一种悬臂式掘进机空间位姿实时检测系统及方法技术方案

本发明专利技术提出一种悬臂式掘进机空间位姿实时检测系统及方法，包括两台十字激光发射器、工控计算机、两台网络摄像机、两个激光标靶。使用机器视觉技术作为位姿参数的采集方式，通过建立掘进机位姿解算数学模型，得到掘进机行进过程中的偏航角、俯仰角、横滚角以及机身上固定一点在巷道截面上的偏移量，即掘进机的空间位姿，可用于掘进机自动行进中的纠偏控制。实验结果表明该系统所检测角度的精度在0.5°范围内，位移的精度优于20mm，且每帧图像的处理与显示速度约为5s，满足巷道施工过程中自动、精确、实时定位的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种矿用悬臂式掘进机的空间位姿实时检测系统及方法，属采掘设备应用和机器视觉应用领域。
技术介绍
悬臂式掘进机是一种常见的采掘机械，被广泛应用于煤矿巷道和隧道的挖掘中。当前，掘进机的掘进过程主要依靠激光标靶导向以及人工目测实现，易受到现场光线和人为等因素干扰，从而造成对巷道的超挖、欠挖现象，导致企业采煤效率低下甚至引发安全问题。因此，实现掘进机掘进过程的自动化和智能化就显得尤为迫切，而要解决掘进机的自动精确掘进就必须完成对其机身空间位姿参数的自动实时检测。基于立体计算机视觉的掘进机机身位姿检测技术，其技术实质就是利用机器视觉技术代替人眼来检测和分析空间刚体的位姿，采用该技术方案具有硬件成本低、操作简便、测量精度高等特点。已有专利技术专利如公开号为CN101819036A和公开号CN102878976A，均采用立体计算机视觉的原理测量掘进机的机身位姿参数，但由于此类专利技术专利建立模型时，采用点激光源作为指向单元，故均存在激光指向单元发射的点光源易受遮挡，从而造成测量系统准确性差、不稳定，甚至导致无法检测出掘进机位姿参数。所以，此类专利技术具有局限性，不能进一步推广。
技术实现思路
本专利技术专利针对
技术介绍
的不足，提出一种悬臂式掘进机空间位姿实时检测系统及方法，可实时准确地检测出掘进机机身的空间位姿参数，且具有抗干扰性强、稳定性高等特点。为了实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术专利是一种悬臂式掘进机空间位姿实时检测系统及方法，可实时获取掘进机的位姿参数，包括偏航角α、俯仰角β、横滚角γ、以及机身中心点D(dx,dy,dz)的坐标，由于在实际操作中车前距L(即dy)对于掘进机的纠偏用处不大，故所述检测系统及方法只计算了掘进机机身上固定一点得dx与dz的值。进一步的，所述系统包括两台十字激光发射器、一台工控计算机、两台网络摄像机、两个激光标靶。进一步的，所述两台十字激光发射器为矿用防爆十字激光发射器，铅直悬挂固定于巷道顶板，分别向所述两个激光标靶发射十字激光信号。进一步的，所述两个激光标靶分别固定在掘进机机身水平面的左前方与右后方，用于接收所述十字激光发射器发射的十字激光的投影。进一步的，所述两台网络摄像机为矿用防爆网络摄像机，分别安装于所述两个激光标靶的正后方，用于采集掘进机运行时刻在所述激光标靶的十字激光成像。进一步的，所述工控计算机可以实时处理大量图形化数据，通过与所述两台网络摄像机连接，分别提取所述网络摄像机采集的左右激光标靶上的成像并进行图像处理和特征参数提取。进一步的，经所述工控计算机对所述网络摄像机采集图像进行处理并提取特征参数之后，从所述激光标靶靶面上可解算出激光图像的光学特征点的坐标，包括所述十字激光发射器发射出的十字激光和所述激光标靶靶面交点的坐标，所述十字激光发射器发射出的十字激光在所述激光标靶靶面投影的中心点坐标。进一步的，根据巷道坐标系和机身坐标系双坐标系模型和上述解算出的特征点的坐标，进行位姿解算，最终得到掘进机在巷道坐标系下的空间位姿参数，即偏航角α、俯仰角β、横滚角γ、左右偏距dx与上下偏距dz的值。与已有技术相比，本专利技术有益效果是：本专利技术将机器视觉技术应用于悬臂式掘进机机身位姿检测系统，将硬件软件化，具有成本低、操作简便、测量精度高等特点。此外，本专利技术还采用双十字激光发射器，有效解决了点光源易受遮挡造成的测量系统不稳定、测量结果不精确的问题，具有抗干扰性强、成本可控等特点，具备一定市场推广价值。附图说明附图1为本专利技术掘进机与测量设备相互位置图；附图2为本专利技术巷道坐标系与掘进机机身坐标系模型图；附图3为本专利技术掘进机空间位姿检测流程图；附图4为本专利技术双坐标系机身位姿数学模型向量与角度转换示意图；附图5为本专利技术激光标靶成像特征点解算示意图；附图6为本专利技术掘进机空间位姿解算示意图；附图7为本专利技术机身坐标系与巷道坐标系坐标转换示意图。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征、优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步详细阐述。设备安装及模型的建立：参考附图1所示，本专利技术专利是一种悬臂式掘进机空间位姿实时检测系统及方法，包括两台十字激光发射器1、2，两个激光标靶4、6，两台网络摄像机5、7和一台工控计算机。所述两台十字激光发射器1、2分别铅直悬挂固定于巷道顶板，安装时，保证两束水平激光重叠并平行于掘进机预设行进方向，所述两台十字激光发射器1、2发射的十字激光平面分别与所述激光标靶平面4、6垂直，所述两台激光发射器中心与巷道中轴线距离相等，所述两台激光发射器间距为l；所述两个激光标靶4、6分别固定在掘进机机身水平面的左前方与右后方，安装时保证所述两个激光标靶平行于掘进机机身的铅直面且两束十字激光分别在所述两个激光标靶上的初始成像位于中心位置；所述两台网络摄像机5、7安装于标靶的正后方，并调整相互之间距离，以保证成像的完整性。参考附图2和附图4所示，建立巷道坐标系和机身坐标系双坐标系机身位姿数学模型，所述模型要求巷道断面坐标系为OhXhYhZh，初始位置时刻所述掘进机机身中线与巷道中线重合，所述巷道坐标系原点Oh位于巷道断面的几何中心，Xh轴指向巷道右侧，Yh轴与巷道中轴线平行并指向掘进机前进方向，Zh轴垂直与上两轴构成右手关系并取向上为正方向。所述机身坐标系为ObXbYbZb建立在掘进机机身上，原点Ob位于机身中轴线上，在初始位置时Xb、Yb、Zb三轴分别与Xh、Yh、Zh三轴平行。所述模型可简化为巷道坐标系下长方体刚体位姿的确定，即机身坐标系的Xb、Yb、Zb在巷道坐标系下的向量以及刚体上任意一点在该坐标系下的坐标。其中，机身坐标系下的机身三个平面的法向量与α、β、γ的转换关系为：X→bY→bZ→b=XbxXbyXbzYbxYbyYbzZbxZbyZbz---(1)]]>进而可得，αβγ=arctanYbx(Yby)-1Ybz(Yby)-1Xbz(Xbx)-1---(2)]]>掘进机机身位姿检测整体流程：参考附图3所示，首先使用所述工控计算机对所述两台网络摄像机中提取的所述两个激光标靶上的成像进行取样，可定时对采集到的视频流取样一帧图像。进一步的，使用所述工控计算机处理图像并提取特征参数，先用Retinex图像增强算法对图像进行自适应亮度调节，由于采集到的图像产生了较大的桶行畸变，故需对图像进行畸变校正，再通过对色彩的处理过滤掉两个靶面图像中不需要的激光线，使用直线边缘检测的方法并根据标靶安装的实际尺寸，解算出机身坐标系下所述十字激光发射器发射出的十字激光分别与所述激光成像标靶靶面交点的坐标及所述十字激光发射器发射出的十字激光中心点在所述激光靶面成像的坐标。所述解算过程参考附图4，以所述激光标靶γ1为例，分别在极坐标下计算出直线l1、l2与四个参考点(P1-P4)连线的交点A、B、E、F、M在图像坐标系下的坐标，再按式(1)转换到机身坐标系下：XYZ=x-x1x3-x1wy-y4y1-y4h0---(3)]]>其中，(x,y)为五点在图像坐标系中的坐标，h为P1、P4间的实际距离，w为P1、P3间的实际距离，(X,Y本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种悬臂式掘进机空间位姿实时检测系统及方法，其特征在于，包括：两台十字激光发射器、一台工控计算机、两台网络摄像机、两个激光标靶，其中，所述两台十字激光发射器为矿用防爆十字激光发射器，分别铅直悬挂固定于巷道顶板，发射十字激光束；所述两个激光标靶为磨砂面半透明PC板，固定在掘进机机身水平面板的左前方与右后方，分别用于接收所述十字激光发射器发射的十字激光的投影；所述两台网络摄像机为矿用防爆网络摄像机，分别安装于所述两个激光标靶的正后方，采集掘进机运行时刻在所述激光成像标靶的十字激光成像；所述工控计算机通过与所述两台网络摄像机连接，分别提取所述网络摄像机采集的左右激光标靶上的图像，并进行处理和特征参数提取，最终得到掘进机在巷道坐标系下的空间位姿参数。

