基于激光与红外的掘进机位姿视觉测量技术研究

"本文主要研究了煤矿井下悬臂式掘进机的机身及截割头位姿的视觉测量系统，旨在解决这一领域的测量难题。该系统采用激光束和红外光斑特征，通过安装在巷道顶部的激光指向仪以及掘进机机身上的防爆相机进行图像采集。通过改进的随机Hough变换处理激光束图像，实现直线检测，并基于两点三线的模型计算掘进机在巷道坐标下的位姿。同时，利用高斯曲面拟合算法处理红外标靶图像，确定截割头在机身坐标系下的位姿，再结合坐标系转换关系，得到巷道坐标系中的截割头中心点位姿。实验室实验结果显示，该方法的测量误差在姿态0.5°以内，位置40 mm以内，满足精确实时测量的需求。" 这篇研究论文详细探讨了如何设计并实施一个视觉测量系统，用于解决煤矿井下悬臂式掘进机的机身和截割头的位姿测量问题。悬臂式掘进机在煤矿开采中起着关键作用，而其精确的位姿控制对于提高开采效率和安全性至关重要。传统的测量方法可能无法满足实时、精确的要求，因此研究人员提出了这个基于激光和红外光斑的视觉测量系统。 首先，该系统利用巷道顶部的三个激光指向仪发射激光束，这些激光束被安装在掘进机机身上的防爆相机捕获。通过对图像的处理，特别是使用改进的随机Hough变换进行直线检测，研究人员能够确定掘进机在巷道坐标系中的位置和姿态。这种方法依赖于建立的数学模型，即基于两点三线的位姿解算模型，它可以有效地解析出掘进机的位姿信息。 其次，为了测量截割头的位姿，研究者在截割部安装了红外标靶，同样由防爆相机采集图像。通过高斯曲面拟合算法分析红外光斑的中心，可确定截割头在机身坐标系中的位置。接着，借助对偶四元数理论，建立了截割头位姿解算模型，进一步计算出截割头在巷道坐标系中的具体位置。 最后，研究人员在实验室环境中搭建了一个模拟实际工况的测量平台，验证了该系统的性能。经过实验，他们得出结论，该测量方法的精度非常高，姿态测量误差不超过0.5°，位置测量误差小于40 mm，完全满足了对掘进机及其截割头位姿自动、准确、实时测量的严格要求。 这项研究对于提升煤矿井下掘进作业的安全性和效率具有重大意义，为未来的掘进机智能控制和自动化提供了重要的技术支持。同时，它也为其他类似环境下需要高精度位姿测量的机械设备提供了参考和借鉴。