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悬臂式掘进机视觉位姿检测系统外参标定方法

张旭辉 张楷鑫 张超 杨文娟 杜昱阳 谢楠 周创

张旭辉,张楷鑫,张超, 等. 悬臂式掘进机视觉位姿检测系统外参标定方法[J]. 机械科学与技术,2022,41(12):1928-1935 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200534
引用本文: 张旭辉,张楷鑫,张超, 等. 悬臂式掘进机视觉位姿检测系统外参标定方法[J]. 机械科学与技术,2022,41(12):1928-1935 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200534
ZHANG XuHui, ZHANG Kaixin, ZHANG Chao, YANG Wenjuan, DU Yuyang, XIE Nan, ZHOU Chuang. Calibrating External Parameters of Visual Position Detection System of Cantilever Roadheader[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(12): 1928-1935. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200534
Citation: ZHANG XuHui, ZHANG Kaixin, ZHANG Chao, YANG Wenjuan, DU Yuyang, XIE Nan, ZHOU Chuang. Calibrating External Parameters of Visual Position Detection System of Cantilever Roadheader[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(12): 1928-1935. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200534

悬臂式掘进机视觉位姿检测系统外参标定方法

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200534
基金项目: 国家自然科学基金项目(51974228)、陕西省自然科学基础研究计划项目(2019JLZ-08)及煤矿机电设备智能检测与控制创新团队(2018TD-032)
详细信息
    作者简介:

    张旭辉(1972−),教授,博士生导师,研究方向为煤矿 机电设备智能检测与控制,zhangxh@xust.edu.cn

  • 中图分类号: TD421

Calibrating External Parameters of Visual Position Detection System of Cantilever Roadheader

  • 摘要: 当前巷道掘进过程中高粉尘、低照度等因素严重影响外参标定精度。针对以平行激光线为特征的悬臂式掘进机位姿检测系统外参标定难题,提出一种基于数字全站仪的系统外参标定方法,详细分析系统外参标定误差对测量系统的影响。通过建立视觉位姿测量系统中各模块之间的坐标转换关系,对系统外参标定原理进行数学建模,利用全站仪位姿检测方法得到全站仪系统外参标定结果下机身相对于巷道的位姿,对普通外参标定结果得到的机身相对于巷道位姿进行精度评价。实验结果表明:悬臂式掘进机全站仪系统外参标定方法位置测量误差在 ± 3 mm内,姿态角角度测量误差在0.08°内;利用全站仪系统外参标定方法得到精度结果: xyz方向的位置平均误差分别提高了13.073 mm、21.511 mm和18.159 mm,偏航角、俯仰角和姿态角的角度平均误差分别提高了0.225°、0.246°和0.246°。
  • 图  1  视觉位姿检测系统

    图  2  矩阵转换关系

    图  3  坐标系转换原理

    图  4  视觉位姿检测系统外参标定方案

    图  5  机身姿态检测模型

    图  6  机身姿态测量方法

    图  7  航向角误差模型

    图  8  全站仪位姿检测评价平台

    图  9  全站仪姿态测量结果误差

    图  10  系统外参标定下视觉位姿测量精度实验

    图  11  机身位姿测量结果误差

    表  1  系统外参标定方法的机身位姿部分实验结果

    观测点普通测量系统外参标定 全站仪系统外参标定
    X/mmY/mmZ/mmα/(°)β/(°)γ/(°) X/mmY/mmZ/mmα/(°)β/(°)γ/(°)
    1 778.7 802.6 683.5 −14.74 −0.325 −0.164 765 812 665 −14.62 −0.126 −0.314
    2 1090 442.1 683.8 1.746 −3.887 −0.349 1107 447 658 1.511 −4.022 −0.158
    3 2244 609.4 696.2 −7.437 −2.383 −0.281 2258 599 668 −7.348 −2.151 −0.127
    4 3098 325.4 692.8 5.206 4.163 0.143 3081 321 673 5.068 3.907 −0.177
    5 4212 589.8 695.6 −17.15 0.458 0.185 4197 602 680 −16.97 0.611 0.356
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  • [1] 范京道. 煤矿智能化开采技术创新与发展[J]. 煤炭科学技术, 2017, 45(9): 65-71

