CN101819036A - 一种掘进机的空间位姿自动测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种掘进机的空间位姿自动测量方法,它是针对掘进机在煤矿井下狭小空间掘进作业的实际情况,在掘进机的后部设置工业摄像机、工控计算机、激光指向仪、图像采集卡,对掘进机煤岩断面的位姿进行测量、计算,确认机身最合理的位姿,然后指令进行采掘作业,使作业人员远离危险地段,减少突发事故,提高采掘的安全性,使掘进机处于最佳、最合理的作业位置和状态,最大覆盖角度为±60°,位移检测偏差<10mm,偏转角检测精度为±12′,俯仰角检测精度为±6′,横滚角检测精度为±6′,以提高采掘质量和效率,此方法先进、合理、准确,是十分理想的采煤掘进机的采掘位姿测量方法,此方法也可在隧道采掘作业时使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种掘进机的空间位姿自动测量方法,属煤矿采掘设备应用、检测测量的技术领域。
背景技术
悬臂式掘进机,是大中型煤矿中最主要的采掘设备。
采煤掘进机是在一个狭小的巷道内往复采煤作业,空间有限、环境恶劣、工作面粉尘大、作业现场光线差,特别是在截割巷道底板时,操作员视线受到机身的遮挡,很难判断掘进机的截割位置和姿态,给掘进方向控制带来很大困难,致使掘进速度慢、生产效率低、巷道超采、欠采现象严重,采掘质量差,存在很大的安全隐患。
根据采煤掘进机在煤矿井下采煤作业的实际情况,如何使采煤掘进机在作业时处于最佳位置和空间位姿,并进行自动检测,是急需解决的问题。
公开号为CN201013380、名称为全自动掘进机的实用新型专利,提出采用航天导航定位仪测量掘进机位置,但没有测量掘进机身的姿态;公开号为CN101266134A、名称为悬臂掘进机头位姿的测量***及其方法的发明专利,提出采用激光机动全站仪测量掘进机车体在大地坐标系的坐标,车体偏摆角传感器测量车体偏摆角,双轴倾角传感器测量车体俯仰角和横滚角,其俯仰角和横滚角均以水平面为基准,但只适用于水平掘进巷道,此外,该方法要求全站仪安装位置与掘进机身呈水平状,这进一步限制了该方法的应用范围。
发明内容
发明目的
本发明的目的就是针对背景技术的不足和工作状况,提出一种新的掘进机空间位姿的测量方法,采用激光指向仪、工控计算机、工业摄像机、图像采集卡等设备,对采掘巷道的煤岩断面与掘进机身、截割头的空间位姿进行测量,使掘进机处于最佳位置状态,以大幅度提高掘进机的采掘效率和安全性。
技术方案
本发明使用的测量仪器为激光指向仪、工业摄像机、工控计算机、图像采集卡,其规格如下:
激光指向仪:YBJ-600
工业摄像机:KBA112
工控计算机:PCM-9387F
图像采集卡:CC1410
测量方法如下:
I、布置掘进机及测量仪器,使其处于准工作状态
①将掘进机身2置于煤岩断面3的前部,截割头8接触煤岩断面3;
②将激光指向仪4、工业摄像机5、朝向煤岩断面3、截割头8;
③工业摄像机5通过导线9联接图像采集卡7、工控计算机6;
II、激光指向仪光束与摄像机光轴方向相对位姿测量
①设定光斑接收装置
在掘进机身后部设置平面形光斑接收装置,平面上水平设置九个距离特征点,并将其排列为三行三列,行、列之间为等间距,九个特征点处于同一平面内,并平行、垂直左、右、上、下轴线;
②调整激光指向仪、工业摄像机与光斑接收装置之间的相对位置
调整激光指向仪、工业摄像机指向,使激光指向仪与其中一个特征点重合;
