设置于掘进机的截割臂上；所述激光指向仪设置于所述掘进机后方的巷道顶部；

第一位姿确定模块，用于根据所述红外标靶图像，确定截割头相对于掘进机机身的位姿；

第二位姿确定模块，用于根据所述激光指向仪图像，确定掘进机机身相对于巷道的位姿；

第三位姿确定模块，用于根据所述截割头相对于掘进机机身的位姿以及所述掘进机机身相对于巷道的位姿，确定截割头相对于巷道的位姿；

预警模块，用于根据所述截割头相对于巷道的位姿，判断掘进机的截割头是否超挖，进行超挖预警。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行权利要求3-7任一项所述的悬臂式掘进机超挖预警方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求3-7任一项所述的悬臂式掘进机超挖预警方法。

Images