[发明专利]一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测方法及系统

说明书

本发明公开了一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测方法及系统，首先前置防爆相机采集截割臂上的标靶图像，通过视觉测量的方法确定掘进机截割头相对于机体的位姿；计算掘进机机身相对于巷道的位姿；通过后置防爆相机采集巷道顶板上的两相互平行的激光线，并进行激光线图像的预处理、直线特征提取；通过视觉测量的方法确定掘进机机身相对于巷道的初始位姿；再结合全站仪对机身、激光指向仪相对巷道的位姿测量，完成后置防爆相机的外参标定，得到机身相对于巷道的实时位姿；另外将机身实时位姿以及截割头实时位姿在上位机进行实时的图形化界面显示。通过本发明的方法和系统利用视觉测量方法可实现掘进机机身以及截割头的空间位姿自动检测。

技术领域

本发明属于矿用掘进机技术领域，具体涉及一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测方法及系统。

背景技术

悬臂式掘进机被广泛地应用于煤矿巷道、地铁隧道以及铁路工程、洞穴的掘进施工中。但由于煤矿井下的复杂环境，掘进机在井下进行掘进工作时，司机仅依靠经验进行掘进机断面截割方向。导致巷道走向受到多种因素影响，仅依靠经验判断的方法难以把握。在巷道掘进时，仅靠司机把握巷道断面成形质量差，根据位移传感器测量油缸的伸缩量进行计算得到截割头的位姿的方式虽然一定程度上提高了截割头位姿检测的精度，但易受井下非结构化复杂环境的影响，易导致接触式传感器的接触不良而使得检测结果可靠性降低。而惯性导航对掘进机机身位姿的测量时，由于随时间累积误差的存在不适宜对机身位置的测量，仅能保证机身的横滚角、俯仰角以及航向角。另外利用超声激光等测量方式仅能获取掘进机相对巷道的位置，虽然与惯导结合能有效实现对于掘进机位姿的检测，但超声和激光传感器会因不规则的巷道而存在测量误差，进一步影响到巷道的整体走向。

现有一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统及其测量方法专利，通过在巷道顶部安装矿用十字结构激光器，借助防爆相机采集激光条纹图像进行图像处理以及特征识别，实现对特征点位置和角度的检测，进而计算出机身的横滚角、偏航角、横向偏移距离、俯仰角和纵向偏移量参数。该方法存在以下缺陷：

(1)投射到台阶结构的激光线容易发生遮挡等情况，影响到位姿的解算

(2)实现截割略显复杂，所述台阶结构安装在掘进机机身上表面前端的方法在实际过程中实现起来较为困难，可能会对施工等造成阻挡。

发明内容

针对现有技术存在的缺点，本发明提供了一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测方法及系统，解决现有的掘进机截割头及机身位姿测量方法的不足，以保证巷道掘进机效率及质量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测方法，用于实现悬臂式掘进机截割臂相对巷道的实时位姿检测，包括以下步骤：

步骤一，计算悬臂式掘进机截割臂相对于悬臂式掘进机机体的位姿；

步骤1.1，采集悬臂式掘进机截割臂的标靶图像；

步骤1.2，提取步骤1.1得到标靶图像的光斑，用区域划分法将所有光斑排序并采用最小二乘方法进行直线拟合，得到两两相交的四条直线将每两条直线的交点作为特征点；利用四点透视成像方法得到所有特征点在相机坐标系中的坐标；

步骤1.3，根据特征点在标靶坐标系中的坐标以及步骤1.2得到特征点在相机坐标系中坐标，采用对偶四元数误差模型计算截割臂相对于机体的水平摆角θ1和垂直摆角θ2；

其中，所述标靶坐标系是指以标靶图像的中心为原点，X轴平行于标靶上下边指向右，Y平行于标靶左右边指向下，Z轴垂直于标靶图像平面；

步骤1.4，根据θ1和θ2确定截割臂相对于悬臂式掘进机机体的位姿