懸臂式掘進機自主定位導航技術研究與試驗

崔建勇

（山西古縣西山登福康煤業有限公司，山西 臨汾 042400）

引言

懸臂式掘進機是煤礦巷道掘進的核心采掘設備，以人工操作為主，智能化水平和掘進效率不高。懸臂式掘進機在煤礦井下綜掘工作面使用時面臨的困難如下[1-3]：工作面工況復雜、粉塵濃度高、照明度差，導致掘進機駕駛員視野受限，巷道成型質量差；掘進時存在瓦斯超限、煤巖坍塌的風險；采、掘、支動作不匹配，掘進效率低下。因此，懸臂式掘進機的智能化、協同化發展是煤礦綜掘工作面設備發展趨勢。懸臂式掘進機智能掘進時，機身位姿精確測量、軌跡自主導航成為關鍵問題。近年來，國內外專家基于全站儀、慣性導航、電子羅盤、機器視覺、iGPS 定位、空間交匯測量、超寬帶技術、激光導向等理論和技術對懸臂式掘進機位姿進行測量，獲取姿態角和相對位置，以實現掘進機的自動化、精準化截割。實際應用發現，使用單一位姿檢測方法難以實現懸臂式掘進機位姿精準測量，實現完全的智能化、無人化掘進存在一定的差距。本文以綜掘工作面懸臂式掘進機為研究對象，在介紹其工作特性的基礎上，重點研究基于雙目視覺與慣導相結合的掘進機定位技術，并搭建、完成位姿試驗平臺，驗證所研究技術方案的可行性。

1 懸臂式掘進機定位需求分析

以懸臂式EBZ260 型掘進機為例，其機械部件主要由截割部、回轉部、行走部、裝載部、智能定位系統及機架組成。懸臂式掘進機掘進過程中，機身需左右移動，截割臂帶動截割頭按照截割軌跡進行截割，根據要求截割拱形、矩形巷道。截割過程中，機身位置固定不變，截割完一個既定軌跡后，機身按照實際工況左右移動[4]。因此，懸臂式掘進機掘進時的定位需求為：斷面截割時，機身需左右移動；負載運行時，機身位置保持不變；行走時，為履帶式行走模式，移動速度較慢，但機身姿態及導航角變化頻繁。

2 懸臂式掘進機定位系統分析

懸臂式掘進機自主定位導航控制系統總體方案如圖1 所示，利用雙目視覺原理精確測量掘進機位姿，構建捷聯慣導自主定位控制系統，實現懸臂式掘進機自主位姿精確測量。結合煤礦井下綜掘工作面實際工況，設置雙目相機內參數，利用雙目相機采用張正友標定法獲取巷道內棋盤格圖像，采用880 nm紅外LED 標靶表征掘進機位姿圖像特征，并進行畸變校準。對完成畸變校準的圖像進行特征提取、特征匹配，利用高斯擬合方法獲取圖像光斑中心點坐標，利用三角測量方法實現光斑中心點二維坐標到三維坐標的映射。最后利用迭代臨近點方案實現特征圖像的精確估計，即利用雙目視覺原理完成對掘進機機身位姿的精確估計[5-6]。捷聯慣導自主定位控制系統與懸臂式掘進機剛性連接，利用捷聯慣導的三軸陀螺儀、三軸加速計分別獲取三軸角速度和三軸先加速度并進行誤差補償和位姿初值初始化。對獲取的掘進機位姿參數進行指令解算、姿態角計算、速度位置計算，獲取精確的掘進機實時位置、位姿、速度、加速度等信息并與雙目視覺單元獲取的數據進行校準、濾波，最終輸出掘進機實時位姿狀態。

圖1 懸臂式掘進機自主定位導航控制系統總體方案

3 懸臂式掘進機自主定位試驗

懸臂式掘進機自主定位試驗分為位姿試驗、導航試驗兩部分，在實驗室構建試驗環境，驗證基于雙目視覺、捷聯慣導技術相融合的掘進機實時定位方案的可行性和正確性，并分析位姿誤差。

