[发明专利]基于红外运动捕捉的煤矿井下移动设备定位定姿系统

说明书

本发明公开了一种基于红外运动捕捉的煤矿井下移动设备定位定姿系统，包括红外姿态捕捉数据采集模块(2)、姿态校准模块(3)、移动设备刚体建模模块(4)、移动设备位姿解算模块(5)；所述红外姿态捕捉数据采集模块(2)布置在煤矿井下巷道(1‑1)两侧壁面上方，用于巷道内移动设备(1‑2)的位姿参数采集；所述姿态校准模块(3)用于定位定姿系统初始化的标定和校准；所述移动设备刚体建模模块(4)按照移动设备特征布置于移动设备(1‑2)表面，用于构建移动设备刚体模型(4‑2)；所述移动设备位姿解算模块(5)用于测量数据的处理，并对移动设备的位姿进行实时解算和显示。其突破现有定位技术在井下的环境限制问题。

技术领域

本发明涉及煤矿井下移动设备定位技术领域，尤其涉及一种基于红外运动捕捉的煤矿井下移动设备定位定姿系统。

背景技术

巷道是煤矿井下的典型环境，掘进机、煤矿机器人及运输车等为矿井巷道最常见的移动设备，普遍面临着工作环境恶劣，电磁环境复杂，高粉尘和低光照等难题，移动设备的精确位姿确定成为煤矿智能化发展的关键问题。诸多矿井移动设备组合导航措施被提出，已有煤矿井下移动设备定位方法通常基于惯性测量单元、倾角仪、超宽带节点、RFID、激光雷达、机器视觉、全站仪、里程计、磁力计或几种方式的联合方法进行，但现有基于惯性传感器的定位方式存在误差发散的不足，超宽带节点定位容易受巷道避免反射而产生的多径效应出现定位偏移，RFID定位误差较大无法适用于狭长巷道环境下的移动设备定位，激光雷达和全站仪的定位方式应用最为广泛但价格昂贵且需要频繁移动定位基站，机器视觉及工业相机对于高粉尘和低光照下的目标定位效果较差，里程计定位误差无法应对移动设备在井下湿滑路面出现的滑移现象，而磁力计和电子罗盘受井下复杂的电磁环境影响严重且定位精度低，基于多种定位方式组合的移动设备定位方法或可减弱部分环境影响，但仍尚无在定位精度、巷道环境和定位成本中取得一种较为平衡的位姿确定方式，能为实现煤矿智能化提供可靠的技术支撑。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种基于红外运动捕捉的煤矿井下移动设备定位定姿系统，能够解决现有技术中煤矿井下移动设备位姿无法实时准确估计的问题。

为实现本发明的目的，提供一种基于红外运动捕捉的煤矿井下移动设备定位定姿系统，包括红外姿态捕捉数据采集模块、姿态校准模块、移动设备刚体建模模块、移动设备位姿解算模块；

所述红外姿态捕捉数据采集模块布置在煤矿井下巷道两侧壁面上方，用于巷道内移动设备的位姿参数采集；所述姿态校准模块用于定位定姿系统初始化的标定和校准；所述移动设备刚体建模模块按照移动设备特征布置于移动设备表面，用于构建移动设备刚体模型；所述移动设备位姿解算模块用于测量数据的处理，并对移动设备的位姿进行实时解算和显示。

在一个实施例中，所述红外姿态捕捉数据采集模块包括多个红外捕捉镜头、距离采集系统和数据集成转换装置，距离采集系统集成在红外捕捉镜头装置中并一同安装在巷道壁面上方，红外捕捉镜头之间间隔设定距离，并布置在巷道两侧以保证巷道中移动设备机体的标识点能够全时域的被3个以上的红外捕捉镜头捕捉，红外捕捉镜头发射红外光谱，红外光谱经过移动设备机体上安装的标识点反射后，由距离采集系统采集到并计算出标识点与红外捕捉镜头的距离；所述数据集成转换装置通过网线与红外捕捉镜头和移动设备位姿解算模块中的系统计算机相连接，用于实现所有红外标识点在所有红外捕捉镜头中的距离数据集成和转换，并将距离数据集成和转换得到的结果发送至所述移动设备位姿解算模块。

在一个实施例中，所述姿态校准模块包括设定数量的红外标识点，所述姿态校准模块放置在所有红外捕捉镜头采集范围内，红外捕捉镜头和数据集成转换装置获取姿态校准模块中所有红外标识点的距离数据，通过姿态校准模块中标识点的实际间距反推出系统定位定姿系统的距离与真实距离的映射关系，实现该定位定姿系统在启动初始化时的标定和校准。