基于机器视觉掘进机位姿检测应用现状与趋势

机器视觉技术依靠非接触、获取信息丰富的特点,在煤矿智能化的进程中得到了广泛应用,同时在煤炭开采中,掘进机的位姿检测有利于掘进机的自动化以及智能化操作进而有利于煤矿智能化进程的推进,不仅能缓解采掘失衡的矛盾,同时能降低工人的劳动强度,本文分析了近几年来机器视觉技术在掘进机位姿检测中的应用现状与趋势,研究了各种掘进机位姿检测方法中所涉及的图像预处理以及位姿检测模型的关键共性问题,并就关键共性问题,提出了机器视觉技术在掘进机位姿检测的应用中,应在图像采集硬件、位姿检测的冗余性以及特征提取的精确性方面做出突破。     

机器视觉在掘进机位姿检测中的应用现状及发展趋势

煤矿综掘工作面环境恶劣,实现无人化掘进,对煤矿安全生产具有重要意义。掘进机位姿检测是实现综掘工作面无人化最重要的一环。近年来,视觉测量技术凭借信息量大、测量精度高等优点,已成为掘进机位姿检测的研究热点。介绍了基于机器视觉的掘进位姿检测技术的原理,归纳了基于单目视觉和双目视觉的掘进机位姿检测技术的研究现状。分析了其在应用过程中所面临的问题,最后对机器视觉技术在掘进机位姿检测中的发展趋势进行展望。     

悬臂式掘进机视觉定位方法研究

高精度定位是实现掘进机自动截割和无人化掘进的前提,为此研究了掘进机机器视觉技术定位方法。分析了系统定位原理,提出等效横向偏移量和等效距离的概念,推导了等效横向偏移量与横向偏移量以及等效距离和距离的数学关系。通过仿真,研究了目标偏航角对等效横向偏移量和等效距离2个定位参数检测的影响。仿真结果表明,所提出方法在掘进机机身偏航角不超过15°、距离为55m时,对等效横向偏移量的估计偏差在0.03 m以内,对等效距离的估计偏差可达1.90 m。搭建了试验装置,并用全站仪对这一方法的准确性进行了验证,试验结果与仿真结果基本一致,证明该方法的准确性。     

基于机器视觉的悬臂式掘进机机身位姿检测系统

针对矿井巷道自动掘进的需求,为矿用悬臂式掘进机构建了一套机身位姿实时检测系统。该系统以十字激光器与激光标靶为信息来源,通过对标靶上十字光线成像特征的分析,建立了掘进机机身位姿空间解算模型。该模型利用机身与十字激光面的空间关系,使用空间矩阵变换方法,得到机身相对于巷道的三轴倾角以及在巷道断面上的偏离位移,实现了掘进机机身位姿的自动实时检测。最终,在实验室条件下,搭建了机身位姿自动检测试验平台,模拟掘进机在巷道内的姿态,试验结果表明:测量范围在2~100 m时,系统的角度测量误差在0.5°范围内,位移的检测误差小于20 mm,能够满足巷道施工过程中掘进机机身位姿自动、精确、实时测量的要求。     

基于巷道断面的掘进机截割头定位系统设计

针对无法精确定位掘进机截割头的位置、截割效率低及截割断面成形差的问题,提出了基于巷道断面的掘进机及截割头定位系统设计方法。结果表明,该定位系统在直线标准巷道内,可实现掘进机截割头准确定位,不仅提高截割效率和断面成形率,而且有利于安全生产,节约人力及支护成本。     