③确定光斑接收装置上的A、B两个特征点为激光指向仪、工业摄像机的基准点,A、B特征点处于同一水平面上;
④调整并确定工业摄像机、激光指向仪与A、B基准点的水平距离;
⑤调整并确定工业摄像机与光斑接收装置之间距离、工业摄像机与激光指向仪之间距离;
⑥采集光斑接收装置上两个特征点图像,并由工控计算机处理,计算激光指向仪光束与工业摄像机光轴之间相对位姿;
⑦识别图像中两光斑特征,将二者绕原点旋转,使连线与横轴平行,转过的角度即为工业摄像机的横滚角;
⑧基于前面所得数据,用旋转后的主特征点的横坐标,计算出工业摄像机光轴与激光指向仪光束之间的偏转角,由纵坐标算出工业摄像机光轴与激光指向仪光束之间的俯仰角;
⑨激光指向仪与工业摄像机为刚性固定联接,二者空间位姿只需检测一次;
III、工业摄像机对掘进机身的空间位姿测量
①特征点阵设置
掘进机身后部的光斑接收装置上的九个特征点,在同一水平面上,不共线,即机身位姿;
②将工业摄像机与激光指向仪悬挂于掘进机后部巷道壁顶上,并调整激光指向仪、工业摄像机指向,并固定,使掘进机身上的光斑接收装置的特征点均置于摄像机视场内,视场角为±60°,直线距离为10-12米;
③采集一组特征点阵图像,输入工控计算机,计算工业摄像机对特征点阵的空间位姿;
④提取图像中特征点区域并做标记,检测特征点位置坐标;
⑤根据特征点阵图像特征,自动完成特征点的图像匹配;
⑥在获得全部特征点及图像坐标数据后,用混合标定法对工业摄像机进行标定,计算出工业摄像机对特征点阵的空间位姿;
IV、将步骤II所得工业摄像机光轴与激光指向仪光束之间的空间位姿数据,和步骤III中所得工业摄像机与特征点阵相对位姿数据进行合并,计算出特征点阵,即:掘进机身相对激光指向仪光束,即:理论巷道轴线的空间位姿。
所述的掘进机的空间位姿测量设备的安装及布置为:由光斑接收装置特征点阵1、激光指向仪4、工业摄像机5、工控计算机6、图像采集卡7组成,激光指向仪4与工业摄像机5通过锚杆固定在掘进机身2后部10-12米的巷道壁顶上,光斑接收装置特征点阵1置于掘进机身2后部,光斑接收装置特征点阵1上设置九个特征点,激光指向仪、工业摄像机最大覆盖角为±60°,激光指向仪4、工业摄像机5、工控计算机6、图像采集卡7通过导线9联接。
所述的掘进机空间位姿测量相关计算如下:
1)计算工业摄像机5相对激光指向仪4的空间位姿;
如图2所示:
①在任意铅垂面π上水平设置两个特征点A和B;
②于距离铅垂面π为L处悬挂激光指向仪4和工业摄像机5,且使工业摄像机5垂直指向铅垂面π;
③在与铅垂面π平行的平面内移动激光指向仪4和工业摄像机5,使激光指向仪5发出光束光斑与特征点A重合;
用工业摄像机5采集两特征点图像,如图3、4所示,两特征点对应图像中心分别为a(xA,yA)、b(xB,yB),则工业摄像机5横滚角为:
将a(xA,yA)和b(xB,yB)围绕原点o旋转角度δ1,旋转后的a点坐标为:
则工业摄像机5轴线相对激光指向仪4光束的偏航角:
工业摄像机5轴线相对激光指向仪4光束的俯仰角:
式中,H为工业摄像机5与激光指向仪4安装距离,L为工业摄像机5与铅垂面π之间距离,f为工业摄像机5的镜头焦距。
2)计算工业摄像机5相对特征点阵1的空间位姿:
①提取特征点阵图像中所有特征点区域并作标记,检测每一特征点区域中心位置坐标;
②根据特征点阵图像特征,完成特征点及其图像匹配;
③在获得特征点及其图像坐标数据的基础上,利用混合标定法对工业摄像机5进行标定,实时计算工业摄像机5相对特征点阵1的空间位姿;
