一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法技术

本发明专利技术公开了一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法，包括步骤一、得到掘进机坐标系与掘进机惯导坐标系的标定关系；二、得到掘进机惯导坐标系与超声波阵列坐标系的标定关系；三、测量超声波阵列中每个超声波传感器至光滑壁面的距离；四、计算掘进机惯导坐标系与导航坐标系的姿态误差；五、计算超声波阵列坐标系与导航坐标系的姿态误差；六、计算光滑壁面的平面公式；七、计算超声波阵列中每个超声波传感器至光滑壁面的距离；八、构建优化方程并求解，得到标定关系最优值。本发明专利技术的标定系统设计合理，结合联合标定方法，能够有效完成对掘进机的相对定位定姿，姿态转换关系误差以及掘进机的定位定姿偏差小，效果显著，便于推广。便于推广。便于推广。

【技术实现步骤摘要】
一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法


[0001]本专利技术属于多传感器标定
，具体涉及一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法。

技术介绍

[0002]在煤矿井下掘进过程中，掘进机无人化发展逐渐成为热点。由于掘进机在实时掘进过程中粉尘浓度高，掘进机无人化方案通常采用超声波阵列测量掘进机至巷道壁的距离；同时，掘进机搭载惯导传感器完成自身姿态的测量，通过超声波阵列和惯导传感器的组合完成掘进机的相对定位定姿。
[0003]现有技术中，在掘进机定位定姿应用之前，一般采用机械安装的方式来标定这两类传感器，得到传感器之间的初始坐标转换关系。但是，在实际应用过程中发现，采用机械安装的方式标定出传感器间的平移关系可满足误差要求，但姿态转换关系误差较大，导致掘进机的定位定姿偏差较大。因此，还缺乏一种设计合理的联合标定方法，用于完成对掘进机的相对定位定姿。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法，其标定系统简单，设计合理，实现方便，结合联合标定方法，能够有效完成对掘进机的相对定位定姿，姿态转换关系误差以及掘进机的定位定姿偏差小，效果显著，便于推广。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法，适用于标定系统，所述标定系统包括用于搭载掘进机的三轴转台和平行设置的光滑壁面，以及用于测量掘进机至光滑壁面距离的超声波阵列；所述三轴转台上设置有用于建立转台惯导坐标系的第一惯导传感器，所述掘进机上设置有用于建立掘进机惯导坐标系的第二惯导传感器，所述光滑壁面上设置有用于测量掘进机上平面法向量及距离的多台激光测距仪；
[0006]所述联合标定方法的具体步骤包括：
[0007]步骤一、标定所述三轴转台与掘进机，得到掘进机坐标系与掘进机惯导坐标系的标定关系；
[0008]步骤二、标定所述掘进机与超声波阵列，得到掘进机惯导坐标系与超声波阵列坐标系的标定关系；
[0009]步骤三、调整所述三轴转台的姿态角度，使转台惯导坐标系与导航坐标系的姿态误差为设定值，采用所述激光测距仪测量光滑壁面至超声波阵列中心距离，以及超声波阵列中每个超声波传感器至光滑壁面的距离；
[0010]步骤四、根据掘进机坐标系与掘进机惯导坐标系的标定关系，计算掘进机惯导坐标系与导航坐标系的姿态误差；
[0011]步骤五、根据掘进机惯导坐标系与超声波阵列坐标系的标定关系，以及平移关系，计算超声波阵列坐标系与导航坐标系的姿态误差；
[0012]步骤六、根据所述掘进机惯导坐标系与导航坐标系的姿态误差和超声波阵列坐标系与导航坐标系的姿态误差，计算超声波阵列坐标系下的光滑壁面的平面公式；
[0013]步骤七、根据每个超声波传感器与超声波阵列的标定关系和光滑壁面的平面公式，计算超声波阵列中每个超声波传感器至光滑壁面的距离；
[0014]步骤八、根据步骤一中激光测距仪测量的每个超声波传感器至光滑壁面的距离和步骤五计算的每个超声波传感器至光滑壁面的距离，构建优化方程并求解，得到标定关系最优值。
[0015]上述的一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法，所述超声波阵列采用水平与竖直方向4*3方式布置。
[0016]上述的一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法，所述激光测距仪的数量为三台。
[0017]上述的一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法，步骤一中所述标定三轴转台与掘进机，得到掘进机坐标系与掘进机惯导坐标系的标定关系的具体过程包括：
[0018]步骤101、初始对准所述三轴转台，得到掘进机坐标系至导航坐标系的初始姿态误差角；
[0019]步骤102、将转台惯导坐标系与掘进机惯导坐标系传递对准，得到掘进机坐标系至掘进机惯导坐标系之间的旋转矩阵；
[0020]步骤103、根据所述旋转矩阵，确定掘进机坐标系与掘进机惯导坐标系的标定关系。
[0021]上述的一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法，步骤102 中所述传递对准采用基于卡尔曼滤波的姿态加速度匹配的传递对准方法。
