一种掘进机定位定向方法与流程

本发明总体而言涉及矿区生产作业领域，具体而言，涉及一种掘进机定位定向方法。

背景技术：

目前，巷道掘进的施工环境复杂恶劣，危险系数高，掘进机作为井下开采作业的重要设备，其自主运行能力很大程度上影响着井下生产的效率和安全性。然而目前掘进机在巷道中开凿掘进时主要依赖视觉图像设备或者激光器或者无线定位基站进行导向和定位，这些方式受巷道环境的粉尘浓度、能见度和温湿度影响较大，所获数据质量较差且数据可用率低，数据处理周期长且处理难度大，极大地影响了掘进机自主定位导向的准确度和效率，不仅不利于井下掘进生产效率的提升，也给生产安全带来较高安全隐患。

因此，业界亟需一种高效率且高准确度的掘进机定位定向方法。

技术实现要素：

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种高效率且高准确度的掘进机定位定向方法。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种掘进机定位定向方法，用于掘进机在巷道内进行定位和定向，所述掘进机后方的巷道内设置有测距板，所述掘进机上设置有三维雷达和倾角测量仪，所述三维雷达朝向所述测距板设置，所述方法包括以下步骤：

1)利用所述三维雷达实时获取巷道环境的点云数据；

2)利用所述倾角测量仪实时测量所述掘进机的机身倾角；

3)对所述点云数据和所述机身倾角进行数据融合和提取，得到所述掘进机到所述巷道的左侧壁的距离d1、所述掘进机到所述巷道的右侧壁的距离d2、所述掘进机到所述测距板的距离d3和所述掘进机的航向偏角α。

根据本发明的一实施方式，步骤3)包括：

3.1)对所述三维雷达采集的点云数据进行分割处理，得到左侧壁点云区、右侧壁点云区和测距板点云区；

3.2)对所述左侧壁点云区、所述右侧壁点云区、所述测距板点云区分别进行特征提取。

根据本发明的一实施方式，步骤3.2)包括：

建立左侧壁预选模型，并通过所述左侧壁预选模型对所述左侧壁点云区进行特征提取，得到左侧壁数学模型，由所述左侧壁数学模型得出所述掘进机到所述巷道的左侧壁的距离d1。

根据本发明的一实施方式，步骤3.2)包括：

建立右侧壁预选模型，并通过所述右侧壁预选模型对所述右侧壁点云区进行特征提取，得到右侧壁数学模型，由所述右侧壁数学模型得出所述掘进机到所述巷道的右侧壁的距离d2。

根据本发明的一实施方式，步骤3.2)包括：

建立测距板预选模型，并通过所述测距板预选模型以及机身倾角对所述测距板点云区进行特征提取，得到测距板数学模型，由所述测距板数学模型得出所述掘进机到所述测距板的距离d3。

根据本发明的一实施方式，步骤3.2)包括：

对所述左侧壁数学模型和所述右侧壁数学模型进行倾斜度提取，得出所述掘进机的航向偏角α。

根据本发明的一实施方式，所述通过所述测距板预选模型以及机身倾角对所述测距板点云区进行特征提取，包括：

对所述测距板点云区进行倾角转换，进而通过所述测距板预选模型进行特征提取。

根据本发明的一实施方式，所述掘进机上设置有毫米波雷达，所述毫米波雷达朝向所述测距板设置。

根据本发明的一实施方式，步骤3)包括：

利用所述毫米波雷达实时测量所述掘进机到所述测距板的距离d′3。

根据本发明的一实施方式，步骤3)包括：通过所述毫米波雷达测量的所述掘进机到所述测距板的距离d′3对由所述测距板数学模型得出的所述掘进机到所述测距板的距离d3进行校准。

由上述技术方案可知，本发明的掘进机定位定向方法的优点和积极效果在于：

本发明中，通过对三维雷达获取的点云数据和倾角测量仪测得的机身倾角进行数据融合和提取，得到掘进机在巷道内的位置和航向偏角，数据处理快速且精度高，对复杂环境的适应性强，可长期稳定地进行掘进机定位定向，掘进机自主定位定向的效率和准确度均得以有效提高，提高了掘进机掘进生产的效率和安全性，具有很高的经济性，极为适合在业界推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以如这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例掘进机定位定向方法的流程示意图。

图2为本发明一实施例掘进机定位定向方法的应用示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、掘进机；2、三维雷达；3、测距板；4、倾角测量仪；5、左侧壁点云区；6、右侧壁点云区；7、测距板点云区；8、毫米波雷达；9、巷道。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

在对本发明的不同示例的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“顶部”、“底部”、“前部”、“后部”、“侧部”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如如附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。

