基于四点式光靶的掘进机自动定位方法研究与试验

　第４６卷第１２期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰１２　　２０１８年１２月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｃ.２０１８　基于四点式光靶的掘进机自动定位方法研究与试验田　　原１ꎬ２(１.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司ꎬ山西太原　０３０００９ꎻ２.煤矿采掘机械装备国家工程实验室ꎬ山西太原　０３０００９)摘　要:为了利用惯性导航技术方位与姿态检测优势ꎬ实现组合式掘进机导航定位ꎬ提出基于四点式光靶的掘进机定位方法ꎮ阐述了四点式光靶的特点ꎬ分析了系统定位机理ꎬ建立了解算模型ꎬ通过仿真研究了主要参数对解算模型的影响ꎬ仿真结果表明:所建立模型在掘进机机身偏转角不超过１５°时ꎬ对机身横向偏移量的估计精度较高ꎬ并且对距离不敏感ꎬ对距离的估计则受偏转角和距离的影响ꎬ精度较差ꎻ搭建了试验装置并用全站仪完成试验验证ꎬ试验结果显示在导航仪与光靶间距离为３９~９４ｍ的断面内最大定位偏差为０.０６３ｍꎬ巷道进尺方向的距离检测最大偏差为１.０６４ｍꎬ并呈现距离越远ꎬ偏差越大的规律ꎬ验证了仿真结论ꎮ基本满足与惯性导航系统组合实现掘进机自动导航定位的精度要求ꎮ关键词:掘进机ꎻ定位ꎻ机器视觉ꎻ四点式光靶中图分类号:ＴＤ４２１　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)１２－００３５－０６ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄｔｅｓｔｏｎａｕｔｏｍａｔｉｃｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏａｄｈｅａｄｅｒｂａｓｅｄｏｎｆｏｕｒｐｏｉｎｔｌｉｇｈｔｔａｒｇｅｔＴＩＡＮＹｕａｎ１ꎬ２(１.ＴａｉｙｕａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐꎬＴａｉｙｕａｎ　０３０００９ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｌＭｉｎｉｎｇＭａｃｈｉｎｅｒｙａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔꎬＴａｉｙｕａｎ　０３０００９ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｏｆｒｏａｄｈｅａｄｅｒｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬａｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏａｄｈｅａｄｅｒｂａｓｅｄｏｎｆｏｕｒｐｏｉｎｔｌｉｇｈｔｔａｒｇｅｔｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ.Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｆｏｕｒｐｏｉｎｔｔｙｐｅｏｐｔｉｃａｌｔａｒｇｅｔａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ.Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓａｎａｌｙｓｉｓ.Ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ.Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｍａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄ￣ｅｌｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ.Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｏｎｌａｔｅｒａｌｏｆｆｓｅｔｗｈｅｎｔｈｅｙａｗａｎｇｌｅｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ１５ｄｅｇｒｅｅｓꎬａｎｄｉｓｎｏｔｓｅｎｓｉｔｉｖｅｗｉｔｈｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｏａｄｈｅａｄｅｒａｎｄｔｈｅｄｅｖｉｃｅ.Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｐｏｏｒｅｓｔｉ￣ｍａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｔｏｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅꎻｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅｉｓｂｕｉｌｔａｎｄａｔｅｓｔｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄｂｙｔｈｅｔｏｔａｌｓｔａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｉｓ０.０６３ｍｍｉｎｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆａｂｏｕｔ３９~９４ｍａｗａｙｆｒｏｍｔｈｅｔａｒｇｅｔ.Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｅｖｉａｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏａｄｗａｙｉｓ１.０６４ｍꎬａｎｄｔｈｅｆａｒｔｈｅｒｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅꎬｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｔｈｅｄｅｖｉａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｂａｓｉｃｒｕｌｅｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄ.Ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏａｄｈｅａｄｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｏｕｒｐｏｉｎｔｌｉｇｈｔｔａｒｇｅｔｃａｎｍｅｅｔｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｒｅｑｕｉｒｅ￣ｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｏｆｔｈｅｒｏａｄｈｅａｄｅｒｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｒｏａｄｈｅａｄｅｒꎻｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇꎻｍａｃｈｉｎｅｖｉｓｉｏｎꎻｆｏｕｒｐｏｉｎｔｌｉｇｈｔｔａｒｇｅｔ收稿日期:２０１８－０６－０３ꎻ责任编辑:赵　瑞　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰１２􀆰００６基金项目:山西省煤基重点科技攻关资助项目(ＭＪ２０１４－０３－０３)作者简介:田　原(１９７６—)ꎬ男ꎬ山西忻州人ꎬ副研究员ꎬ博士ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]引用格式:田　原􀆰基于四点式光靶的掘进机自动定位方法研究与试验[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１２):３５－４０􀆰ＴＩＡＮＹｕａｎ􀆰Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｔｅｓｔｏｎａｕｔｏｍａｔｉｃｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏａｄｈｅａｄｅｒｂａｓｅｄｏｎｆｏｕｒｐｏｉｎｔｌｉｇｈｔｔａｒｇｅｔ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１２):３５－４０􀆰０　引　　言煤矿巷道截割过程中产生的大量粉尘、噪声和存在的安全隐患对掘进机自动化和无人化作业提出了迫切要求ꎬ其中掘进机自动导航技术成为关键技术之一[１]ꎮ煤矿巷道尤其是主巷道对巷道成型精５３２０１８年第１２期煤炭科学技术第４６卷度有较高要求ꎬＧＢ５０２１３—２０１０«煤炭井巷工程质量验收规范»第７.２.６中规定“基础掘进断面规格的允许偏差为－２５~＋１５０ｍｍ”[２]ꎬ这一偏差是最终成型偏差ꎬ包含检测、控制和执行等多个环节的偏差ꎬ考虑到掘进机装配和控制精度不高、工况恶劣等因素ꎬ通常在执行环节会产生较大偏差ꎻ另一方面ꎬ掘进机通过悬臂末端的截割部截割并控制断面轮廓的位置和精度ꎬ机身位置和姿态偏差会被放大后反映到截割部ꎬ因此ꎬ自动截割过程中掘进机定位检测精度应达到厘米级ꎬ姿态和航向检测精度达到角分级才有可能实现«煤炭井巷工程质量验收规范»要求的断面成型精度ꎮ掘进机自动导航技术从原理上可划分为３类:基于光电原理的导航技术ꎻ基于惯性元件的导航技术ꎻ多信息融合的导航技术[３－６]ꎮ基于光电原理的导航技术的基准信号传输介质包括激光(如点激光、线激光和全站仪等)、红外、可见光、机器视觉等[７－８]ꎬ导航系统分为２个部分ꎬ一部分作为检测和信号装置固定在巷道基准中ꎬ一部分作为信号发射装置配置在掘进机机身上随机身一起运动ꎬ或者反之[９－１１]ꎮ光电导航装备技术成熟、成本低、精度