计算过程如下:
设各特征点空间坐标为Pi(X2,i,Y2,i,Z2,i),对应图像中各光斑中心坐标为pi(xi,yi),其中i=1,2,…,9,按照摄像机成像模型和标定理论,令
A18×8·M8×1=B18×1 ⑤
式中,A18×8为18行8列且参数已知的矩阵,B18×1为18行1列且参数已知的矩阵,M8×1为8行1列的矩阵,包含8个未知参数mj,其中j=1,2,…,8,具体为:
对上式作矩阵变换,得
M8×1=(A18×8′·A18×8)-1·A18×8′·B18×1 ⑥
式中,A18×8′表示矩阵A18×8的转置,(A18×8′·A18×8)-1表示矩阵A18×8′·A18×8的逆矩阵。
则
掘进机身2与工业摄像机5在摄像机光轴Y1方向上距离
掘进机身2在工业摄像机5横轴X1方向偏移距离
X′=m7·(f-Z′) ⑧
掘进机身2在工业摄像机5纵轴Z1方向偏移距离
Y′=m8·(f-Z′) ⑨
θ2=-arcsin(m5·(f-Z′)) ⑩
掘进机身2轴线矢量在摄像机坐标系中俯仰角
3)求解掘进机身2相对激光指向仪4光束的空间位姿:
工业摄像机5光轴与激光指向仪4所发出光束即理论巷道轴线之间空间位姿数据,和工业摄像机5与特征点阵1所在平面即掘进机身2相对位姿数据通过空间坐标变换进行合并,即可计算出掘进机身2相对理论巷道轴线的空间位姿,其中,掘进机身2空间位置由下式计算:
式中,R3×3为3行3列且参数已知的矩阵,具体为:
掘进机身2空间姿态由下式计算:
式中:
OXYZ:世界坐标系,用于表示理论巷道;
X:水平且垂直于理论巷道轴向;
Y:平行于理论巷道轴向;
Z:与X轴、Y轴正交的方向
O:激光指向仪4激光出口
O1X1Y1Z1:工业摄像机5坐标系
X1:平行于工业摄像机5成像元件水平扫描方向
Y1:工业摄像机5光轴方向
Z1:平行于工业摄像机5成像元件竖直扫描方向
O1:工业摄像机5光心
O2X2Y2Z2:特征点阵1坐标系,同掘进机身2坐标系;
X2:平行于掘进机身2左右向轴线方向
Y2:平行于掘进机身2前后向轴线方向,同特征点阵1所在平面法线方向
Z2:平行于掘进机身2上下向轴线方向
O2:特征点阵1中心
oxy:图像坐标系
x:工业摄像机5成像元件水平扫描方向
y:工业摄像机5成像元件竖直扫描方向
O2X3Y3Z3:O1X1Y1Z1平移,使其坐标系原点O1与坐标系O2X2Y2Z2原点O2重合后所形成的坐标系
X3:平行于工业摄像机5成像元件水平扫描方向
Y3:工业摄像机5光轴方向
Z3:平行于工业摄像机5成像元件竖直扫描方向
θ:掘进机身2在世界坐标系OXYZ中的偏转角
δ:掘进机身2在世界坐标系OXYZ中的横滚角
θ2:掘进机身2在工业摄像机5坐标系O1X1Y1Z1中的偏转角
δ2:掘进机身2在工业摄像机5坐标系O1X1Y1Z1中的横滚角
θ1:工业摄像机5在世界坐标系OXYZ中的偏转角
δ1:工业摄像机5在世界坐标系OXYZ中的横滚角
H:工业摄像机5与激光指向仪4的垂直安装距离
L:工业摄像机5与铅垂面π之间的距离
