本發(fā)明涉及一種掘進(jìn)機(jī)絕對(duì)空間位姿檢測(cè)裝置與方法，屬于自動(dòng)化掘進(jìn)技術(shù)。

背景技術(shù)：

我國(guó)是煤礦的開(kāi)采與消費(fèi)大國(guó)，與此同時(shí)我國(guó)對(duì)公路、鐵路、隧道工程、水電工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)要求不斷增強(qiáng)，這些工程中都面臨對(duì)隧道或巷道的掘進(jìn)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)是一種常見(jiàn)的采掘機(jī)械，廣泛應(yīng)用于巷道和隧道的挖掘。因掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境差，危險(xiǎn)性大，人工操作局限性很大，故掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)是發(fā)展的必然趨勢(shì)。我國(guó)在掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化工作上起步較晚，雖然也取得了長(zhǎng)足發(fā)展，形成了一部分半自動(dòng)化掘進(jìn)工作面，但是還不能適應(yīng)我國(guó)煤炭安全高效生產(chǎn)的需要，存在掘進(jìn)機(jī)定位精度低、巷道斷面自動(dòng)成形質(zhì)量差、系統(tǒng)可靠性低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。為了進(jìn)一步提高掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化水平，首先需要解決掘進(jìn)機(jī)機(jī)體的精確定位問(wèn)題，一些文獻(xiàn)資料中提出了掘進(jìn)機(jī)機(jī)體定位的方法，但是在井下的復(fù)雜環(huán)境中，很多定位方法都存在一定的局限性，或者定位精度達(dá)不到要求，無(wú)法為掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)控制提供條件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種掘進(jìn)機(jī)絕對(duì)空間位姿檢測(cè)裝置與方法，能夠精確檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)的六自由度位姿參數(shù)，且實(shí)時(shí)性好、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高，能夠?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)的自動(dòng)控制提供條件。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種掘進(jìn)機(jī)絕對(duì)空間位姿檢測(cè)裝置，包括激光發(fā)射模塊、圖像獲取模塊、捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊和數(shù)據(jù)處理與控制模塊，激光發(fā)射模塊固定于坐標(biāo)已知的懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體的后方巷道中間位置，圖像獲取模塊、捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊和數(shù)據(jù)處理與控制模塊固定在懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體上；激光發(fā)射模塊用于產(chǎn)生激光圖像，圖像獲取模塊用于獲取激光圖像，捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊用于提供導(dǎo)航信息，數(shù)據(jù)處理與控制模塊根據(jù)激光圖像與導(dǎo)航信息解算出懸臂式掘進(jìn)機(jī)六自由度的位姿狀態(tài)。

具體的，所述激光發(fā)射模塊包括激光發(fā)射器安裝架、點(diǎn)激光發(fā)射器和扇面激光發(fā)射器，點(diǎn)激光發(fā)射器和扇面激光發(fā)射器均為本安隔爆型激光發(fā)射器，點(diǎn)激光發(fā)射器和扇面激光發(fā)射器通過(guò)激光發(fā)射器安裝架固定于坐標(biāo)已知的懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體的后方巷道中間位置；所述扇面激光發(fā)射器布置在巷道橫截面的中部位置，扇面激光發(fā)射器發(fā)射出的激光平行于巷道地面；點(diǎn)激光發(fā)射器的數(shù)量為三個(gè)，分布在扇面激光發(fā)射器的兩側(cè)，其中一側(cè)安裝兩個(gè)，另一側(cè)安裝一個(gè)，位于同一側(cè)的兩個(gè)點(diǎn)激光發(fā)射器的連線垂直于扇面激光發(fā)射器，位于同一側(cè)的兩個(gè)點(diǎn)激光發(fā)射器中的一個(gè)與另一側(cè)的一個(gè)點(diǎn)激光發(fā)射器的高度相同，三個(gè)點(diǎn)激光發(fā)射器發(fā)射出的激光均平行于巷道中軸線。