高ꎬ是非煤行业常见的传感方式和导航定位技术ꎬ但在煤矿井下ꎬ存在环境适应性问题ꎮ近年来也有利用超宽带技术进行掘进机定位定向的研究ꎬ与传统电磁波定位方式相比ꎬ扩大了测量距离并提高了抗干扰能力[１２]ꎮ惯性导航技术不依赖外部环境ꎬ具有较强的环境适应性ꎮ基于惯性导航的掘进机导航技术ꎬ国内２００７年由重庆大学提出并进行了部分理论研究[１３]ꎮ近年来国内已有基于陀螺仪的技术用于巷道定向掘进的试验[１４－１５]ꎮ国外ꎬ德国、澳大利亚相关研究机构在２０世纪末即开始研究其用于煤矿井下移动装备的定位导航的可行性ꎬ并已有综采工作面上的应用报道ꎮ惯性导航技术利用高精度陀螺仪可实现较高精度的方位和姿态检测ꎬ然而ꎬ其通过２次积分实现位移检测的原理导致当加速度检测有偏差时ꎬ运行时间越长ꎬ定位偏差越大ꎬ无外部辅助定位时惯性导航系统的定位偏差可达１.８５２ｋｍ/ｈꎬ虽然通过零速校准等误差补偿技术ꎬ可以有效控制惯性导航系统长时间工作的误差积累ꎬ提高系统的精度[１６]ꎬ但惯性导航系统的长时定位精度仍然难以满足厘米级定位精度要求ꎮ而机器视觉技术借助高分辨率的成像器件可在一定距离范围内实现厘米级定位精度ꎮ这一特点表明惯性导航技术与视觉导航技术在掘进机导航定位方面存在互补性ꎮ就目前技术现状而言ꎬ多信息多传感器融合的导航技术更有希望完美解决掘进机的导航定位问题ꎬ如惯性导航技术与机器视觉技术组合或其他方式的多信息多传感融合技术等[１４ꎬ１７－２０]ꎮ为了与惯性导航技术的高精度方位姿态检测能力相结合ꎬ实现基于多信息融合的组合式掘进机导航定位ꎬ笔者提出基于四点式光靶的掘进机定位方法ꎬ利用机器视觉技术实现掘进机的自动定位ꎬ通过四点式光靶设计ꎬ简化并放大了光靶结构ꎬ提高了定位导航系统检测分辨率和精度ꎬ改善了其环境适应性ꎮ１　四点式光靶设计光靶是机器视觉导航定位方法中用于强化目标几何特征的装置ꎮ文献[７]中视觉导航利用视觉系统标定的思路ꎬ光靶各特征点分布在同一平面内且均匀分布ꎬ光靶平面朝向摄像机ꎬ考虑到掘进机从后端出料的影响ꎬ光靶只能布置在机身上部ꎬ而机身上部到巷道顶板之间空间极为有限ꎬ有时仅为０.５~１.０ｍꎬ因此光靶尺寸被限制在０.５ｍ×０.５ｍ内ꎮ文献[２１]的研究表明ꎬ掘进机机身偏转角改变引起光靶特征点对应图像之间的距离改变与特征点间距离的平方成正比ꎬ与光靶和摄像机之间距离的平方成反比ꎬ这反映了检测系统的灵敏度并决定检测系统的精度ꎮ四点式光靶采用新的定位方法ꎬ允许组成光靶的４个特征光源设置在机身上表面４个角点ꎬ实现光靶分布范围最大化ꎬ与此同时抑制了多个特征光源集中在小范围时互相干扰的缺点ꎬ一定意义上改善了系统的环境适应性ꎬ此外ꎬ选择近红外光源作特征光源ꎬ单频特性抑制了背景光的影响ꎬ长波特性增强了粉尘穿透性[２１]ꎮ２　成像几何模型和导航机理基于四点式光靶的掘进机定位方法以激光指向仪的安装位置和指向为测量基准ꎬ借助摄影测量技术ꎬ完成目标自动识别、自动匹配和目标空间位置参数的自动解算ꎬ系统布置如图１所示ꎬ由激光视频导航仪、导航终端和靶标组成ꎬ其中ꎬ激光视频导航仪由指向激光和工业摄像机组成ꎬ通过指向激光确定导航仪的基准ꎻ导航终端由工业计算机组成ꎬ用于采６３田　原等:基于四点式光靶的掘进机自动定位方法研究与试验２０１８年第１２期集导航仪的图像数据并进行分析和解算ꎬ同时显示实时导航参数ꎻ光靶由４个分别设置在掘进机机身上表面４个角的光源组成ꎮ摄影测量技术通过合理的成像模型、目标的先验信息及其图像特征完成目标识别和匹配及测量ꎬ测量精度除与环境有关外ꎬ主要取决于成像几何模型ꎮ图１　基于四点式光靶的掘进机定位方法系统布置示意Ｆｉｇ.１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｌａｙｏｕｔｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｒｏａｄｈｅａｄｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｏｕｒｐｏｉｎｔｌｉｇｈｔｔａｒｇｅｔ按照摄像机成像模型ꎬ当目标线段平行于摄像机成像器件时ꎬ其位置可以用相似三角形很容易计算得到ꎮ当目标线段不平行于摄像机成像器件即存在偏转却仍然用这一方法计算时ꎬ就必须考虑偏转引起的成像变形以及由此引起的解算误差ꎮ假定机身处于水平或近水平状态ꎬ只存在偏航和横向偏移ꎬ事实上ꎬ对于掘进机来说通过控制铲板和后支撑做到机身基本水平是容易的ꎬ在组合式导航系统中ꎬ惯性导航系统可以实时检测机身的横滚角和俯仰角ꎬ用于判断掘进机是否水平ꎮ解算模型如图２所示ꎬ设ＭＮ为机身纵向轴线ꎬＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ分别表示其上表面４个特征点ꎬＡ、Ｂ关于ＭＮ对称ꎬＣ、Ｄ关于ＭＮ对称ꎮ图２　解算模型示意Ｆｉｇ.２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｏｌｕｔｉｏｎｍｏｄｅｌ建立摄像机坐标系ꎬ其中光轴定义为Ｙ轴ꎬ假设与巷道指向方向一致(巷道方向由激光指向仪给定ꎬ激光指向与摄像机光轴方向固定并标定)ꎬＸ轴水平且与其正交于原点Ｏꎮ则机身偏转角为ＭＮ与Ｙ轴的夹角ꎮ定义Ｍ