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性,它是根据掘进机在煤矿井下狭小空间掘进作业的实际情况,在掘进机的后部设置工业摄像机、工控计算机、激光指向仪、图像采集卡,对掘进机相对煤岩断面的位姿进行实时自动测量、计算,确认机身最合理的位姿,使作业人员远离危险地段、减少事故,提高采掘的安全性,使掘进机处于最佳、最合理的空间位姿进行作业,以提高采掘质量和效率,最大覆盖角度为±60°,位移检测偏差<10mm,偏转角检测精度为±12′,俯仰角检测精度为±6′,横滚角检测精度为±6′,此方法先进、合理、准确,是十分理想的掘进机的采掘位姿测量方法,此方法也可在隧道采掘作业中使用。
附图说明
图1为测量仪器与掘进机相互位置图
图2为工业摄像机、激光指向仪与基准面、基准点位置图
图3为测量平面示意图
图4为空间位姿计算原理图
图中所示,附图标记清单如下:
1、光斑接收装置特征点阵,2、掘进机身,3、煤岩断面,4、激光指向仪,5、工业摄像机,6、工控计算机,7、图像采集卡,8、截割头,9、导线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明:
图1所示,为测量仪器、掘进机、煤岩断面位置图,各部位置、覆盖角度、方向、高度要合理、正确,各仪器导线联接要牢固。
图2所示,为工业摄像机、激光指向仪与基准面、基准点位置图,图中可知:π平面为基准面,A、B点为基准点。
图3所示,为测量平面示意图,测量平面均在X、Y、O坐标轴上。
图4所示,为空间位姿计算原理图,图中可知:由激光指向仪光束确定所要求的巷道指向,并在其上建立世界坐标系OXYZ,坐标原点位于光束起点,光束指向为Y轴,与Y轴水平正交的方向为X轴,垂直正交的方向为Z轴,摄像机与激光指向仪刚性连接,O1X1Y1Z1为摄像机坐标系,坐标系原点位于成像平面中心,摄像机光轴为Y1轴,以成像元件排列方向为X1轴及Z1轴,O2X2Y2Z2为特征点阵确定的坐标系,以点阵中心即掘进机身轴线与特征点阵平面交点为坐标系原点,机身前后轴线方向为YO轴,机身左右轴线方向为X2轴,以与Y2轴和X2轴正交的方向为Z2,因特征点阵与掘进机刚性连接,所以可视为掘进机身坐标系,掘进机轴线向量与O2Y2重合,O2X3Y3Z3为将摄像机坐标系O1X1Y1Z1经平移至坐标系原点O1与掘进机坐标系原点O2重合后形成坐标系。
Claims (3)
1.一种掘进机的空间位姿自动测量方法,其特征在于:使用的测量仪器为激光指向仪、工业摄像机、工控计算机、图像采集卡,其规格如下:
激光指向仪:YBJ-600
工业摄像机:KBA112
工控计算机:PCM-9387F
图像采集卡:CC1410
测量方法如下:
I、布置掘进机及测量仪器,使其处于准工作状态
①将掘进机身(2)置于煤岩断面(3)的前部,截割头(8)接触煤岩断面3;
②将激光指向仪(4)、工业摄像机(5)、朝向煤岩断面(3)、截割头(8);
③工业摄像机(5)通过导线(9)联接图像采集卡(7)、工控计算机(6);
II、激光指向仪光束与摄像机光轴方向相对位姿测量
①设定光斑接收装置
在掘进机身后部设置平面形光斑接收装置,平面上水平设置九个距离特征点,并将其排列为三行三列,行、列之间为等间距,九个特征点处于同一平面内,并平行、垂直左、右、上、下轴线;
②调整激光指向仪、工业摄像机与光斑接收装置之间的相对位置
调整激光指向仪、工业摄像机指向,使激光指向仪与其中一个特征点重合;
③确定光斑接收装置上的A、B两个特征点为激光指向仪、工业摄像机的基准点,A、B特征点处于同一水平面上;
④调整并确定工业摄像机、激光指向仪与A、B基准点的水平距离;
⑤调整并确定工业摄像机与光斑接收装置之间距离、工业摄像机与激光指向仪之间距离;
