[发明专利]一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位方法和装置

说明书

本发明公开了一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位装置和方法，利用巷道顶板上锚杆托盘等特征，解决了现有导航定位方法的不足和局限；测量中主要用到工业摄像机及数据采集和处理系统等装备，具有初始化完成后不依赖激光指向仪和人工干预的高度自主、高精度、高可靠性等优点，适用于煤矿井下掘进机及其它移动平台的无人驾驶场合。

技术领域

本发明涉及导航定位领域，尤其涉及一种基于顶板特征的煤矿巷道导航定位方法和装置。

背景技术

煤矿巷道尤其是主巷道使用时间一般长达数年甚至数十年，因此对巷道成型精度有较高要求，GB 50213-2010《煤炭井巷工程质量验收规范》中规定“基础掘进断面规格的允许偏差为-25mm～+150mm”。传统掘进工艺中，由悬挂在掘进机后方巷道顶板上的激光指向仪投射出经过方向标定的激光束在巷道断面上形成光斑，掘进机司机需要以这一光斑为基准进行断面测量、截割和巷道掘进才能保证巷道走向与设计方向一致，为实现这一目标，掘进机司机需要在截割过程中多次停机测量，或者依靠经验控制截割断面，而激光指向仪也需要随着巷道推进频繁前移以保证指向精度，而每次前移都需要进行繁琐的位置和指向调整和标定；另一方面，掘进工作面是煤矿井下事故率最高、环境最恶劣、作业人数最多的作业场合之一，因此，掘进工作面自动化无人化具有迫切需求，其中掘进机自主导航定位是关键技术之一。

煤矿井下巷道顶板均需要按照规定间距和行距进行支护，支护方式是在顶板钻孔后，将锚杆插入钻孔，利用锚固剂固定锚杆后，在锚杆端头用锁紧螺母将标准化的正方形托盘压紧在顶板上。锚杆的间距和行距大约为800mm，托盘一般为边长为150mm的正方形钢板。本发明以巷道顶板上的托盘为特征进行巷道内移动装备的导航定位。

公告号为CN101819036A的发明专利“一种掘进机的空间位姿自动测量方法”，该专利提出了一种针对掘进机在煤矿井下狭小巷道空间内的位姿测量方法。从技术原理上讲，该专利提供的检测方案属于“机器视觉位姿检测法”的一种。该方案将机器视觉技术引入煤巷综掘面，试图解决掘进机在巷道内的位姿检测问题。技术原理可行，但工程实际应用价值较低。由于煤巷综掘面工作环境特殊，机器视觉目前只应用于对掘进工况的监视上，直接用于位姿精确检测具有较大的实际应用难度。

公告号为CN101266134A的发明专利“悬臂掘进机头位姿的测量系统及其方法”，该专利提出了一种针对悬臂掘进机截割头空间位置的检测技术。由于该方案试图检测截割头在巷道绝对坐标系中的位置，因此整套系统中也涉及到对掘进机机身位姿的确定工作。该技术方案实质是“基于全站仪测绘的位姿检测技术”与“基于位姿敏感器的位姿检测技术”的一种综合应用。该方案能够测得机身的三个角度位姿，以及截割头在巷道坐标系中的绝对位置，但无法获得掘进机机身基于巷道设计方向轴线的偏向位移。此外，该技术中检测装置的经济成本过高，且有效检测距离过短，实际工程应用时工序繁琐、综合应用成本较高。

公告号为CN101975063A的发明专利“掘进机激光引导定位定向装置方法”该发明是在掘进机后面的巷道顶板上设置一个激光导向装置，在悬臂上安装一个激光接收器，激光接收器将接收到的光信号转化为成电压信号并进行放大，经模数转换器转换为数字信号，再经单片机程序运算和处理后，即可输出掘进机偏离激光引导方向的偏差和掘进悬臂对准掘进断面中心坐标的信息，对悬臂截割头定位。

公告号为CN102589514A的发明专利“掘进机位姿参数测量装置及其方法”，该发明涉及一种掘进机机身的位姿参数的测量装置及其方法。由激光指向仪、掘进机水平盖板、定位装置、激光接收光栅、可编程控制器、回转装置及其机架、伺服驱动装置、安全保护罩、清理刷等组成。激光指向仪指示出当前的巷道基准。工作时，由伺服驱动装置带动两个激光接收光栅先后做回转运动，当接收到激光指向仪发射的激光束时，记录下两组转角和两组距离，并返回初始位置。而两个光栅间的距离固定为ΔL，通过运算便可得到掘进机机身的五个参数：掘进机相对于巷道中心线的左右偏移、上下偏移、相对于掘进机机身中心的摇摆角、俯仰角、偏转角。

上述公开发明均与本发明公开的解决方案不同，且无法很好地解决本发明中提到的应用问题。