具體的，所述數(shù)據(jù)處理與控制模塊包括嵌入式微處理器和plc控制器，嵌入式微處理器和plc控制器分別集成安裝在隔爆箱內(nèi)，通過(guò)隔振器固定在懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體上；所述捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊安裝在隔爆箱內(nèi)，通過(guò)隔振器固定在懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體上；所述嵌入式微處理器對(duì)導(dǎo)航信息進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，得到懸臂式掘進(jìn)機(jī)的六自由度位姿參數(shù)，同時(shí)對(duì)激光圖像進(jìn)行包括圖像處理、特征提取、坐標(biāo)運(yùn)算、位姿求解在內(nèi)的運(yùn)算，得到懸臂式掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)方向位置之外的五自由度位姿狀態(tài)。

所述嵌入式微處理器分別與人機(jī)界面和plc控制器進(jìn)行通信，一方面可以將位姿信息等傳送給人機(jī)界面進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，另一方面可以將位置信息傳送給plc控制器，便于plc控制器根據(jù)位姿信息進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整與控制。

具體的，所述圖像獲取模塊安裝在的數(shù)量為兩個(gè)，分別安裝在兩個(gè)圖像獲取模塊安裝架上，通過(guò)隔振器前后交錯(cuò)、高度相同地固定在懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體的兩側(cè)；所述圖像獲取模塊包括防塵箱、半透明板、攝像機(jī)和led燈，攝像機(jī)為本安隔爆型攝像機(jī)，led燈為隔爆型led燈，半透明板作為防塵箱朝向后方的一個(gè)側(cè)板，該側(cè)板垂直于巷道中軸線；在半透明板內(nèi)側(cè)四個(gè)角點(diǎn)的固定位置處標(biāo)記或加工參考點(diǎn)，通過(guò)參考點(diǎn)為激光成像位置提供參考；攝像機(jī)安裝在防塵箱內(nèi)部，攝像機(jī)的鏡頭軸線與半透明板的中心軸線重合，確保攝像機(jī)能夠拍攝到所有參考點(diǎn)，led燈沿?cái)z像機(jī)的鏡頭軸線周向均勻布置。

具體的，所述圖像獲取模塊的防塵箱可以設(shè)計(jì)為側(cè)面可打開(kāi)的結(jié)構(gòu)，一邊拆裝維修。

具體的，所述激光發(fā)射模塊發(fā)射出的激光為紅光，所述圖像獲取模塊中半透明板為綠色亞克力板，綠色與紅色對(duì)比最為明顯。

一種掘進(jìn)機(jī)絕對(duì)空間位姿檢測(cè)方法，是一種由捷聯(lián)慣導(dǎo)位姿檢測(cè)方法和視覺(jué)位姿檢測(cè)方法復(fù)合而成的方法，具體為：使用捷聯(lián)慣導(dǎo)位姿檢測(cè)方法實(shí)時(shí)獲取懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體的位姿信息，每間隔t時(shí)長(zhǎng)使用視覺(jué)位姿檢測(cè)方法獲取一次懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體的位姿信息，然后使用最優(yōu)估計(jì)方法對(duì)兩種位姿檢測(cè)方法得到的位姿信息進(jìn)行異步融合，得到精準(zhǔn)的位姿信息，同時(shí)更新捷聯(lián)慣導(dǎo)位姿檢測(cè)方法的初值；當(dāng)視覺(jué)位姿檢測(cè)方法獲取的激光圖像清晰度低于設(shè)定閾值時(shí)，調(diào)整激光圖像發(fā)生源的位置。

