一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于煤矿悬臂式掘进机自动化技术领域，具体涉及一种悬臂式掘进机空间 位姿自动检测系统及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 煤矿井下巷道具有多种用途，主要采用悬臂式掘进机或连续采煤机完成，通常对 走向、轮廓形状和尺寸均有严格要求，应用中通常以指向经过精密调准的激光指向仪发出 的光束为巷道轴线基准，开拓过程中，以激光指向仪在断面上形成的光斑为基准确定完成 的断面为"超截"或"欠截"，这一确定过程通常依靠人工手持皮尺测量完成，为减少"超截" 或"欠截"，截割过程中需要掘进机操作人员依靠经验控制掘进机悬臂和截割头使其截割到 断面边界。另一方面，掘进工作面在截割过程中通常充斥着粉尘和水雾，能见度极差，因此， 截割过程完全依赖经验，效率低下，作业环境恶劣。
[0003][0004] 申请号为201510121265. 1，名称为《基于旋转扇面激光的悬臂式掘进机位姿测量 方法》的发明专利中，公开了一种利用基于旋转扇面激光测角的空间点三维坐标测量系统， 即将该系统的扇面激光发射端安装在悬臂式掘进机机身上，扇面激光接收端(包含3个不 共线的扇面激光接收器）固定安装在已经由悬臂式掘进机掘出的煤巷后方，扇面激光接收 器相对于空间大地坐标系的坐标值由其他测量方式测得。由扇面激光发射端测得扇面激光 接收器相对于发射端的坐标值，再通过相应的坐标转换，计算出悬臂式掘进机上固定三点 (不共线)相对于空间大地坐标系的三维坐标值。若已知空间刚体上固定三点（不共线)相对 于空间大地坐标系的三维坐标值，可计算出该空间刚体的位姿(位置和姿态）数据。该专利 中，三个扇面激光发射端安装在掘进机机身上，发射出三个扇面激光并交汇到一点，由后方 固定在煤巷顶部的激光接收端（由三个不共线的激光接收器组成）接收，当掘进机处于截割 过程时，机身的强烈振动和摆尾，可能使激光接收端无法接收到激光发射器发出的扇形激 光，导致检测失败。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决现有的掘进机机身位姿参数测量仅对机身相对水平面的俯仰角 和横滚角进行检测，而不能进行机身纵向偏向位移即高差的检测，严重影响着控制巷道的 走向，提供了一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统及其测量方法。
[0006] 本发明采用如下技术方案实现：一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统，包括 安设于巷道顶板上的结构光激光器，安装在悬臂式掘进机机身上的矿用隔爆摄像机、图像 处理平台和台阶结构，所述台阶结构包括上下两层台阶，两层台阶的长度和高度可伸缩，台 阶结构安装于悬臂式掘进机机身上表面前端，台阶结构的对称轴方向与机身纵向对称轴方 向一致；所述结构光激光器设有水平指示器，安装在离掘进巷道断面15米的巷道顶板上， 结构光激光器向掘进机投射出垂直的两个扇面激光，投射在台阶结构上形成十字形结构 光；所述矿用隔爆摄像机安装在悬臂式掘进机机身上表面尾部，指向与掘进机机身纵向对 称轴方向一致，成像窗口指向台阶结构；所述图像处理平台安装在悬臂式掘进机机载工控 机中。
[0007] 所述结构光激光器为一个矿用隔爆十字结构光激光器或者十字垂直设置的两个 一字结构光激光器。所述台阶结构的上下两层台阶高度为l〇〇mm~200mm，底部台阶的宽度 为 300mm~1000mm。
[0008] -种用上述悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统的悬臂式掘进机空间位姿参数 测量方法，结构光激光器投射在台阶结构上形成十字形结构光条纹，矿用隔爆摄像机采集 激光条纹图像并输入图像处理平台，专用图像处理软件识别特征线以及特征点的位置和角 度，进而计算出机身的横滚角、偏航角、横向偏移距离、俯仰角和纵向偏移量等参数。