    FAN J D. Innovation and development of intelligent mining technology in coal mine[J]. Coal Science and Technology, 2017, 45(9): 65-71 (in Chinese)
    [2] 王国法, 刘峰, 孟祥军, 等. 煤矿智能化(初级阶段)研究与实践[J]. 煤炭科学技术, 2019, 47(8): 1-36

    WANG G F, LIU F, MENG X J, et al. Research and practice on intelligent coal mine construction (primary stage)[J]. Coal Science and Technology, 2019, 47(8): 1-36 (in Chinese)
    [3] 王国法, 赵国瑞, 任怀伟. 智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析[J]. 煤炭学报, 2019, 44(1): 34-41

    WANG G F, ZHAO G R, REN H W. Analysis on key technologies of intelligent coal mine and intelligent mining[J]. Journal of China Coal Society, 2019, 44(1): 34-41 (in Chinese)
    [4] 张旭辉, 刘永伟, 毛清华, 等. 煤矿悬臂式掘进机智能控制技术研究及进展[J]. 重型机械, 2018(2): 22-27 doi: 10.3969/j.issn.1001-196X.2018.02.006

    ZHANG X H, LIU Y W, MAO Q H, et al. Research and progress on intelligent control technology of boom-type roadheader in coal mine[J]. Heavy Machinery, 2018(2): 22-27 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-196X.2018.02.006
    [5] YANG W J, ZHANG X H, MA H W, et al. Infrared LEDs-based pose estimation with underground camera model for boom-type roadheader in coal mining[J]. IEEE Access, 2019, 7: 33698-33712 doi: 10.1109/ACCESS.2019.2904097
    [6] 符世琛, 李一鸣, 杨健健, 等. 基于超宽带技术的掘进机自主定位定向方法研究[J]. 煤炭学报, 2015, 40(11): 2603-2610

    FU S C, LI Y M, YANG J J, et al. Research on autonomous positioning and orientation method of roadheader based on ultra wide-band technology[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(11): 2603-2610 (in Chinese)
    [7] 符世琛, 李一鸣, 张敏骏, 等. 基于UWB信号的TW-TOF测距技术在狭长巷道中的精度测试实验研究[J]. 煤炭技术, 2017, 36(3): 246-248

    FU S C, LI Y M, ZHANG M J, et al. Accuracy testing experiment in narrow roadway based on TW-TOF ranging technique of UWB signals[J]. Coal Technology, 2017, 36(3): 246-248 (in Chinese)
    [8] 朱信平, 李睿, 高娟, 等. 基于全站仪的掘进机机身位姿参数测量方法[J]. 煤炭工程, 2011(6): 113-115 doi: 10.3969/j.issn.1671-0959.2011.06.044

    ZHU X P, LI R, GAO J, et al. Position parameter measuring method of mine roadheader body base on total station[J]. Coal Engineering, 2011(6): 113-115 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1671-0959.2011.06.044
    [9] 陶云飞, 宗凯, 张敏骏, 等. 基于iGPS的掘进机单站多点分时机身位姿测量方法[J]. 煤炭学报, 2015, 40(11): 2611-2616

    TAO Y F, ZONG K, ZHANG M J, et al. Aposition and orientationmeasurement method of single-station, multipoint and time-sharing forroadheaderbody based on iGPS[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(11): 2611-2616 (in Chinese)
    [10] 贾文浩, 陶云飞, 张敏骏, 等. 基于iGPS的煤巷狭长空间中掘进机绝对定位精度研究[J]. 仪器仪表学报, 2016, 37(8): 1920-1926 doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2016.08.025

