一种基于激光反光板的井下工程机械定位系统及其方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于激光反光板的井下工程机械定位系统及其方法，包括：设置于工程机械主体上的激光雷达扫描器，对周围环境进行扫描并接收环境中的激光反光信号，实现对工程机械主体周围空间的探测；设置于井下作业区域的若干反光路标，对激光雷达扫描器发出的激光进行反射；建图模块获取激光雷达扫描器对周围环境的探测结果并处理，提取反光路标的特征，创建工程机械主体作业区域的三维地图；定位模块将三维地图和当前探测结果进行匹配，确定工程机械主体在三维空间中的位置和姿态。本发明专利技术不依赖外部额外设置的电气元件，防爆安全性高，同时避免SLAM技术由于特征缺失造成的失效，实现安全、稳定、成本低廉的工程机械主体井下精确定位功能。确定位功能。确定位功能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光反光板的井下工程机械定位系统及其方法


[0001]本专利技术涉及矿井领域和高精定位领域，具体地，涉及一种基于激光反光板的井下工程机械定位系统及其方法。

技术介绍

[0002]矿井下的人员及作业安全是多年来国家、政府和各地方矿场密切关注的问题，无人化作业是有效解决矿难事故人员安全问题的手段。井下工程机械作为井下作业的重要设备，负责完成各类的流程，包括石料的运输、开采、铲除等。因此，若要推行无人矿井则需要从对井下工程机械也进行无人化改造。
[0003]传统无人车辆主要包含三个模块：定位模块、感知模块、控制模块，因此，需要结合工程机械的工作环境对上述三个模块进行适配，其中无人工程机械的感知模块与传统无人车辆相似，且由于井下环境单一，传统感知算法足以解决问题；无人工程机械的控制模块也与传统无人车相似，对车辆模型进行适配即可；而无人工程机械由于作业环境与道路环境相差极大，因此对于其定位模块的挑战十分巨大，主要存在于以下几个方面问题：1、地下环境：由于没有卫星信号，因此无法通过全球卫星定位导航系统(GNSS)进行定位。2、防爆安全：由于井下存在瓦斯爆炸的可能，因此通过布设基站进行通信定位的方法存在安全隐患，且成本较高。3、长廊效应：由于井下环境特殊存在大量无特征的长廊，因此利用同步建图与定位(SLAM)技术进行井下定位会出现显著误差。
[0004]经过检索发现：
[0005]申请号为200910238066.3的中国专利技术专利，提出地下自主铲运机的导航控制方法，涉及一种导航控制技术，尤其涉及一种地下自主铲运机的导航控制方法。该方法包括：首先规划出目标路径，在车辆跟踪目标路径时，根据已知的初始偏差，将横向位置偏差、航向角偏差、航向角变化率偏差构成综合反馈，作为导航控制器的输入，结合PID校正控制，计算出车辆的转向控制指令，输入给车辆的电液转向控制系统，使车辆转向角发生改变，再运用该导航控制器内部构建的车辆轨迹精确推算模型，精确计算出车辆的跟踪轨迹与目标路径之间存在的偏差值，再用这些偏差值作为反馈来计算新的转向控制指令，如此反复，使车辆不断跟踪目标路径，实现地下铲运机自主导航。该专利通过激光雷达扫描特定位置安装的信标上的信息进行定位，但其基于井下绝对位置信息放置信标，而绝对位置信息本身如何获取并未阐述，因此该方法存在定位精度和连续性方面的问题，而且无法生成作业区域的三维地图。
[0006]申请号为201710818404.5的中国专利技术专利，提出一种井下精确定位系统及井下定位方法，涉及井下定位技术。包括井下信号发生端、井上定位终端，所述信号发生端包括磁场发生源、若干磁场接收单元；所述磁场接收单元与所述定位终端进行有线数据通信；磁场发生源设置在井下移动物体上或由工人随身携带，磁场接收单元按照规定的间距布置在井下巷道内；磁场发生源向磁场接收单元发出电磁场和频率信号，频率信号携带唯一标识所述磁场发生源的标识码；磁场接收单元接收电磁场产生感应电动势并计算出磁通量，将磁
通量及标识码上传至所述定位终端；定位终端根据各个磁场接收单元的磁通量和标识码计算出磁场发生源的精确位置。该申请基于路端设置的磁场接收单元进行定位。与其类似的其他专利也用到UWB的方案等。但这些方法在路端设置的单元均需要电源供电，安全性较差，而且价格较高，布置过程繁琐。
[0007]综上，现阶段技术仍然存在着一些缺陷，因此需要更进一步的技术研发，以便更加安全、可靠地解决井下工程机械在作业环境中地图创建和高精定位的问题，推动井下工程机械无人化改造进程。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于激光反光板的井下工程机械定位系统。
[0009]本专利技术的第一方面，提供一种基于激光反光板的井下工程机械定位系统，包括：
[0010]设置于井下的工程机械主体上的激光雷达扫描器，所述激光雷达扫描器对周围环境进行扫描并接收环境中的激光反光信号，实现对所述工程机械主体周围空间的探测；