图1为本发明一实施例掘进机定位定向方法的流程示意图。

图2为本发明一实施例掘进机定位定向方法的应用示意图。

如图1和图2所示，该实施例的掘进机定位定向方法用于掘进机1在巷道9内进行定位和定向，掘进机1后方的巷道9内设置有测距板3，掘进机1上设置有三维雷达2和倾角测量仪4，三维雷达2朝向测距板3设置，方法包括以下步骤：1)利用三维雷达2实时获取巷道9环境的点云数据；2)利用倾角测量仪4实时测量掘进机1的机身倾角；3)对点云数据和机身倾角进行数据融合和提取，得到掘进机1到巷道9的左侧壁的距离d1、掘进机1到巷道9的右侧壁的距离d2、掘进机1到测距板3的距离d3和掘进机1的航向偏角α。

该实施例中，步骤1)中三维雷达2可安装于掘进机1顶面或其他适宜位置，且朝向掘进机1后方的测距板3设置，测距板3可为一面积较小的金属材质板，测距板3固定设置于掘进机1后方的巷道9内，掘进机1工作初始时与测距板3间的距离为d0；三维雷达2可以是三维激光雷达，或者其他类型的三维雷达例如利用无线电波进行探测的三维雷达，三维激光雷达相比传统摄影测量及其他雷达，其生成三维信息更加快速和准确，但其受工作环境的影响较大，例如大雨、浓烟或浓雾，尤其在矿区井下巷道9内粉尘浓度高的环境中，其传播距离急剧衰减，工作状态不稳定，加之巷道9内地面不平整，掘进机1在巷道9内掘进过程中时常颠簸，从三维雷达2扫描获取的巷道9环境的点云数据中难以识别较小的目标物。

该实施例中，步骤2)中安装于掘进机1的倾角测量仪4可以是倾角传感器或者普通的加速度传感器，倾角测量仪4可以是单轴或者双轴的倾角测量仪4，倾角测量仪4用于实时检测掘进机1的机身倾角，以辅助三维雷达2获取的巷道9环境的点云数据进行测距板3的识别。

该实施例中，步骤3)包括：3.1)对三维雷达2采集的点云数据进行分割处理，得到左侧壁点云区5、右侧壁点云区6和测距板点云区7。在对点云数据进行分割处理之前，可先对点云数据进行滤波处理以除去点云数据中的噪声，滤波处理可采用直通滤波器、体素滤波器、统计滤波器、条件滤波器、半径滤波器或者卡尔曼滤波器；进而，对点云数据进行分割处理，可通过八叉树法或者区域生长算法或者包围盒法或者模糊聚类算法对点云数据进行简略划区，或者，根据巷道9形状和点云数据中点的具体坐标值，设置横轴限制区间和纵轴限制区间对整体点云数据进行划区，得到左侧壁点云区5、右侧壁点云区6和测距板点云区7此三个分区。

该实施例中，步骤3)还包括：3.2)对左侧壁点云区5进行特征提取。具体地，建立左侧壁预选模型；进而在左侧壁点云区5内随机选取三个点，将此三个点分别代入左侧壁预选模型并结合得到左侧壁待定模型，对左侧壁点云区5的其余点分别进行到左侧壁待定模型的距离的求取，分别判断其到左侧壁待定模型的距离是否在误差e允许的范围内，并记录在误差e允许的范围内的点的个数；进而重新在左侧壁点云区5内随机选取三个点，得到新的左侧壁待定模型，重复上述的距离求取和与误差e的比较，若此次得到的在误差e允许的范围内的点的个数大于前次得到的在误差e允许的范围内的点的个数，则以此次所得的左侧壁待定模型代替前次的模型，若此次得到的在误差e允许的范围内的点的个数小于前次得到的在误差e允许的范围内的点的个数，则保持前次所得的左侧壁待定模型为当前模型，重复前述过程k次，取k次后得到的左侧壁待定模型为最终的左侧壁数学模型a1x+b1y+c1z+d1＝0，再由左侧壁数学模型a1x+b1y+c1z+d1＝0得出掘进机1到巷道9的左侧壁的距离其中x、y、z可为掘进机1左侧机身上的点的坐标值。

