[發明專利]基于視覺和慣性導航系統的井下移動裝備定位方法及系統

在審

• 申請號: 202011498005.3
• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN112697131A
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 司壘;趙世豪;王忠賓;譚超;閆海峰;劉送永;江紅祥;許少毅
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/16;G01C21/20
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 田凌濤

本發明公開了一種基于視覺和慣性導航系統的井下移動裝備定位方法及系統，系統包括安裝在移動裝備的慣性導航定位裝置和雙目相機，慣性導航定位裝置包括安裝在移動裝備上的多個慣性單元，各慣性單元上分別均包括用于檢測慣性單元在三個預設方向上的三軸角速度的三軸陀螺儀、用于檢測慣性單元在三個預設方向上的三軸加速度的三軸加速度計，根據慣性導航定位裝置獲取其位置坐標和角度坐標，根據雙目相機獲取雙目相機的角度坐標和位置坐標，進而結合預設的擬合權重值，獲取移動設備的角度坐標和位置坐標，實現對移動裝備的定位；本發明提供的方法定位精度高，本發明提供的系統結構簡單，本發明提供的方法及系統用于對井下移動裝備進行準確定位。

技術領域

本發明涉及定位技術領域，具體涉及一種基于視覺和慣性導航系統的井下移動裝備定位方法。

背景技術

煤炭是我國的主體能源和重要的工業原料，但由于煤礦井下的環境特殊、工況惡劣，同時綜采工作面智能化程度還不夠高，因此，常有煤礦安全事故發生。現階段對井下移動裝備進行定位的主流方法有：紅外定位、超聲波定位、齒輪計數法、慣性導航及無線傳感網絡定位等。其中紅外定位、超聲波定位以及齒輪計數法不能測量移動裝備的航向；無線傳感網絡定位由于定位不穩定、現階段技術不夠成熟且成本過高因此也無法在井下普遍使用；且前述幾種方法的定位的精度很難保證，無法實現精確定位。

綜上所述，現階段的井下移動裝備定位技術無法滿足綜采工作面智能化工作的需求，因此還需要新的定位方法來實現井下移動裝備的精確定位。

發明內容

本發明的目的：提供一種精度高、能對井下移動設備進行準確定位的方法。

技術方案：本發明提供的方法基于按照預設位置安裝在目標移動裝備上、且基線方向與目標移動裝備的運行方向相同的雙目相機，以及按照預設位置安裝在目標移動裝備上的慣性導航定位裝置，實現對目標移動裝備的定位，其中慣性導航定位裝置包括至少一個慣性單元，各慣性單元上分別均包括用于檢測慣性單元在三個預設方向上的三軸角速度的三軸陀螺儀，以及用于檢測慣性單元在三個預設方向上的三軸加速度的三軸加速度計；

定位方法包括如下步驟：

步驟1、針對目標移動設備：以其運動起始位置為原點，建立三維的導航坐標系；

針對慣性導航定位裝置：以目標移動設備的重心為原點，建立三維的載體坐標系；并根據三維的導航坐標系和三維的載體坐標系，獲取載體坐標系到導航坐標系的載體-導航姿態轉移矩陣；

根據慣性導航定位裝置中各慣性單元檢測的三軸角速度和三軸加速度，分別獲取慣性導航定位裝置在載體坐標系下的角速度ω和加速度f；結合載體-導航姿態轉移矩陣，對慣性導航定位裝置在載體坐標系下的角速度和加速度進行姿態矩陣解算，分別獲取慣性導航定位裝置在導航坐標系下的位置坐標和角度坐標；

步驟2：針對雙目相機：根據雙目相機所捕獲的圖像，使用ORB算法提取圖像中立體特征點的特征點信息，結合特征點匹配算法和立體視覺算法，獲取雙目相機的位置坐標和角度坐標；

步驟3、根據預設的擬合權重值，結合慣性導航定位裝置在導航坐標系下的角度坐標和雙目相機的角度坐標，獲取目標移動設備的角度坐標；根據預設的權重值，結合慣性導航定位裝置在導航坐標系下的位置坐標和雙目相機的位置坐標，獲取目標移動設備的位置坐標。

作為本發明的一種優選方案，慣性導航定位裝置中的慣性單元包括：設置在載體坐標系的原點處的第一慣性單元，以及分別設置在載體坐標系的三個坐標軸上且距離載體坐標系原點的距離彼此相等的第二慣性單元、第三慣性單元、第四慣性單元。

作為本發明的一種優選方案，在步驟1中，根據如下公式：

慣性導航定位裝置在載體坐標系下的角速度ω；