[0011]设置于井下作业区域的若干反光路标，所述反光路标对所述激光雷达扫描器发出的激光进行反射，用于标识所述工程机械主体所在位置；
[0012]建图模块，获取所述激光雷达扫描器对周围环境的探测结果，进行点云滤波、降噪并提取所述反光路标的特征，创建所述工程机械主体作业区域的三维地图；
[0013]定位模块，获取所述建图模块创建的三维地图和当前所述激光雷达扫描器的探测结果，并将所述三维地图和当前探测结果进行匹配，确定所述工程机械主体在当前三维空间中的位置和姿态，实现所述工程机械主体的三维空间定位。
[0014]优选地，所述若干反光路标以不规则且不重复的分布方式布置于井下作业区域的空间内，并覆盖井下工程机械主体的可通行区域。
[0015]优选地，所述若干反光路标固定于井下的巷道周围。
[0016]优选地，所述反光路标设置于支撑装置上。
[0017]优选地，所述反光路标的表面设有激光反光板。
[0018]优选地，所述激光反光板表面覆盖有呈微棱镜结构、玻璃珠结构的逆反射材料。
[0019]优选地，基于激光反光板的井下工程机械定位系统包括：终端设备，所述终端设备获取所述建图模块创建的三维地图和所述定位模块的定位结果，实现定位信息的可视化。
[0020]本专利技术第二方面，提供一种基于激光反光板的井下工程机械定位方法，包括：
[0021]采用设置于井下的工程机械主体上的激光雷达扫描器，对周围环境进行扫描并接收环境中的激光反光信号，实现对所述工程机械主体周围空间的探测；
[0022]采用设置于井下作业区域的若干反光路标，对所述激光雷达扫描器发出的激光进行反射，用于标识所述工程机械主体所在位置；
[0023]获取所述激光雷达扫描器对周围环境的探测结果，进行点云滤波、降噪，并提取所述反光路标的特征，创建所述工程机械主体作业区域的三维地图；
[0024]获取创建的所述三维地图和当前所述激光雷达扫描器的探测结果，并将所述三维地图和当前探测结果进行匹配，确定所述工程机械主体在当前三维空间中的位置和姿态，实现所述工程机械主体的三维空间定位。
[0025]优选地，基于激光反光板的井下工程机械定位方法，具体按照以下操作进行：
[0026]所述工程机械主体进入部署好所述反光路标的作业区域后，以人工或者遥控的方式驾驶所述工程机械主体行驶，此时系统进入建图模式，在所述工程机械主体行驶过程中所述激光雷达扫描器会对周围环境进行扫描，在完成一次数据采集后，根据扫描得到的激光点云进行滤波、降噪，并进行特征的提取和匹配，构建作业区域巷道的三维地图；
[0027]载入已建立好的所述三维地图，并且系统进入定位模式，所述工程机械主体在行驶的过程中通过所述激光雷达扫描器对周围所述反光路标的扫描得到车辆相对所述反光路标的三维点云，并将数据进行处理和特征提取后与所述三维地图进行匹配，从而计算出所述工程机械主体在当前作业环境中的精确位置和姿态。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光反光板的井下工程机械定位系统，其特征在于，包括：设置于井下的工程机械主体上的激光雷达扫描器，所述激光雷达扫描器对周围环境进行扫描并接收环境中的激光反光信号，实现对所述工程机械主体周围空间的探测；设置于井下作业区域的若干反光路标，所述反光路标对所述激光雷达扫描器发出的激光进行反射，用于标识所述工程机械主体所在位置；建图模块，获取所述激光雷达扫描器对周围环境的探测结果，进行点云滤波、降噪并提取所述反光路标的特征，创建所述工程机械主体作业区域的三维地图；定位模块，获取所述建图模块创建的三维地图和当前所述激光雷达扫描器的探测结果，并将所述三维地图和当前探测结果进行匹配，确定所述工程机械主体在当前三维空间中的位置和姿态，实现所述工程机械主体的三维空间定位。2.根据权利要求1所述的基于激光反光板的井下工程机械定位系统，其特征在于，所述若干反光路标以不规则且不重复的分布方式布置于井下作业区域的空间内，并覆盖井下工程机械主体的可通行区域。3.根据权利要求2所述的基于激光反光板的井下工程机械定位系统，其特征在于，所述若干反光路标固定于井下的巷道周围。4.根据权利要求3所述的基于激光反光板的井下工程机械定位系统，其特征在于，所述反光路标设置于支撑装置上。5.根据权利要求1所述的基于激光反光板的井下工程机械定位系统，其特征在于，所述反光路标的表面设有激光反光板。6.根据权利要求5所述的基于激光反光板的井下工程机械定位系统，其特征在于，所述激光反光板表面覆盖有呈微棱镜结构、玻璃珠结构的逆反射材料。7.根据权利要求1
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6任一项所述的基于激光反光板的井下工程机械定位系统，其特征在于，还...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明，庄瀚洋，王春香，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：