掘錨一體機長距離高精度定位系統

胡成軍，潘格格，張 超，劉 賓，萬繼成，楊紅強，石 碩，董 征，楊文娟，張旭輝

（1.中煤（天津）地下工程智能研究院有限公司，天津 300121；2.中煤設計工程有限責任公司，天津 300121；3.西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054）

當前，煤炭在國內能源消費結構中所占的比重依然超過60%，雖然煤炭行業形勢有所浮動，但是我國煤炭工業仍存在很大發展空間[1-2]。目前我國煤炭工業正向著大型化、集中化、高產高效的方向發展。近幾年，綜合自動化采煤技術在我國得到了廣泛應用，煤炭工業面貌得到了大幅改善，相關技術的應用在提高了生產效率的同時降低了工人勞動強度，滿足了我國國民經濟建設對煤炭安全高效開采的需求[3-4]。

目前煤巷掘進設備類型較多，我國對掘進設備的需求也比較廣泛，同時受到煤炭需求量的影響，對煤礦掘進的速度和效率也有很高的要求，煤礦井下掘錨一體機的應用將會受到廣泛的關注[5]。在目前的綜掘過程中，絕大多數還是采用傳統的激光指向儀來指示巷道設計中線，通過人工目測的方式來控制掘錨一體機的掘進作業[6]。該方法全程依賴于掘錨一體機操作工人，且與工人的工作經驗密切相關，又因綜掘工作面環境極其惡劣，受多種因素影響，易出現巷道超挖或欠挖等問題，掘錨一體機的位姿測量極其重要，也是實現無人掘進的重要環節之一，直接影響掘進質量的好壞，并決定著煤炭安全及生產效率。

科研工作者對于掘錨一體機定位技術展開了大量研究，但大多采用單一方式對掘錨一體機位姿自主測量系統的研究。存在導向定位精度低、無法指示掘錨一體機在工作時的位姿信息、不具備實時性、掘進效率低等缺陷，直接影響掘錨一體機自主測量的精度及其適用范圍，甚至無法應用到煤巷礦井中[7-9]。因此，對掘錨一體機自主定向掘進的組合定位方式進行相應研究，在現有技術基礎之上開發新的定位方法并與已有技術進行組合，互相彌補缺點，來提高整個定位測量系統的精度及數據的準確性，以達到高精度、高效率的掘進方式。掘進設備的自主測量方式會直接影響巷道成形質量，對提高工作效率和減少人員數量是至關重要的。為此，采用傳感測量、機器視覺、慣性導航等技術研制了一套掘錨一體機長距離高精度定位系統。

1 定位系統技術路線

定位系統基于中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦掘錨一體機智能化改造課題。考慮煤礦井下掘進工作面環境惡劣、照明嚴重不足、粉塵大等問題，結合掘進工作面空間受限等情況，以山特維克的掘錨一體機（MB670-1）為研究對象，針對掘錨一體機自動測量位姿的問題，制定合適的姿態監測、自動定位和導向方案，搭建長距離掘進定位系統，以實現全斷面一次自動截割成巷。針對慣導累積誤差大、精度低的問題，研究基于光纖慣導的掘錨一體機位姿解算及其標定方法，定位系統技術路線如圖1。

圖1 定位系統技術路線Fig.1 Technical route of positioning system

利用數字全站儀測量3 個連續時間的棱鏡位置信息，建立基于棱鏡的掘錨機全站儀位姿測量模型，進而實現位姿求解；光纖慣導利用其位姿信息實現組合定位；同時考慮現場環境，利用“三點三線”原理的視覺定位系統確保定位精度和系統可靠性[10]；最后結合傾角傳感器獲得截割臂升降高度，結合截割滾筒的運行狀況，推算得出升降角度和抬升高度。

2 掘錨一體機定位系統方案

定位系統整體方案如圖2。

圖2 定位系統整體方案Fig.2 Overall plan of the positioning system

定位系統基于慣性導航系統+全站儀+機器視覺的掘錨一體機機身定位技術，實現對機身定位信息（三維坐標）和姿態信息（偏航角、俯仰角、橫滾角）的測量及顯示。系統包括了掘錨一體機主體、慣導測量定位子系統、視覺定位子系統、全站儀定位子系統以及參數監測界面組成。

掘錨一體機主體為MB670-1 型掘錨一體機，配置伸縮式寬截割滾筒、6 臂機載錨桿鉆機、無線遙控裝置及新型濕式除塵系統，可實現割、裝、運、錨的同步平行作業及全斷面截割一次成巷。慣導定位子系統由內置光纖慣導、防爆計算機組成，主要完成慣導信息的處理；視覺定位子系統包括了紅外防爆標靶、激光指向儀、前置防爆工業相機和防爆計算機等構成；全站儀定位子系統包括了360°棱鏡、三激光指向儀、后視棱鏡。隔爆計算機安裝有掘錨機參數監測子系統，用以顯示掘錨機的運行參數和狀態、設置監測參數和參數解算；另外機身上安裝有傾角傳感器，用來采集掘錨機搖臂、機身角度等參數；最終和定位系統將所測量得到的位姿數據通過OPC 通信上傳至及控制中心，為進一步糾偏控制提供數據基礎。