⑥采集光斑接收装置上两个特征点图像,并由工控计算机处理,计算激光指向仪光束与工业摄像机光轴之间相对位姿;
⑦识别图像中两光斑特征,将二者绕原点旋转,使连线与横轴平行,转过的角度即为工业摄像机的横滚角;
⑧基于前面所得数据,用旋转后的主特征点的横坐标,计算出工业摄像机光轴与激光指向仪光束之间的偏转角,由纵坐标算出工业摄像机光轴与激光指向仪光束之间的俯仰角;
⑨激光指向仪与工业摄像机为刚性固定联接,二者空间位姿只需检测一次;
III、工业摄像机对掘进机身的空间位姿测量
①特征点阵设置
掘进机身后部的光斑接收装置上的九个特征点,在同一水平面上,不共线,即机身位姿;
②将工业摄像机与激光指向仪悬挂于掘进机后部巷道壁顶上,并调整激光指向仪、工业摄像机指向,并固定,使掘进机身上的光斑接收装置的特征点均置于摄像机视场内,视场角为±60°,直线距离为10-12米;
③采集一组特征点阵图像,输入工控计算机,计算工业摄像机对特征点阵的空间位姿;
④提取图像中特征点区域并做标记,检测特征点位置坐标;
⑤根据特征点阵图像特征,自动完成特征点的图像匹配;
⑥在获得全部特征点及图像坐标数据后,用混合标定法对工业摄像机进行标定,计算出工业摄像机对特征点阵的空间位姿;
IV、将步骤II所得工业摄像机光轴与激光指向仪光束之间的空间位姿数据,和步骤III中所得工业摄像机与特征点阵相对位姿数据进行合并,计算出特征点阵,即:掘进机身相对激光指向仪光束,即:理论巷道轴线的空间位姿。
2.根据权利要求1所述的一种掘进机的空间位姿自动测量方法,其特征在于:所述的掘进机的空间位姿测量设备的安装及布置为:由光斑接收装置特征点阵(1)、激光指向仪(4)、工业摄像机(5)、工控计算机(6)、图像采集卡(7)组成,激光指向仪(4)与工业摄像机(5)通过锚杆固定在掘进机身(2)后部10-12米的巷道壁顶上,光斑接收装置特征点阵(1)置于掘进机身(2)后部,光斑接收装置特征点阵(1)上设置九个特征点,激光指向仪、工业摄像机最大覆盖角为±60°,激光指向仪(4)、工业摄像机(5)、工控计算机(6)、图像采集卡(7)通过导线(9)联接。
3.根据权利要求1所述的一种掘进机的空间位姿自动测量方法,其特征在于:所述的掘进机空间位姿测量相关计算如下:
2)计算工业摄像机(5)相对激光指向仪(4)的空间位姿;
如图2所示:
①在任意铅垂面π上水平设置两个特征点A和B;
②于距离铅垂面π为L处悬挂激光指向仪(4)和工业摄像机(5),且使工业摄像机(5)垂直指向铅垂面π;
③在与铅垂面π平行的平面内移动激光指向仪(4)和工业摄像机(5),使激光指向仪(5)发出光束光斑与特征点A重合;
用工业摄像机(5)采集两特征点图像,如图3、4所示,两特征点对应图像中心分别为a(xA,yA)、b(xB,yB),则工业摄像机(5)横滚角为:
将a(xA,yA)和b(xB,yB)围绕原点o旋转角度δ1,旋转后的a点坐标为:
则工业摄像机(5)轴线相对激光指向仪(4)光束的偏航角:
工业摄像机(5)轴线相对激光指向仪(4)光束的俯仰角:
式中,H为工业摄像机(5)与激光指向仪(4)安装距离,L为工业摄像机(5)与铅垂面π之间距离,f为工业摄像机(5)的镜头焦距。
2)计算工业摄像机(5)相对特征点阵(1)的空间位姿:
①提取特征点阵图像中所有特征点区域并作标记,检测每一特征点区域中心位置坐标;
②根据特征点阵图像特征,完成特征点及其图像匹配;
③在获得特征点及其图像坐标数据的基础上,利用混合标定法对工业摄像机(5)进行标定,实时计算工业摄像机(5)相对特征点阵(1)的空间位姿;