3.1 位姿試驗

懸臂式掘進機位姿試驗方案如圖2 所示，分為靜態試驗、動態試驗兩部分，分別完成試驗平臺的搭建、特征圖像獲取、特征圖像處理、試驗結果分析及測量誤差分析。

圖2 懸臂式掘進機自主定位導航控制系統位姿試驗方案

3.1.1 靜態試驗

采用的雙目相機為D1000-IR-120/Color 及其配套軟件、EBZ260 型4∶1 懸臂式掘進機模型、紅外LED 標靶為SE347-003。試驗時，利用雙目相機圖像處理軟件獲取紅外LED 標靶圖像，距離范圍為1～7m，每增加1 m 獲取一次圖像，一共為7 張紅外LED 圖像，雙目相機保持靜止狀態。記錄7 張紅外LED 圖像的俯仰角、航向角、橫滾角、深度數據，以及X 軸、Y 軸、Z 軸的誤差值并形成圖3 及圖4 關系圖。由圖3、圖4 可知，靜態測量時，測量距離為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m 及7 m 時，橫滾角、航向角、俯仰角測量誤差逐漸增加，橫滾角的最小測量誤差為0.236°，最大為2.105°；航向角的最小測量誤差為0.204°，最大為1.745°；俯仰角的最小測量誤差為0.051°，最大為1.029°。在X 軸、Y 軸、Z 軸方向上的測量誤差逐漸增加，X 軸最小測量誤差為1.665 mm，最高為73.231 mm；Y 軸最小測量誤差為1.255 mm，最高為60.510 mm；Z 軸最小測量誤差為0.150 mm，最高為15.370 mm。

圖3 姿態誤差與測量距離關系

圖4 位置誤差與測量距離關系

3.1.2 動態試驗

采用的雙目相機為MYEYEN120 及配套軟件，其他試驗設備與靜態試驗相同。試驗時，將雙目相機固定于高精度的橫向位移平臺，紅外LED 標靶固定于相機后方2 m 處。試驗過程中，保持紅外LED 標靶靜止，雙目相機等間隔50 mm 移動并獲取圖像信息。記錄每一張圖像的特征點數據并對掘進機俯仰角、航向角、橫滾角，以及X 軸、Y 軸、Z 軸數據進行統計分析，發現上述各參數測量誤差都優于靜態試驗數據結果，有效實現了對靜態試驗累積誤差的抑制，滿足掘進機實際工況使用要求。

3.2 導航試驗

懸臂式掘進機導航試驗方案如圖5 所示，分為靜態試驗、動態試驗兩部分，分別完成試驗平臺的搭建、靜置、導航數據采集、數據處理及試驗結果分析。

圖5 懸臂式掘進機自主定位導航控制系統導航試驗方案

3.2.1 靜態試驗

采用的捷聯慣導型號為TransducerM9 及其配套數據采集軟件，固定于水平載物臺。

試驗時，保持捷聯慣導靜止，采集時間T 內捷聯慣導的輸出數據并進行數據統計分析。發現：X 軸向位移漂移值為2 m、Y 軸向位移漂移值為2.5 m、Z 軸向位移漂移值為2.1 m。掘進機俯仰角誤差在±0.06°以內，航向角誤差在±0.05°以內，橫滾角誤差在±0.08°以內。

3.2.2 動態試驗

將捷聯慣導裝置固定在高精度三軸轉臺上，通過控制轉臺的回轉角實現對捷聯慣導裝置的動態控制并利用配套數據采集軟件采集捷聯慣導姿態輸出數據。試驗時，三軸轉臺回轉角轉動角度為2°，并保持30 s。試驗發現：捷聯慣導航向角解算結果與實際航向角線性跟隨性較好，最大誤差為0.3°。

3.3 融合定位試驗

將雙目相機位姿測量與捷聯慣導位姿測量技術進行融合，驗證該方案的穩定性和測量精度。試驗時，將雙目相機、捷聯慣導系統固定于懸臂式掘進機機身的合適位置，按照設置雙目相機/捷聯慣導的數據采樣頻率、機身運動路徑規劃，按路徑移動機身、同步采集圖像和慣導數據、數據校準、數據處理、試驗結果分析、誤差分析的步驟進行試驗。發現：該融合定位方案抑制了掘進機關鍵點上測量的穩定性，未發生漂移，抑制了累計誤差，增強了對掘進機俯仰角、航向角、橫滾角，以及X 軸、Y 軸、Z 軸測量數據的精確性和穩定性。

4 結論

1）由雙目相機、捷聯慣導技術融合方案實現的對懸臂式掘進機自主定位，能夠有效抑制單一定位方案的累計誤差，抑制在X、Y、Z 軸的位移偏移。

2）提高了懸臂式掘進機自主位姿測量精度，有效保障了懸臂式掘進機的自主行進、自動截割及智能化、無人化的發展。