[0009] 基于激光定位和机器视觉技术的掘进机机身空间位姿参数解算方法为：（1)建立 巷道坐标系〇wXwYwZw、机身坐标系0°Χ°Υ°Ζ°、摄像机坐标系〇447、台阶结构坐标系0ΧΥΖ和 图像坐标系oxy ;巷道坐标系〇wxTzw中：坐标系原点为激光指向仪的安装位置，铅垂向上 为，指向断面且与巷道轴向一致的方向为，与Yw轴、构成右手系的方向为 xw轴；机身坐标系〇°X°Y°Z°中：坐标系原点为机身上表面几何中心，机身纵向和横向对称轴 分别为ζ°轴和X°轴，垂直机身上表面向上的方向为Υ°轴；摄像机坐标系〇exW中：坐标 系原点为摄像机安装位置，#轴、Y$自和f轴分别平行于X°轴、Y°轴和Z°轴；（2)结构光 激光器的铅垂扇面光投影在台阶结构上，形成两条铅垂激光条纹CD和FL，水平扇面光投 影在台阶结构上，形成两条水平激光条纹E和K，矿用隔爆工业摄像机采集两条铅垂激光 条纹和两条水平激光条纹的图像并传输至图像处理平台，经过图像处理软件处理，获得E 和K在图像坐标系中的位置坐标（xE,yE)、（xk, yk)，获得⑶和FL在图像坐标系中
CD和FL的中心位置坐标（XCD,yCD)和（Xya)，式中，CD斜率κ CD= κ&，则，掘进机 机身横滚角为：γ=αtan (3)按照设定的摄像机与台阶结构的相对位置关系，摄像机
摄像机焦距为/，摄像机与台阶结构两个立面之间的距离分别为m和n，则，机身偏转角为
[0010] 由矿用隔爆十字结构光激光器(或垂直设置的两个一字结构光激光器)、台阶结 构、矿用隔爆摄像机以及图像处理平台组成。矿用隔爆十字结构光激光器安装在远离掘进 巷道断面(大约15米）的巷道顶板上，激光投射向掘进机，精确的激光指向通过全站仪或经 炜仪标定和调整，使其指示巷道基准方向。台阶结构安装在掘进机机身上表面前端，尺寸随 安装空间而定，要求台阶结构的对称轴方向与机身纵向对称轴方向一致。矿用隔爆摄像机 安装在机身上表面尾部，指向与掘进机机身纵向对称轴方向一致，成像窗口指向台阶结构。 图像处理平台安装在掘进机机载工控机中。矿用隔爆十字结构光激光器投射在台阶结构上 的十字形结构光，矿用隔爆摄像机采集经过台阶结构调制的激光条纹图像并输入图像处理 平台，专用图像处理软件从中识别两条铅垂激光特征线以及两条水平激光特征点的位置和 角度，进而计算出机身的横滚角、偏航角、横向偏移距离、俯仰角和纵向偏移量等参数。
[0011] 两层台阶的高度及高度差、台阶的宽度均无特殊要求，两级台阶高度一般设计为 100mm~200mm，底部的较低台阶的宽度在掘进机机身总体结构允许的条件下越宽越好，一般 设计为300mm~1000mm，较高台阶宽度无要求，然而，无论台阶的高度差和宽度是多少，其具 体尺寸都要求准确测量，用于后续的空间位姿参数解算。
[0012] 本发明基于激光定位和机器视觉技术的方法，通过结构光激光器传递巷道基准， 通过摄像机和图像实时获取机身载体与巷道基准之间的空间位置和姿态改变数据，实现掘 进机自动导航定位，以改善掘进工作面作业环境，提高掘进效率。基于这一技术可实现掘进 机的远程控制和无人掘进工作面，从而使掘进机操作人员可后撤至安全地带，实现安全高 效的巷道掘进；用于掘进机自动导航定位，具有成本低、结构简单、获取信息完整等优势。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明所述悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统原理图；图2为偏航角和 横向偏移计算示意图；图3为俯仰角和纵向偏移计算示意图；图4为坐标系定义示意图。
[0014] 图中：1-悬臂式掘进机；2-台阶结构；3-图像处理平台；4-矿用隔爆摄像机； 5_结构光激光器。
【具体实施方式】
[0015] 如图1所示，一种悬臂式掘进机空间位姿自动检测系统，包括安设于巷道顶板上 的结构光激光器5,安装在悬臂式掘进机1机身上的矿用隔爆摄像机4、图像处理平台3和 台阶结构2,所述台阶结构2包括上下两层台阶，两层台阶的长度和高度可伸缩，台阶结构2 安装于悬臂式掘进机1机身上表面前端，台阶结构2的对称轴方向与机身纵向对称轴方向 一致；所述结构光激光器5设有水平指