计算过程如下:
设各特征点空间坐标为Pi(X2,i,y2,i,Z2,i),对应图像中各光斑中心坐标为pi(xi,yi),其中i=1,2,…,9,按照摄像机成像模型和标定理论,令
A18×8·M8×1=B18×1 ⑤
式中,A18×8为18行8列且参数已知的矩阵,B18×1为18行1列且参数已知的矩阵,M8×1为8行1列的矩阵,包含8个未知参数mj,其中j=1,2,…,8,具体为:
对上式作矩阵变换,得
M8×1=(A18×8′·A18×8)-1·A18×8′·B18×1 ⑥
式中,A18×8′表示矩阵A18×8的转置,(A18×8′·A18×8)-1表示矩阵A18×8′·A18×8的逆矩阵。
则
掘进机身(2)与工业摄像机(5)在摄像机光轴Y1方向上距离
掘进机身(2)在工业摄像机(5)横轴X1方向偏移距离
X′=m7·(f-Z′) ⑧
掘进机身(2)在工业摄像机(5)纵轴Z1方向偏移距离
Y′=m8·(f-Z′) ⑨
θ2=-arcsin(m5·(f-Z′)) ⑩
3)求解掘进机身(2)相对激光指向仪(4)光束的空间位姿:
工业摄像机(5)光轴与激光指向仪(4)所发出光束即理论巷道轴线之间空间位姿数据,和工业摄像机(5)与特征点阵(1)所在平面即掘进机身(2)相对位姿数据通过空间坐标变换进行合并,即可计算出掘进机身(2)相对理论巷道轴线的空间位姿,其中,掘进机身(2)空间位置由下式计算:
式中,R3×3为3行3列且参数已知的矩阵,具体为:
掘进机身(2)空间姿态由下式计算:
θ=θ1+θ2
式中:
OXYZ:世界坐标系,用于表示理论巷道;
X:水平且垂直于理论巷道轴向;
Y:平行于理论巷道轴向;
Z:与X轴、Y轴正交的方向
O:激光指向仪(4)激光出口
O1X1Y1Z1:工业摄像机(5)坐标系
X1:平行于工业摄像机(5)成像元件水平扫描方向
Y1:工业摄像机(5)光轴方向
Z1:平行于工业摄像机(5)成像元件竖直扫描方向
O1:工业摄像机(5)光心
O2X2Y2Z2:特征点阵(1)坐标系,同掘进机身(2)坐标系;
X2:平行于掘进机身(2)左右向轴线方向
Y2:平行于掘进机身(2)前后向轴线方向,同特征点阵(1)所在平面法线方向
Z2:平行于掘进机身(2)上下向轴线方向
O2:特征点阵(1)中心
oxy:图像坐标系
x:工业摄像机(5)成像元件水平扫描方向
y:工业摄像机(5)成像元件竖直扫描方向
O2X3Y3Z3:O1X1Y1Z1平移,使其坐标系原点O1与坐标系O2X2Y2Z2原点O2重合后所形成的坐标系
X3:平行于工业摄像机(5)成像元件水平扫描方向
Y3:工业摄像机(5)光轴方向
Z3:平行于工业摄像机(5)成像元件竖直扫描方向
θ:掘进机身(2)在世界坐标系OXYZ中的偏转角
δ:掘进机身(2)在世界坐标系OXYZ中的横滚角
掘进机身(2)在工业摄像机(5)坐标系O1X1Y1Z1中的俯仰角
θ2:掘进机身(2)在工业摄像机(5)坐标系O1X1Y1Z1中的偏转角
δ2:掘进机身(2)在工业摄像机(5)坐标系O1X1Y1Z1中的横滚角
θ1:工业摄像机(5)在世界坐标系OXYZ中的偏转角
δ1:工业摄像机(5)在世界坐标系OXYZ中的横滚角
H:工业摄像机(5)与激光指向仪(4)的垂直安装距离
L:工业摄像机(5)与铅垂面π之间的距离
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