[发明专利]基于惯导和激光雷达单点测距的掘进机定位方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于惯导和激光雷达单点测距的掘进机定位方法，首先利用激光雷达对掘进参照面进行扫描，参照面上存在一个控制点，该控制点的坐标已知，求得该控制点到激光雷达的距离，再运用掘进机、激光雷达之间的安装误差阵和惯性导航系统提供的姿态矩阵将该距离转换到导航坐标系，从而可得到掘进机的位置，又将该值与惯导提供的位置信息运用卡尔曼滤波器进行融合，得到高精度的位置信息。该定位方法能保证掘进机长时间高精度定位定向要求，具有被动测量、自成体系、不易受干扰且定位精准的优点。同时，本发明还公开了一种基于惯导和激光雷达单点测距的掘进机定位系统。

技术领域

本发明涉及掘进机的定位技术领域，特别是涉及一种基于惯导和激光雷达单点测距的掘进机定位方法及系统。

背景技术

掘进机的精确定位定向系统是巷道、隧道等掘进的关键问题，定位定向系统直接影响着掘进机工作的效率和质量。掘进机等矿用工程机械工作环境粉尘大、噪声强烈、照明条件差，严重影响了操作手的身心健康与工作效率，为了减少掘进机操作人员的工作量和提高巷道掘进工人的安全性，掘进机逐渐向自动化转化。

掘进机的自主定位定向系统是实现掘进机自动化的关键技术，现阶段相关技术主要有基于激光定位的掘进机自主定位技术、基于惯性导航系统的掘进机自主定位技术、基于惯导和视觉组合的掘进机自主定位技术和基于超宽带测量技术的掘进机自主定位技术，但上述技术均存在不足之处，其中：

(1)基于激光定位的掘进机自主定位技术的缺点：因为该方法是利用激光定位传感器根据激光靶接收的激光束生成位置信号，得到掘进机所在位置，这种方法只能得到掘进机的位置信息，而不能有效获取掘进机在巷道行进的方向和姿态。

(2)基于惯性导航系统的掘进机自主定位技术的缺点是：因为该方法是利用惯性导航系统来实时确定运载体的位置信息，但是惯性导航系统是利用惯性测量元件测量载体加速度、经过积分得到载体的姿态和位置信息，陀螺漂移等因素引起误差随时间积累，而掘进机通常需在地下工作一周甚至更长时间，因此将基于惯性测量技术的位置测量技术用于掘进机自主定位定向系统的误差随时间累积，定位精度随时间降低。

(3)基于惯导和视觉组合导航的掘进机自主定位技术利用SLAM视觉模块和I MU惯导模块的掘进机位置信息，结合位置数据库的导航定位参数，得到掘进机的位置信息。其中视觉模块是通过获取图像特征来得到目标位置，而在地下掘进环境，粉尘大，不利于图像特征的获取。

(4)基于超宽带测量技术的位置测量方法的缺点是：因为该方法是利用超宽带信号进行距离测量的无线电测距技术，超宽带信号在空气中传播时容易受到周围环境的影响，而掘进机的工作环境存放着大量的金属设备，电磁环境复杂，大幅影响了超宽带信号的正常传播，造成系统的定位信息与真实的位置信息误差较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于惯导和激光雷达单点测距的掘进机定位方法及系统，利用激光雷达单点测距技术得到激光雷达所在位置，然后与惯导进行组合导航，对惯导的累积误差进行修正，得到高精度的位置信息，具有被动测量、自成体系、不易受干扰且定位精准的优点。

一方面，本发明提供了一种基于惯导和激光雷达单点测距的掘进机定位方法，包括以下步骤：

(1)利用激光雷达对参照面进行扫描，扫描到参照面上的单一控制点，得到激光雷达到单一控制点在激光雷达坐标系中的距离；

(2)利用激光雷达与掘进机之间的安装误差阵，将该距离转换为在载体坐标系中的距离，即得到激光雷达到单一控制点在载体坐标系中的距离；

(3)利用惯导提供的姿态矩阵，将激光雷达到单一控制点在载体坐标系中的距离转换为激光雷达到单一控制点在导航坐标系中的距离；

(4)根据已知的参照面中单一控制点的坐标和激光雷达到单一控制点在导航坐标系中的距离，得到掘进机在导航坐标系中的位置坐标；