[發明專利]一種懸臂式掘進機空間位姿自動檢測方法及系統

有效

• 申請號: 202010850770.0
• 申請日: 2020-08-21
• 公開（公告）號: CN112050732B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 張旭輝;謝楠;張超;楊文娟;張楷鑫;周創
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 西安恒泰知識產權代理事務所 61216
• 代理人: 祁凡雨

本發明公開了一種懸臂式掘進機空間位姿自動檢測方法及系統，首先前置防爆相機采集截割臂上的標靶圖像，通過視覺測量的方法確定掘進機截割頭相對于機體的位姿；計算掘進機機身相對于巷道的位姿；通過后置防爆相機采集巷道頂板上的兩相互平行的激光線，并進行激光線圖像的預處理、直線特征提取；通過視覺測量的方法確定掘進機機身相對于巷道的初始位姿；再結合全站儀對機身、激光指向儀相對巷道的位姿測量，完成后置防爆相機的外參標定，得到機身相對于巷道的實時位姿；另外將機身實時位姿以及截割頭實時位姿在上位機進行實時的圖形化界面顯示。通過本發明的方法和系統利用視覺測量方法可實現掘進機機身以及截割頭的空間位姿自動檢測。

技術領域

本發明屬于礦用掘進機技術領域，具體涉及一種懸臂式掘進機空間位姿自動檢測方法及系統。

背景技術

懸臂式掘進機被廣泛地應用于煤礦巷道、地鐵隧道以及鐵路工程、洞穴的掘進施工中。但由于煤礦井下的復雜環境，掘進機在井下進行掘進工作時，司機僅依靠經驗進行掘進機斷面截割方向。導致巷道走向受到多種因素影響，僅依靠經驗判斷的方法難以把握。在巷道掘進時，僅靠司機把握巷道斷面成形質量差，根據位移傳感器測量油缸的伸縮量進行計算得到截割頭的位姿的方式雖然一定程度上提高了截割頭位姿檢測的精度，但易受井下非結構化復雜環境的影響，易導致接觸式傳感器的接觸不良而使得檢測結果可靠性降低。而慣性導航對掘進機機身位姿的測量時，由于隨時間累積誤差的存在不適宜對機身位置的測量，僅能保證機身的橫滾角、俯仰角以及航向角。另外利用超聲激光等測量方式僅能獲取掘進機相對巷道的位置，雖然與慣導結合能有效實現對于掘進機位姿的檢測，但超聲和激光傳感器會因不規則的巷道而存在測量誤差，進一步影響到巷道的整體走向。

現有一種懸臂式掘進機空間位姿自動檢測系統及其測量方法專利，通過在巷道頂部安裝礦用十字結構激光器，借助防爆相機采集激光條紋圖像進行圖像處理以及特征識別，實現對特征點位置和角度的檢測，進而計算出機身的橫滾角、偏航角、橫向偏移距離、俯仰角和縱向偏移量參數。該方法存在以下缺陷：

(1)投射到臺階結構的激光線容易發生遮擋等情況，影響到位姿的解算

(2)實現截割略顯復雜，所述臺階結構安裝在掘進機機身上表面前端的方法在實際過程中實現起來較為困難，可能會對施工等造成阻擋。

發明內容

針對現有技術存在的缺點，本發明提供了一種懸臂式掘進機空間位姿自動檢測方法及系統，解決現有的掘進機截割頭及機身位姿測量方法的不足，以保證巷道掘進機效率及質量。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案予以實現：

一種懸臂式掘進機空間位姿自動檢測方法，用于實現懸臂式掘進機截割臂相對巷道的實時位姿檢測，包括以下步驟：

步驟一，計算懸臂式掘進機截割臂相對于懸臂式掘進機機體的位姿；

步驟1.1，采集懸臂式掘進機截割臂的標靶圖像；

步驟1.2，提取步驟1.1得到標靶圖像的光斑，用區域劃分法將所有光斑排序并采用最小二乘方法進行直線擬合，得到兩兩相交的四條直線將每兩條直線的交點作為特征點；利用四點透視成像方法得到所有特征點在相機坐標系中的坐標；

步驟1.3，根據特征點在標靶坐標系中的坐標以及步驟1.2得到特征點在相機坐標系中坐標，采用對偶四元數誤差模型計算截割臂相對于機體的水平擺角θ1和垂直擺角θ2；

其中，所述標靶坐標系是指以標靶圖像的中心為原點，X軸平行于標靶上下邊指向右，Y平行于標靶左右邊指向下，Z軸垂直于標靶圖像平面；

步驟1.4，根據θ1和θ2確定截割臂相對于懸臂式掘進機機體的位姿