该实施例中，步骤3.2)还包括：对右侧壁点云区6进行特征提取。具体地，建立右侧壁预选模型；进而在右侧壁点云区6内随机选取三个点，将此三个点分别代入右侧壁预选模型并结合得到右侧壁待定模型，对右侧壁点云区6的其余点分别进行到右侧壁待定模型的距离的求取，分别判断其到右侧壁待定模型的距离是否在误差e允许的范围内，并记录在误差e允许的范围内的点的个数；进而重新在右侧壁点云区6内随机选取三个点，得到新的右侧壁待定模型，重复上述的距离求取和与误差e的比较，若此次得到的在误差e允许的范围内的点的个数大于前次得到的在误差e允许的范围内的点的个数，则以此次所得的右侧壁待定模型代替前次的模型，若此次得到的在误差e允许的范围内的点的个数小于前次得到的在误差e允许的范围内的点的个数，则保持前次所得的右侧壁待定模型为当前模型，重复前述过程k次，取k次后得到的右侧壁待定模型为最终的右侧壁数学模型a2x+b2y+c2z+d2＝0，再由右侧壁数学模型a2x+b2y+c2z+d2＝0得出掘进机1到巷道9的右侧壁的距离其中x、y、z可为掘进机1右侧机身上的点的坐标值。

该实施例中，步骤3.2)还包括：对测距板点云区7进行倾角转换，对测距板点云区7进行特征提取。具体地，将测距板点云区7的点分别代入倾角转换模型

进行倾角转换，得到新的测距板点云区7，其中x’、y’、z’为转换后的测距板点云区7的点，x、y、z为转换前的测距板点云区7的点，θ1为倾角测量仪4测得的掘进机1绕倾角测量仪4测横向灵敏轴的倾斜角，θ2为倾角测量仪4测得的掘进机1绕倾角测量仪4测纵向灵敏轴的倾斜角，进而以新的测距板点云区7进行以下操作，建立测距板预选模型；进而在测距板点云区7内随机选取三个点，将此三个点分别代入测距板预选模型并结合得到测距板待定模型，对测距板点云区7的其余点分别进行到测距板待定模型的距离的求取，分别判断其到测距板待定模型的距离是否在误差e允许的范围内，并记录在误差e允许的范围内的点的个数；进而重新在测距板点云区7内随机选取三个点，得到新的测距板待定模型，重复上述的距离求取和与误差e的比较，若此次得到的在误差e允许的范围内的点的个数大于前次得到的在误差e允许的范围内的点的个数，则以此次所得的测距板待定模型代替前次的模型，若此次得到的在误差e允许的范围内的点的个数小于前次得到的在误差e允许的范围内的点的个数，则保持前次所得的测距板待定模型为当前模型，重复前述过程k次，取k次后得到的测距板待定模型为最终的测距板数学模型a3x+b3y+c3z+d3＝0，再由测距板数学模型a3x+b3y+c3z+d3＝0得出掘进机1到测距板3的距离其中x、y、z可为掘进机1后侧机身上的点的坐标值。

该实施例中，步骤3.2)还包括：对左侧壁数学模型和右侧壁数学模型进行倾斜度提取，得出掘进机1的航向偏角α。具体地，通过航向偏角模型α＝﹣(a1/b1+a2/b2)/2得到掘进机1在巷道9内的航向偏角。

该实施例中，掘进机1上还设置有毫米波雷达8，毫米波雷达8朝向测距板3设置，毫米波雷达8是工作在毫米波波段的探测雷达，其穿透烟、雾、粉尘等的能力强，能够全天候全天时运行，且其抗干扰能力和稳定性强，能够快速识别较小的目标物；步骤3)之后还包括：利用毫米波雷达8实时测量掘进机1到测距板3的距离d′3，并通过毫米波雷达8测量的掘进机1到测距板3的距离d′3对由测距板数学模型得出的掘进机1到测距板3的距离d3进行校准，具体地，当|d3-d′3|≤ε时，则取由测距板数学模型得出的掘进机1到测距板3的距离d3为最终的掘进机1到测距板3的距离，当|d3-d′3|＞ε时，则以毫米波雷达8测量的掘进机1到测距板3的距离d′3替代d3作为最终的掘进机1到测距板3的距离。

本发明中，通过对三维雷达2获取的点云数据和倾角测量仪4测得的机身倾角进行数据融合和提取，得到掘进机1在巷道9内的位置和航向偏角，数据处理快速且精度高，对复杂环境的适应性强，可长期稳定地进行掘进机1定位定向，掘进机1自主定位定向的效率和准确度均得以有效提高，提高了掘进机1掘进生产的效率和安全性，具有很高的经济性，极为适合在业界推广使用。

本发明所属技术领域的普通技术人员应当理解，上述具体实施方式部分中所示出的具体结构和工艺过程仅仅为示例性的，而非限制性的。而且，本发明所属技术领域的普通技术人员可对以上所述所示的各种技术特征按照各种可能的方式进行组合以构成新的技术方案，或者进行其它改动，而都属于本发明的范围之内。