【技术特征摘要】
1.一种悬臂式掘进机空间位姿实时检测系统及方法，其特征在于，包括：两台十字激光发射器、一台工控计算机、两台网络摄像机、两个激光标靶，其中，所述两台十字激光发射器为矿用防爆十字激光发射器，分别铅直悬挂固定于巷道顶板，发射十字激光束；所述两个激光标靶为磨砂面半透明PC板，固定在掘进机机身水平面板的左前方与右后方，分别用于接收所述十字激光发射器发射的十字激光的投影；所述两台网络摄像机为矿用防爆网络摄像机，分别安装于所述两个激光标靶的正后方，采集掘进机运行时刻在所述激光成像标靶的十字激光成像；所述工控计算机通过与所述两台网络摄像机连接，分别提取所述网络摄像机采集的左右激光标靶上的图像，并进行处理和特征参数提取，最终得到掘进机在巷道坐标系下的空间位姿参数。2.根据权利要求1所述的一种悬臂式掘进机空间位姿实时检测系统及方法，其特征在于，所述两台十字激光器的安装需保证两束水平激光重叠并平行于掘进机预设行进方向，所述两台十字激光发射器发射的十字激光平面分别与所述激光标靶平面垂直，所述两台激光发射器中心与巷道中轴线距离相等，所述两台激光发射器间距为l。3.根据权利要求1所述的一种悬臂式掘进机空间位姿实时检测系统及方法，其特征在于，所述两个激光标靶安装时需保证平...

【专利技术属性】
技术研发人员：董海波，刘停，杜雨馨，周玲玲，童敏明，梁良，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32