具體的，所述最優(yōu)估計(jì)方法為卡爾曼濾波方法。

單獨(dú)的捷聯(lián)慣導(dǎo)位姿檢測(cè)方法的特點(diǎn)是：求解簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、不需要外部參考，屬于自主定位導(dǎo)航，但是由于其解算方法決定了單獨(dú)的捷聯(lián)慣導(dǎo)位姿檢測(cè)方法存在累計(jì)誤差。單獨(dú)的視覺(jué)位姿檢測(cè)方法的特點(diǎn)是：需要外部參考和圖像處理，因此計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性不好，但其精度高，不存在累計(jì)誤差。本發(fā)明將兩種方法進(jìn)行復(fù)合，能夠進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)；由于懸臂式掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)方向的位置信息對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)控制作用不大，在一定時(shí)間內(nèi)，可以忽略該自由度的累計(jì)誤差；當(dāng)懸臂式掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)一段長(zhǎng)度的巷道后，激光成像變得模糊，因此需要將激光發(fā)射模塊整體向前移動(dòng)一定距離，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新標(biāo)定和初始化。

有益效果：本發(fā)明提供的掘進(jìn)機(jī)絕對(duì)空間位姿檢測(cè)裝置與方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用了捷聯(lián)慣導(dǎo)位姿檢測(cè)方法和視覺(jué)位姿檢測(cè)方法相復(fù)合的方法對(duì)掘進(jìn)機(jī)六自由度的位姿參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，精度高、可靠性高、實(shí)時(shí)性好，將內(nèi)部定位方式與外部定位方式進(jìn)行融合，發(fā)揮了兩種定位方式的優(yōu)勢(shì)，適用于井下巷道中的惡劣環(huán)境，能夠?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)提供條件。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明掘進(jìn)機(jī)絕對(duì)空間位姿檢測(cè)裝置安裝示意圖；

圖2為懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體的安裝示意圖；

圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；

圖4為圖像獲取模塊示意圖；

圖5為懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體在沒(méi)有位姿偏差時(shí)半透明板上激光成像圖；

圖中：1、懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體，2、捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊，3、數(shù)據(jù)處理與控制模塊，4、隔振器，5、圖像獲取模塊安裝架，6、圖像獲取模塊，6-1、防塵箱，6-2、半透明板，6-3、攝像機(jī)，6-4、led燈，6-2-1、參考點(diǎn)，6-2-2、點(diǎn)激光成像，6-2-3、扇面激光成像，7、激光發(fā)射模塊，7-1、點(diǎn)激光發(fā)射器，7-2、扇面激光發(fā)射器，7-3、激光發(fā)射器安裝架。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1～圖4所示為一種掘進(jìn)機(jī)絕對(duì)空間位姿檢測(cè)裝置，包括激光發(fā)射模塊7、圖像獲取模塊6、捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊2和數(shù)據(jù)處理與控制模塊3，激光發(fā)射模塊7固定于坐標(biāo)已知的懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體1的后方巷道中間位置，圖像獲取模塊6、捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊2和數(shù)據(jù)處理與控制模塊3固定在懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體1上；激光發(fā)射模塊7用于產(chǎn)生激光圖像，圖像獲取模塊6用于獲取激光圖像，捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊2用于提供導(dǎo)航信息，數(shù)據(jù)處理與控制模塊3根據(jù)激光圖像與導(dǎo)航信息解算出懸臂式掘進(jìn)機(jī)六自由度的位姿狀態(tài)。

所述激光發(fā)射模塊7包括激光發(fā)射器安裝架7-3、點(diǎn)激光發(fā)射器7-1和扇面激光發(fā)射器7-2，點(diǎn)激光發(fā)射器7-1和扇面激光發(fā)射器7-2均為本安隔爆型激光發(fā)射器，點(diǎn)激光發(fā)射器7-1和扇面激光發(fā)射器7-2通過(guò)激光發(fā)射器安裝架7-3固定于坐標(biāo)已知的懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體1的后方巷道中間位置；所述扇面激光發(fā)射器7-2布置在巷道橫截面的中部位置，扇面激光發(fā)射器7-2發(fā)射出的激光平行于巷道地面；點(diǎn)激光發(fā)射器7-1的數(shù)量為三個(gè)，分布在扇面激光發(fā)射器7-2的兩側(cè)，其中一側(cè)安裝兩個(gè)，另一側(cè)安裝一個(gè)，位于同一側(cè)的兩個(gè)點(diǎn)激光發(fā)射器7-1的連線垂直于扇面激光發(fā)射器7-2，位于同一側(cè)的兩個(gè)點(diǎn)激光發(fā)射器7-1中的一個(gè)與另一側(cè)的一個(gè)點(diǎn)激光發(fā)射器7-1的高度相同，三個(gè)點(diǎn)激光發(fā)射器7-1發(fā)射出的激光均平行于巷道中軸線。