[0022]上述的一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法，步骤二中所述标定掘进机与超声波阵列，得到掘进机惯导坐标系与超声波阵列坐标系的标定关系的具体过程包括：
[0023]步骤201、调整所述三轴转台，使掘进机惯导坐标系与导航坐标系重合，采用激光测距仪测量超声阵列平面，并采用三点计算平面法向量；
[0024]步骤202、根据所述平面法向量计算超声波阵列坐标系与掘进机惯导坐标系的旋转矩阵；
[0025]步骤203、采用单台激光测距仪照射超声波阵列中心位置，记录距离；同时，记录超声波阵列每个超声波传感器距离，计算归一化坐标系下解空间；
[0026]步骤204、调整所述三轴转台的姿态角，采用单台激光测距仪照射超声波阵列中心位置，记录距离；同时，记录每个超声波传感器至墙面的距离，进一步计算归一化坐标系下的解空间；
[0027]步骤205、求解所述解空间的交集，采用梯度下降法求解最优解，得到每个超声波传感器在超声波坐标系下的最优归一化坐标，进而得到俯仰与偏航误差角；
[0028]步骤206、重复步骤201～步骤205，得到掘进机惯导坐标系与超声波阵列坐标系的标定关系。
[0029]上述的一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法，步骤五中所述平移关系根据机械安装方式确定。
[0030]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：本专利技术的标定系统简单，设计合理，实现方便，结合联合标定方法，能够有效完成对掘进机的相对定位定姿，姿态转换关系误差以及掘进机的定位定姿偏差小，效果显著，便于推广。
[0031]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0032]图1为本专利技术的方法流程图。
具体实施方式
[0033]本专利技术的用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法，适用于标定系统，所述标定系统包括用于搭载掘进机的三轴转台和平行设置的光滑壁面，以及用于测量掘进机至光滑壁面距离的超声波阵列；所述三轴转台上设置有用于建立转台惯导坐标系的第一惯导传感器，所述掘进机上设置有用于建立掘进机惯导坐标系的第二惯导传感器，所述光滑壁面上设置有用于测量掘进机上平面法向量及距离的多台激光测距仪；
[0034]如图1所示，所述联合标定方法的具体步骤包括：
[0035]步骤一、标定所述三轴转台与掘进机，得到掘进机坐标系与掘进机惯导坐标系的标定关系；
[0036]步骤二、标定所述掘进机与超声波阵列，得到掘进机惯导坐标系与超声波阵列坐标系的标定关系；
[0037]步骤三、调整所述三轴转台的姿态角度，使转台惯导坐标系与导航坐标系的姿态误差为设定值，采用所述激光测距仪测量光滑壁面至超声波阵列中心距离，以及超声波阵列中每个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法，其特征在于，适用于标定系统，所述标定系统包括用于搭载掘进机的三轴转台和平行设置的光滑壁面，以及用于测量掘进机至光滑壁面距离的超声波阵列；所述三轴转台上设置有用于建立转台惯导坐标系的第一惯导传感器，所述掘进机上设置有用于建立掘进机惯导坐标系的第二惯导传感器，所述光滑壁面上设置有用于测量掘进机上平面法向量及距离的多台激光测距仪；所述联合标定方法的具体步骤包括：步骤一、标定所述三轴转台与掘进机，得到掘进机坐标系与掘进机惯导坐标系的标定关系；步骤二、标定所述掘进机与超声波阵列，得到掘进机惯导坐标系与超声波阵列坐标系的标定关系；步骤三、调整所述三轴转台的姿态角度，使转台惯导坐标系与导航坐标系的姿态误差为设定值，采用所述激光测距仪测量光滑壁面至超声波阵列中心距离，以及超声波阵列中每个超声波传感器至光滑壁面的距离；步骤四、根据掘进机坐标系与掘进机惯导坐标系的标定关系，计算掘进机惯导坐标系与导航坐标系的姿态误差；步骤五、根据掘进机惯导坐标系与超声波阵列坐标系的标定关系，以及平移关系，计算超声波阵列坐标系与导航坐标系的姿态误差；步骤六、根据所述掘进机惯导坐标系与导航坐标系的姿态误差和超声波阵列坐标系与导航坐标系的姿态误差，计算超声波阵列坐标系下的光滑壁面的平面公式；步骤七、根据每个超声波传感器与超声波阵列的标定关系和光滑壁面的平面公式，计算超声波阵列中每个超声波传感器至光滑壁面的距离；步骤八、根据步骤一中激光测距仪测量的每个超声波传感器至光滑壁面的距离和步骤五计算的每个超声波传感器至光滑壁面的距离，构建优化方程并求解，得到标定关系最优值。2.按照权利要求1所述的一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法，其特征在于：所述超声波阵列采用水平与竖直方向4*3方式布置。3.按照权利要求1所述的一种用于煤矿井下掘进机定位定姿的联合标定方法，其特征在于：所述激光测距仪的数量为三台。4.按照权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：李科，张海清，
申请(专利权)人：陕西智云星航矿用智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：