[发明专利]融合单目视觉与IMU的煤矿巷道巡检机器人系统及导航方法

说明书

一种融合单目视觉与IMU的煤矿巷道巡检机器人系统及导航方法，属于机器视觉与机器人导航技术领域。该系统包括：单目相机、巡检机器人、机载惯性测量单元、机载处理器、照明灯；巡检机器人载体用于搭载机载处理器、照明灯等设备，构成导航系统的硬件部分；单目相机用于拍摄煤矿井下巷道的高清图片，构成系统的数据采集部分；所述的机载惯性测量单元融合单目相机，对齐后获得尺度信息；的照明灯用于巷道内部的照明，提高单目相机成像质量；机载处理器用于图像处理、计算巡检机器人的偏航角和机器人姿态解算。优点：采用融合视觉与惯性传感器的导航方案，具有更高的精度，结合了巷道等狭长空间的结构特点，通过交线检测，能够满足巡检机器人的实时性。

技术领域

本发明涉及机器人导航技术领域，特别是一种融合单目视觉与IMU的煤矿巷道巡检机器人系统及导航方法。

背景技术

煤矿井下巷道环境恶劣，多种事故灾害时有发生，煤矿安全机器人已经成为煤矿安全基础设施的一部分。

煤矿开采过程中会释放多种有害气体，当这些气体得不到及时的监测，会给生产带来巨大的安全隐患。巡检机器人可以通过携带最多6种气体检测传感器，对这些气体及时的有效的检测。巷道内空间狭小距离长，作为设备进出和人员通过的生命通道，如何减少铺设导航设备、根据巷道的实际情况和减少空间的占用，又能达到精确安全的导航要求已经成为煤矿巷道导航的研究热点。

传统的人工检测存在作业复杂、效率低、实时性差、主观意识和人员安全性等问题，随着矿井自动化程度的加快，最大限度降低检测员工的劳动强度，很多研究人员面对类似煤矿井下巷道的导航环境，提出了多种解决方案。其中，

专利(曹现刚,靳子浩,殷玉萍,等.井下巷道悬线巡检防爆机器人,2016.)在井下巷道顶部架设钢丝绳轨道，通过对机械机构上的设计，使其防爆机器人能够在钢丝绳轨道上以设定的速度行驶，通过机器人携带的传感器对巷道进行环境监测。

文献(田丰.煤矿探测机器人导航关键技术研究[D].中国矿业大学2014)采用三角形履带式的探测机器人，研究基于仲裁融合协调策略的导航方法。

文献(白云.煤矿蛇形探测机器人位姿控制方法研究[D].西安科技大学.2019)构建蛇形的机器人模型，定位采用卡尔曼滤波和深度学习结合的算法，通过建立蛇形机器人运动姿态数学模型，对蛇形机器人的俯仰角、偏航角和转角进行控制。

以上三种方法针对煤矿这一特殊场景，设计了不同的检测机器人，并针对检测机器人的不同结构模型进行了不同算法的导航控制。但是对于第一种方案，巷道狭长，轨道铺设困难，挤占了巷道的空间。其余两种不同形态的机器人很容易受到环境的干扰，诸如面对塌陷、遮挡等恶劣环境时，同时导航算法相对复杂，对硬件要求高。

发明内容

本发明的目的是要提供一种融合单目视觉与IMU的煤矿巷道巡检机器人系统及导航方法，解决导航中单目相机尺度的恢复、改善巷道有限光照对单目相机成像的影响、快速求解用于机器人导航的交线检测和偏航角计算的问题。

本发明的目的是这样实现的：本发明的融合单目视觉与IMU的煤矿井下巷道巡检包括用于巡检的机器人系统以及基于惯性测量单元(IMU)和单目视觉融合的机器人系统的导航方法。

用于巡检的机器人系统包括：单目相机、巡检机器人、机载惯性测量单元、机载处理器和照明灯；巡检机器人载体用于搭载机载处理器、照明灯等设备，构成导航系统的硬件部分；单目相机用于拍摄煤矿井下巷道的高清图片，构成系统的数据采集部分；机载惯性测量单元融合单目相机，对齐后获得尺度信息；照明灯用于巷道内部的照明，提高单目相机成像质量；机载处理器用于图像处理、计算巡检机器人的偏航角和机器人姿态解算。