所述數(shù)據(jù)處理與控制模塊3包括嵌入式微處理器和plc控制器，嵌入式微處理器和plc控制器分別集成安裝在隔爆箱內(nèi)，通過(guò)隔振器4固定在懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體1上；所述捷聯(lián)慣導(dǎo)模塊2安裝在隔爆箱內(nèi)，通過(guò)隔振器4固定在懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體1上；所述嵌入式微處理器對(duì)導(dǎo)航信息進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，得到懸臂式掘進(jìn)機(jī)的六自由度位姿參數(shù)，同時(shí)對(duì)激光圖像進(jìn)行包括圖像處理、特征提取、坐標(biāo)運(yùn)算、位姿求解在內(nèi)的運(yùn)算，得到懸臂式掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)方向位置之外的五自由度位姿狀態(tài)。

所述圖像獲取模塊6安裝在的數(shù)量為兩個(gè)，分別安裝在兩個(gè)圖像獲取模塊安裝架5上，通過(guò)隔振器4前后交錯(cuò)、高度相同地固定在懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體1的兩側(cè)；所述圖像獲取模塊6包括防塵箱6-1、半透明板6-2、攝像機(jī)6-3和led燈6-4，攝像機(jī)6-3為本安隔爆型攝像機(jī)，led燈6-4為隔爆型led燈，半透明板6-2作為防塵箱6-1朝向后方的一個(gè)側(cè)板，該側(cè)板垂直于巷道中軸線；在半透明板6-2內(nèi)側(cè)四個(gè)角點(diǎn)的固定位置處標(biāo)記或加工參考點(diǎn)6-2-1，通過(guò)參考點(diǎn)6-2-1為激光成像位置提供參考；攝像機(jī)6-3安裝在防塵箱6-1內(nèi)部，攝像機(jī)6-3的鏡頭軸線與半透明板6-2的中心軸線重合，確保攝像機(jī)6-3能夠拍攝到所有參考點(diǎn)6-2-1，led燈6-4沿?cái)z像機(jī)6-3的鏡頭軸線周向均勻布置。

一種掘進(jìn)機(jī)絕對(duì)空間位姿檢測(cè)方法，是一種由捷聯(lián)慣導(dǎo)位姿檢測(cè)方法和視覺(jué)位姿檢測(cè)方法復(fù)合而成的方法，具體為：使用捷聯(lián)慣導(dǎo)位姿檢測(cè)方法實(shí)時(shí)獲取懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體的位姿信息，每間隔t時(shí)長(zhǎng)使用視覺(jué)位姿檢測(cè)方法獲取一次懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體的位姿信息，然后使用卡爾曼濾波方法等最優(yōu)估計(jì)方法對(duì)兩種位姿檢測(cè)方法得到的位姿信息進(jìn)行異步融合，得到精準(zhǔn)的位姿信息，同時(shí)更新捷聯(lián)慣導(dǎo)位姿檢測(cè)方法的初值；當(dāng)視覺(jué)位姿檢測(cè)方法獲取的激光圖像清晰度低于設(shè)定閾值時(shí)，調(diào)整激光圖像發(fā)生源的位置。

如圖5所示，當(dāng)懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體1沒(méi)有位姿偏差時(shí)，在半透明板6-2上，扇面激光成像6-2-3位于半透明板6-2的上下中間位置，點(diǎn)激光成像6-2-2位于半透明板6-2的左右中間位置，其中，位于同一側(cè)的兩個(gè)點(diǎn)激光發(fā)射器7-1在半透明板6-2上的成像位置關(guān)于扇面激光成像6-2-3對(duì)稱。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。