[发明专利]矿用悬臂式掘进机可视化辅助导引方法和系统

说明书

本发明公开了矿用悬臂式掘进机可视化辅助导引方法和系统，首先采集掘进机运行状态信息以及掘进机悬臂上的标靶图像；通过视觉测量的方法确定掘进机截割头相对于机体的位姿；计算掘进机机身相对于巷道的位姿；融合惯性导航与视觉测量技术进行组合定位，得到截割头相对于巷道断面的位姿；将掘进机导引轨迹在上位机上进行图形化界面显示；将截割头在上位机上图形化界面显示，并根据确定的导引轨迹进行截割头移动过程中的轨迹导引。通过本发明的方法和系统利用视觉测量方法及捷联惯导测量出截割头的实时位姿，可将截割头的实时位姿与规划轨迹进行比较，进行可视化的截割导引，掘进机司机可以通过界面显示以及构建的截割路线的提示，完成可视化的截割轨迹引导，保证截割质量的要求。

技术领域

本发明属于矿用掘进机技术领域，具体涉及一种矿用悬臂式掘进机可视化辅助导引方法和系统。

背景技术

悬臂式掘进机被广泛地应用于煤矿巷道、地铁隧道以及铁路工程、洞穴的掘进施工中，但是，悬臂式掘进机截割煤岩时，由于司机所处位置的原因，司机只能看到一侧的截割，另一侧往往需要有一位副司机专门看着并用灯光指示司机截割，同时，由于截割产尘和喷雾洒水等原因，导致巷道形成质量不好，当巷道断面为半圆拱形或三心拱形时，司机更是难以把握。目前巷道的掘进工艺主要有两种，一是靠司机的经验把握，另一种就是根据位移传感器测量油缸的伸缩量进行计算得到截割头的位姿。第一种方式不可靠，容易出现超挖欠挖；第二种方式相较于第一种有了很大的提升，但是，由于井下环境非常复杂和振动的影响较大，易导致接触式传感器接触不良，使得检测结果可靠性大大降低。

发明内容

针对现有技术存在的缺点，本发明的提供了一种矿用悬臂式掘进机可视化辅助导引方法和系统，解决现有的悬臂式掘进机工作过程中受人为和环境因素的影响难以保证巷道掘进效率和质量的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

矿用悬臂式掘进机可视化辅助导引方法，该方法中的掘进机悬臂上设置有标靶，标靶的边上设置有多个光源点，该方法包括以下步骤：

步骤1：采集掘进机运行状态信息以及掘进机悬臂上的标靶图像，所述的掘进机运行状态信息包括掘进机机身的横滚角、俯仰角、偏航角、掘进机机体在巷道中的位置以及掘进机机身与两侧煤壁的距离、掘进机机身距离前煤壁的距离；

步骤2：通过视觉测量的方法确定掘进机截割头相对于机体的位姿；

步骤2.1：提取步骤1采集的标靶图像中的光斑，对光斑进行排序、直线拟合，将每两条直线的交点作为特征点；

步骤2.2：利用四点透视成像方法确定所有特征点在摄像机坐标系中的坐标；

步骤2.3：利用对偶四元数的误差模型，根据特征点在标靶坐标系中的坐标以及步骤2.2得到的特征点在摄像机坐标系中的坐标，计算截割头的水平摆角θ1和截割头垂直摆角θ2；

步骤2.4：根据步骤2.3确定的θ1和θ2，通过式(1)计算截割头相对于掘进机机体的位姿

其中，θ1为截割头水平摆角，θ2为截割头垂直摆角，d为油缸的伸缩距离，b1为掘进机抬升关节与伸缩关节之间的高度差；a1为掘进机回转台中心与抬升关节之间水平距离，a2为掘进机抬升关节与伸缩关节之间的距离，a3为掘进机伸缩关节与截割头之间的水平距离；

步骤3：根据步骤1获得的掘进机运行状态信息，通过式(2)得到掘进机相对于巷道的位姿

式中，γ为掘进机机身的横滚角，β为掘进机机身的俯仰角，α为掘进机机身的偏航角，D₁为机身到侧方煤壁的距离，L为掘进机到前煤壁的距离；D₃为掘进机机身宽度，b2为抬升关节与地面之间的距离；