基于TSOA定位原理混合算法的掘进机位姿检测方法

为实现掘进机的位姿检测,提出了一种面向掘进机的混合算法的位姿检测方法。基于超宽带(Ultra-wideband)测距和(Time Summation of Arrival,TSOA)定位原理,系统地推导了混合算法的计算过程,将间接法得到的定位点初始坐标代入Taylor级数展开法,循环迭代,通过混合算法得到了掘进机的坐标值,将坐标值代入姿态角解算公式得到了掘进机的姿态角。实际实验中需要其他测量方式的标定才可验证真值,且任何测量方式均有误差,因此基于MATLAB进行仿真分析研究规律。绘制了混合算法程序流程图,仿真对比了间接法和混合算法在15 m和90 m的定位点空间分布状态、三轴误差,以及2种算法在10～100 m的测量范围内定位点均方根误差和三轴均方根误差变化情况,分析了混合算法在15 m和90 m的姿态角精度,仿真结果表明:混合算法的定位性能优于间接法,精度高于间接法,姿态角误差可控制在0. 008°以下。搭建了掘进机位姿检测系统实验平台,在模拟巷道中进行了实验验证,完整地采集了UWB测距的相关数据,在MATLAB中通过曲线拟合绘制了误差随距离变化的曲线图,得到了误差随测量距离变化的规律,实验结果表明:在3～94 m测量范围内,X轴误差可控制在4 cm以内,Y轴误差可达到毫米级,Z轴误差随测量距离增大而增大。为实现综掘装备的自主导控提供了理论基础。     

矿井掘进机自主定位仿真模拟及应用研究

为解决井下巷道断面掘进质量,提出了掘进机自主定位系统指导综掘。从理论上阐述了掘进机定位系统组成和定位原理,模拟分析了掘进机自主定位误差情况、姿态角分布规律和校准效果,应用表明在自主定位下掘进掘进的巷道断面质量好,实现了快速、精准作业,为矿井实现高产高效奠定了理论基础。     

基于惯性导航技术的掘进机位姿测量系统研究

为实现掘进机位姿无人化、高精度的自主测量功能,提出了基于惯性导航技术的掘进机位姿测量系统并对其可行性进行分析研究。根据掘进机实际工况,提出了掘进机空间位姿参数,建立了位姿测量系统的数学模型,应用MATLAB进行仿真分析研究,得出了掘进机空间位姿参数在不同掘进进尺及掘进时间情况下的变化规律。     

掘进机精准制导试验平台的设计

为解决井下开采少人化、无人化研究进程中对相关理论进行试验验证所面临的掘进机改造难度大、成本高以及缺少试验平台问题,对掘进机精准制导试验平台的整体设计以及其可承载试验项目进行了介绍。通过对试验平台的机械本体设计、液压动力系统设计、电气控制系统设计,完成了掘进机精准制导试验平台的搭建。对平台可承载试验的原理进行了分析。本试验平台为开展掘进机智能化研究提供了实用性平台,对推动智慧矿山的发展具有重大意义。     

基于掘进机位姿测量系统的自主标定方法误差分析

围绕在狭长综掘巷道中掘进机位姿激光测量系统位姿参数高精度自动测量的问题,首先系统介绍了位姿测量系统,研究了位姿测量系统测站移站后高精度自动全站仪自主标定原理。依据激光测量原理及掘进机工作特点,构建了全站仪移站后全站仪设站点坐标与定位棱镜坐标测量误差数学平差模型,并通过Matlab进行了不同标定距离、不同测量距离对悬臂式掘进机位姿参数测量误差影响规律的仿真分析。分析结果表明:掘进方向的位姿误差比较大,掘进机姿态角误差均随测量距离和标定距离的增加而增加,且测量距离对姿态角误差影响更明显;姿态角的最大测量误差为航向角,测量误差为0. 015 7°。从而验证了激光导向系统自主标定的可行性,并由此提出了一种相对最优的自主标定策略。完全满足目前煤矿综掘工作面对悬臂式掘进机位姿测量精度的要求。     

适用于软泥岩巷道的掘进机设计改进

软泥岩巷道主要指巷道的底板、顶板中,泥岩占主要成分,泥岩遇水,则会变成泥浆,对巷道开拓、煤矿安全生产都会带来严重影响,主要针对软泥岩巷道的特性,对掘进机的设计提出一些改进措施,提高掘进机对软泥岩巷道的适应性。     

面向掘进机的超宽带位姿协同检测方法

为符合安全高效生产对掘进机作业的要求,提出了一种面向掘进机的超宽带位姿协同检测方法。依据TDOA(波达时间差)定位原理及P440模块的测距信息建立定位模型,利用协同定位算法得到定位点坐标的最终估计值。对比Chan算法与协同算法的定位点仿真分布,并分析协同算法的三轴定位精度。建立了空间全断面定位误差场,得出协同算法的空间定位精度变化规律。对机身定位点进行布局设计,解算得到掘进机的姿态角。结果表明:在90 m范围内,协同算法的Y轴定位误差基本上可以保持2 mm,而X轴、Z轴定位误差由0. 4至4 cm呈线性增加。随测量距离的增大,在巷道X-Y断面上,定位误差呈线性增加;在巷道X-Z断面上,定位误差的随机性增加。姿态角误差均由0. 2°至1. 5°呈线性增加,满足掘进机位姿检测精度的需求。     