3 各子系統

3.1 基于全站儀的掘錨機定位子系統

基于全站儀的掘錨機位姿解算如如圖3。首先建立巷道坐標系，將巷道的中軸線設為巷道坐標系的1 個坐標軸，將全站儀[11]和后視棱鏡放置在巷道的中軸線上，且后視棱鏡在全站儀的后方，利用后視后視棱鏡和全站儀確定全站儀在巷道坐標系中的坐標值，使巷道坐標系和全站儀測量坐標系產生一定的相關關系，并且建立全站儀的測量坐標系；建立掘錨一體機機身剛體坐標系，將測量目標棱鏡放置在機身中心位置，因此可以得到目標棱鏡在掘錨機機身剛體坐標系中的坐標值；利用全站儀對掘錨機機身安放的目標棱鏡進行測量，得到目標棱鏡在全站儀測量坐標系下的坐標即巷道坐標系下的坐標值，經過解算即可得到掘錨機在巷道中的位姿。為了使用得到的解具有唯一性，取全站儀測量的3 個連續時間的坐標值，近似認為這3 個點在同一時間內，利用歐拉4 參數進行約束計算，使得到的解具有唯一性。

圖3 基于全站儀的掘錨機位姿解算Fig.3 Attitude calculation of anchor digger based on total station

3.2 光纖慣導掘錨機定位子系統

慣導工作原理如圖4。

圖4 慣導工作原理Fig.4 Working principle of inertial navigation

光纖慣導固聯在掘錨機機身上，對掘錨機位姿進行實時測量，由三軸加速度計和3 個光纖陀螺儀分別得到3 個方向上的加速度和角速度，根據所測得的加速度和角速度經過解算得到掘錨機的姿態角和空間位置信息[12]。

慣性元件誤差是慣導系統的主要誤差源，因此須通過標定方法將慣性元件的誤差標定出來，陀螺儀和加速度計需要標定的誤差參數包括標度因數誤差、安裝誤差以及零偏。一般采用的是6 位置旋轉法對加速度和陀螺儀進行標定。

3.3 機器視覺定位子系統

采用慣導與視覺組合方法檢測機身位姿，機身位姿測量系統包括單目工業相機、三平行激光指向儀和防爆計算機。建立基于卡爾曼濾波的組合定位系統數學模型，構建慣導與視覺組合的掘進裝備機身定位定向系統。在高粉塵、低照度、背景復雜的巷道實際工況中，圖像特征提取的精度決定著測量的精度。因此研究了復雜背景下的圖像特征提取技術，實現特征的高精度提取，保證位姿測量精度。同時，研究外參標定方法，實現全局坐標系下的全位姿輸出。

位姿求解時需要根據掘錨一體機身、截割頭和巷道之間的位置關系建立系統測量坐標系，包括巷道坐標系、掘錨一體機坐標系、激光測量坐標系、相機坐標系、紅外標靶坐標系及掘錨一體機各連桿坐標系等。

通過采集特定的圖像特征，利用數字圖像處理技術，實現特征提取，結合掘錨機位姿解算模型實現掘錨機位姿測量。當前巷道掘進過程中，通過3束激光指向儀指向截割斷面固定位置，實現指向功能。在指向過程中，不能準確地輸出位姿參數，但是激光指向儀的位置是確定的。通過對現有激光指向儀改進為平行激光指向儀束，發射平行激光束構成三點三線的門型圖像特征，構建掘錨一體機機身位姿測量模型，利用固定在掘錨一體機機身上的防爆攝像機采集器圖像特征，進而實現位姿求解。

3.4 掘錨一體機參數監測子系統

掘錨一體機機身位姿測量軟件設計采用VS+Qt多線程編程實現，包括3 大模塊：顯示模塊、參數設置模塊和解算模塊。

顯示模塊具體功能有：圖形化動態顯示機身姿態、實時波形圖的形式顯示機身在巷道中的位置及其他機身參數實時數據顯示；參數設計界面包括掘錨一體機參數設置、巷道參數設置、慣導標定參數設置和系統標定參數設置等；掘錨一體機高精度組合定位系統參數設置界面主要包括三激光指向儀的位置坐標輸入模塊、通訊地址設置模塊、慣導參數設置模塊及保存按鍵。

4 現場試驗

掘錨一體機長距離定位系統研制成功以后，在煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦進行了現場工業性試驗。現場對全站儀+慣導子系統和視覺定位子系統進行了測試。通過安裝，建站、移站等調試可實現掘錨一體機的位姿檢測功能。上電啟動后，系統全站儀+慣導系統開始運行輸出掘錨一體機位姿信息，輸出結果與實際掘錨一體機位姿吻合。通過前期硬件安裝、調試后視覺測量系統可基本實現視覺測量掘錨一體機位姿的功能。井下視覺測量系統采集到的巷道激光標靶圖像。通過坐標系轉化將掘錨一體機的位姿信息轉化到巷道坐標系下，計算結果與實際結果吻合。

5 結 語

利用機器視覺、慣導等技術搭建了掘錨一體機長距離高精度定位系統，該系統定位精度高、穩定性好，適用于煤礦井下掘進一體機長距離高度定位。

研究基于機器視覺的掘錨一體機精確定位技術，以三激光指向儀支架作為圖像特征，利用防爆工業相機采集器圖像，根據視覺測量模型求解掘錨一體機位姿參數。井下工業性試驗顯示3 個方向的位移誤差在50 mm 以內，基本滿足掘錨一體機施工要求。

研究了基于全站儀+光纖慣導信息融合的掘錨一體機定位方法，與視覺定位方法結合，揚長避短，實時測量掘錨一體機三維姿態角、空間坐標、行駛速度和行駛里程等信息。

研發的掘錨一體機長距離高精度定位系統實現掘錨一體機位姿信息和參數可視化，上位監測界面以圖形化和波形圖直觀表達定位結果。系統可與掘進機控制系統結合，提供精確位姿測量結果。