    JIA W H, TAO Y F, ZHANG M J, et al. Research on absolute positioning accuracy of roadheader based on indoor global positioning system in narrow and long coal tunnel[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2016, 37(8): 1920-1926 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.0254-3087.2016.08.025
    [11] 陈慎金, 成龙, 王鹏江, 等. 基于掘进机位姿测量系统的自主标定方法误差分析[J]. 煤炭学报, 2018, 43(9): 2647-2652

    CHEN S J, CHENG L, WANG P J, et al. Error analysis of autonomous calibration strategy based on roadheader attitude measurement system[J]. Journal of China Coal Society, 2018, 43(9): 2647-2652 (in Chinese)
    [12] HARGRAVE C O, JAMES C A, RALSTON J C. Infrastructure-based localisation of automated coal mining equipment[J]. International Journal of Coal Science & Technology, 2017, 4(3): 252-261
    [13] 杨文娟, 张旭辉, 马宏伟, 等. 悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量系统研究[J]. 煤炭科学技术, 2019, 47(6): 50-57

    YANG W J, ZHANG X H, MA H W, et al. Research on position and posture measurement system of body and cutting head for boom-type roadheader based on machine vision[J]. Coal Science and Technology, 2019, 47(6): 50-57 (in Chinese)
    [14] 张旭辉, 赵建勋, 杨文娟, 等. 悬臂式掘进机视觉导航与定向掘进控制技术[J]. 煤炭学报, 2021, 46(7): 2186-2196

    ZHANG X H, ZHAO J X, YANG W J, et al. Vision-based navigation and directional heading control technologies of boom-type roadheader[J]. Journal of China Coal Society, 2021, 46(7): 2186-2196 (in Chinese)
    [15] 刘永伟. 矿用悬臂式掘进机器人控制系统研制[D]. 西安: 西安科技大学, 2018

    LIU Y W. Design of the control system for the robot of the Robot of boom-type roadheader in mine coal[D]. Xi′an: Xi′an University of Science and Technology, 2018 (in Chinese)
    [16] 张旭辉, 刘永伟, 杨文娟, 等. 矿用悬臂式掘进机截割头姿态视觉测量系统[J]. 工矿自动化, 2018, 44(8): 63-67

    ZHANG X H, LIU Y W, YANG W J, et al. Vision measurement system for cutting head attitude of mine-used boom-type roadheader[J]. Industry and Mine Automation, 2018, 44(8): 63-67 (in Chinese)
    [17] 杨谢柳, 尹晨宇, 方素平, 等. 基于全站仪的大型三维形貌摄影测量方法[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(10): 101505

    YANG X L, YIN C Y, FANG S P, et al. Three-Dimensional measurement of large-scale objects using photogrammetry based on total station[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(10): 101505 (in Chinese)
    [18] 赵祚喜, 宋俊文, 谈婷, 等. 一种全站仪免置平实现的刚体六自由度测量方法[J]. 机械工程学报, 2019, 55(24): 28-36 doi: 10.3901/JME.2019.24.028

    ZHAO Z X, SONG J W, TAN T, et al. Rigid body 6-DOF measurement method realized by total station without leveling[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(24): 28-36 (in Chinese) doi: 10.3901/JME.2019.24.028
    [19] 孟凡效, 张宇冉, 丁乐乐, 等. POS在铁路轨道不平顺性检测中的应用[J]. 导航定位学报, 2018, 6(3): 119-126 doi: 10.3969/j.issn.2095-4999.2018.03.022

    MENG F X, ZHANG Y R, DING L L, et al. Application of POS in irregularity detection of railway tracks[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2018, 6(3): 119-126 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.2095-4999.2018.03.022
    [20] 吴斌, 丁文, 杨峰亭, 等. 非正交轴系全站仪坐标测量系统误差分析技术研究[J]. 计量学报, 2017, 38(6): 661-666 doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2017.06.01

    WU B, DING W, YANG F T, et al. The error analysis of the non-orthogonal total station coordinate measurement system[J]. Acta Metrologica Sinica, 2017, 38(6): 661-666 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2017.06.01
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-23
  • 网络出版日期:  2023-02-16
  • 刊出日期:  2022-12-05

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