基于机器视觉的掘进机截割头姿态检测系统

对掘进机截割机构模型进行简化,采用俯仰角和旋转角作为描述截割头姿态的参数,设计了基于机器视觉的掘进机截割头位姿检测系统,并介绍了双目视觉检测方法的原理。为了验证检测系统的检测效果,通过实验将采用本系统得到的截割头姿态参数与采用传感器测得的数据进行对比,结果显示截割头姿态参数相差不到1°,误差基本都在10%以内,由此证明采用机器视觉对掘进机截割头进行姿态检测得到的数据是有效的。     

基于三激光束标靶的煤矿井下长距离视觉定位方法

煤矿井下掘进装备长距离动态定位是巷道掘进智能化发展面临的首要难题,准确、可靠的位姿测量与估计对提高掘进效率具有重要意义。由于煤矿环境中存在振动噪声、磁干扰、静电干扰等因素,传统测量方法的稳定性和准确性难以保证。与其他定位方法相比,视觉测量方法以其无接触、无累积误差的优点备受关注。针对井下视觉定位面临的精度和稳定性难题,提出基于多激光束的煤矿井下长距离视觉定位方法,采用矿用激光指向仪构建了三激光束标靶解决低照度、高粉尘和复杂背景的干扰问题。以悬臂式掘进机为应用对象,构建了基于三激光束标靶的掘进机机身位姿单目视觉测量系统,提出基于颜色分量的峰值聚类约束的激光束标靶图像分割方法,利用Hessian矩阵求解激光束粗略中心线像素点的法线方向,结合泰勒展开实现三激光束中心线的亚像素级特征提取和定位;构建了三点三线(3P3L)掘进机机身位姿测量模型,并建立了测量模型的最小二乘法损失函数,结合最小化重投影误差实现非迭代全局最优解估计,获得了掘进机机身位姿的最优解,并对测量模型主要参数的误差分布进行了数值仿真研究。最后,搭建基于三激光束标靶的掘进机机身定位系统平台并进行实验评估,结果表明,该方法可满足煤...     

煤矿掘进机机身位姿感知及定向方法研究

本文对煤矿掘进机机身位姿感知及定向技术和方法进行了详细研究,通过对比,采用惯性导航法对掘进机位姿进行测量,并对惯性导航原理及掘进机行走智能控制进行了分析与设计,建立了掘进机行走机构、行走过程及行走轨迹模型。     

悬臂式巷道掘进机的选型研究

针对日益推广的巷道掘进机进行了选型研究,根据掘进机的主要性能、技术参数、适用条件、以及选择使用掘进机的相关影响因素等选用了2台掘进机.介绍了掘进机工效计算方法,并对巷道切割法与钻爆法的成本进行了分析比较.实践表明,在适宜条件下,非煤矿山选择和使用巷道掘进机可以降低作业成本10.53%.     

基于iGPS的掘进机单站多点分时机身位姿测量方法

为实现掘进机机身位姿的高精度自主测量,提出了基于iGPS的掘进机单站多点分时机身位姿测量方法,并对其可行性进行分析,研究了其测量误差分布规律。分析了目前各种掘进机机身位姿测量方法及iGPS的应用方式,推导出掘进机的位姿计算参数。系统阐述了此测量方法的组成及工作原理,依据其工作原理及掘进机工作特点,建立接收器位置坐标的解算模型,通过Matlab进行仿真,得出了在不同测量距离下接收器各个轴向坐标测量误差的变化规律,结果表明：接收器各个轴向坐标测量误差随着测距的不断增大而增大,且y轴方向的测量误差增长速率大于x,z轴方向;随着测量次数的增多,测量误差有所减小,当测距为40 m,测量次数为200时,y轴方向的最大测量误差为0.070 m。将仿真结果与国家煤矿井巷工程验收标准值进行对比得出,应用此方法测量得出的最大测量误差值小于国家标准的规定值,能够满足掘进机的位姿测量要求。