[發明專利]一種多傳感器融合的巷道掘進裝備實時定位系統和方法

有效

• 申請號: 202010796825.4
• 申請日: 2020-08-10
• 公開（公告）號: CN111879314B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 秦念穩;肖正航;李建華;陳曉偉;曾苗筠;李兆陽;張宏
• 申請（專利權）人: 中國鐵建重工集團股份有限公司
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/20;G01C21/16;G01S17/08
• 代理公司: 長沙七源專利代理事務所(普通合伙) 43214
• 代理人: 張勇;周曉艷

本發明提供了一種多傳感器融合的巷道掘進設備實時定位系統，包括激光發射器、掘進裝備、慣性單元、前攝像頭、后攝像頭、雷達發射機、雷達接收機和工控機。本發明還提供了一種實時定位方法，采用了實時定位系統，建立空間坐標系；通過指向激光獲取大地坐標系下激光光斑的坐標；獲取機身坐標系下激光光斑和光源的坐標；通過機身和大地間的坐標轉換關系獲取大地坐標系下激光光斑和光源的坐標；獲取測距雷達間的距離；最后進行掘進裝備機身在大地坐標系下的位姿解算。本發明可以實現巷道掘進設備實時自動定位，定位過程不需要人工干預，實現安全高效的巷道掘進，為煤礦巷道掘進裝備無人化和智能化提供技術支撐。

技術領域

本發明涉及工程機械定位技術領域，具體涉及一種多傳感器融合的巷道掘進裝備實時定位系統和方法。

背景技術

隨著煤礦裝備技術的發展，國內煤礦巷道從以往以人工為主的掘進方式逐步實現了機械化掘進，但由于現階段巷道內掘進裝備的定位技術尚未得到突破，煤礦巷道掘進仍然依賴操作手目視操作，定位技術已成為煤礦掘進裝備智能化掘進中最亟待突破的瓶頸技術。

煤礦巷道掘進主要采用懸臂式掘進機或稱綜掘機，配合連續式皮帶運輸裝置實現快速掘進和運輸。在掘進環節中，通常由測量隊從大地基準開始接續測量直至巷道內，設置激光指向光源從后方指向采掘面，以指向激光光斑為基準確定采掘面的頂面、底面和兩幫。由于采掘現場煤塵濃度極高、能見度極差，需要反復人工手持皮尺測量頂底板和兩幫的超欠挖量。一方面，通過這種方式施工，人員必須站在采掘面附近進行操作，煤塵大、距未支護區近，對操作手造成極大的健康威脅和安全隱患；另一方面，由于采掘斷面形狀控制依賴人工目視和經驗判斷，超欠挖和截割斷面起伏嚴重，給支護帶來不便，增加了塌方風險。

目前煤礦巷道掘進機定位主要有基于全站儀、慣性傳感器、機器視覺三種位姿測量方法。煤礦井下測量環境惡劣，視線易被遮擋，導致基于全站儀的測量結果不準確；基于慣性傳感器的測量系統易受設備振動或傳感器本身誤差累積等因素影響；而基于機器視覺是目前比較可取的一種測量方法。現有技術基本上都應用了全站儀進行定位測量，因此具有一定局限性。

綜上所述，急需一種多傳感器融合的巷道掘進設備實時定位系統和方法以解決現有技術中存在的問題。

發明內容

本發明目的在于提供一種多傳感器融合的巷道掘進設備實時定位系統和方法，以解決現有煤礦巷道掘進裝備定位方法無法獲取機身在大地坐標系中的全部位姿參數、實時測量受限、測量結果不準確、不能實現安全高效的智能化掘進問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種多傳感器融合的巷道掘進設備實時定位系統，包括包括激光發射器、掘進裝備、慣性單元、前攝像頭、后攝像頭、雷達發射機、雷達接收機和工控機；

激光發射器安裝于巷道的頂板上；掘進裝備上設有慣性單元；前攝像頭安裝于掘進裝備的機身前端，后攝像頭安裝于掘進裝備的機身后端；雷達發射機安裝于激光發射器上，與安裝于掘進裝備機身后端的雷達接收機構成測距雷達模塊，測量激光發射器和掘進裝備之間的距離；工控機用于處理前攝像頭、后攝像頭、測距雷達模塊和慣性單元的數據信息，計算掘進裝備機身位姿，完成大地坐標系下對掘進裝備的實時定位。

進一步地，所述慣性單元包括三軸加速度計和三軸陀螺儀，用于測量掘進裝備機身相對于大地水平面的俯仰角和滾動角。

進一步地，所述前攝像頭為兩個相機構成的雙目視覺模塊，后攝像頭為單目相機；前攝像頭和后攝像頭的鏡頭前均加裝有濾光片。

進一步地，所述測距雷達模塊為超寬帶雷達。

本發明還提供了一種多傳感器融合的巷道掘進設備實時定位方法，采用上述的巷道掘進設備實時定位系統，巷道掘進設備實時定位方法包括以下步驟：