一种截割头精准坐标检测系统及检测方法
技术领域
本发明涉及矿井智能截割
技术领域
，具体地说，涉及一种截割头精准坐标检测系统及检测方法。背景技术
煤炭开采技术一直是研究的焦点，随着综采设备迅速发展，采掘失衡现象日益严重。掘进机截割过程中工作环境恶劣，驾驶员受限于掘进工作面恶劣工况，人工操作形成的巷道断面成形质量差，容易造成欠挖、过挖等现象，掘进机截割头位置自动精确定位是实现掘进机智能无人化开采的前提条件。
截割头坐标的精准检测是掘进机智能化的核心技术。截割头坐标检测的前提是获得掘进机位姿，通常情况下，掘进机位姿由偏航角(即机身在巷道方向左右的回转角)、俯仰角(即机身在巷道长度方向的前后倾角)、翻滚角(即机身在巷道长度方向的左右倾角)及机身在巷道中的位置组成。目前，掘进机位姿检测方法有捷联惯导技术、超宽带技术、全站仪等技术。捷联惯导根据陀螺仪测出的角速度信息解算出姿态角；通过二次积分的方式对加速度计测量的加速度信息进行解算，得到位置信息；但由于机身振动较为剧烈、巷道内温度变化大及惯性传感器本身存在累积误差，测得的数据误差较大。超宽带技术(UWB)采用无线电信号测距原理对掘进机定位定向；但超宽带信号受巷道内粉尘浓度大的影响，在传输过程容易发生漫反射现象，且超宽带技术的授权频谱有相当多的现存通信设备，超宽带设备功率需要低于一定门限才能不影响其他通信系统，这导致超宽带技术不适用于井下长距离的掘进机定向定位。全站仪向安装在掘进机上的棱镜发射激光，获取棱镜在巷道内的坐标，对此坐标进行相关解算得到掘进机位姿；但激光受巷道内粉尘影响，易出现散射现象，且传播路径易被遮挡，造成测量结果不准确。
基于对以上掘进机截割头坐标检测方法的分析，这些方法存在共同的局限，即单方法检测截割头坐标测量精度较低，无法精确得出掘进机截割头轮廓与巷道边界之间的位置关系，因而难以适应井下复杂的环境。此外，目前的位姿检测结果仅仅用于显示，不能用于控制截割边界、截割轨迹控制。
发明内容
本发明的内容是提供一种截割头精准坐标检测系统及检测方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
根据本发明的一种截割头精准坐标检测系统，包括截割头坐标修正点、机身偏航角检测装置、机身俯翻角检测装置，所述截割头坐标修正点设置在截割臂上且靠近截割头处，所述机身偏航角检测装置安装在机身上方，所述机身俯翻角检测装置安装在机身合理位置机体处；
所述机身偏航角检测装置包括一号标志杆和二号标志杆，所述一号标志杆设置在与机身回转中线重合的位置处，所述二号标志杆与一号标志杆平行设置且距一号标志杆有一定距离；
所述机身俯翻角检测装置包括光斑发射器、发射装置和框架，所述光斑发射器设置在发射装置顶端并与发射装置中线重合，所述发射装置重心在自身中线上且偏向底部，所述发射装置安装在第二旋转轴上并可绕轴自由旋转，所述第二旋转轴安装在圆环上，所述圆环安装在第一旋转轴上，所述第一旋转轴安装在框架的隔板上并可绕其自由旋转，在所述框架内光斑发射器上方设有接收装置；
在巷道上方顶板处设有移动载体，在移动载体上安装有视觉识别装置。
优选的，所述移动载体包括锚桩和吊板；所述吊板焊接在锚桩上，在所述吊板下方固定设有轨道，在所述轨道上设有用于驱动移动载体行走的主动行走轮，所述主动行走轮设置为轮毂电机驱动，同时，在所述轨道下方设有用于保证视觉识别装置平稳推进的辅助固定轮。
优选的，所述框架被隔板分为上腔和下腔，所述接收装置包括设置在框架的顶板与隔板之间设有投影板，在框架的顶板内表面设有第二光斑检测相机，在框架的下腔中设有阻尼液，并将发射装置下部置于阻尼液中。
优选的，所述接收装置包括在框架的顶板处位于发射装置上方设有的投影面，投影面上方的框架底板上设有第一光斑检测相机。
本发明还提供了一种截割头精准坐标检测方法，其采用上述的一种截割头精准坐标检测方法，并包括以下步骤：
第一步：组装一种截割头精准坐标检测系统，并获取掘进机的基准位姿。
第二步：测量掘进机位姿及截割臂摆角，具体包括：
S1：通过机身俯翻角检测装置检测掘进机位姿中的机身俯仰角与翻滚角：
利用第二光斑检测相机获取光斑发射器在投影板上的光斑图像，并计算得出光斑与投影板上的水平轴和竖直轴间的距离，据此计算机身俯仰角与翻滚角。
S2：通过机身偏航角检测装置检测机身偏航角和掘进机机身中点坐标：
通过视觉识别装置获取一号标志杆与二号标志杆的位置关系图像，并与第一步中所获取的基准位姿中一号标志杆与二号标志杆的位置对比，可得到机身偏航角。
S3：在截割臂升降油缸和旋转油缸内分别安装位移传感器，通过计算即可得到截割臂相对于机身的水平摆角与竖直摆角。
第三步：采用矩阵变化法获得截割头修正点的计算空间坐标，具体包括：
通过第二步测得的掘进机位姿及截割臂水平摆角与竖直摆角，使用空间矩阵变换方法得到截割头修正点的计算空间坐标。
第四步：采用图像识别法获得截割头修正点的识别空间坐标，具体包括：
使用视觉识别装置实时获取截割头修正点图像，并与第一步中所获取的基准位姿中截割头修正点的位置进行比较，得到截割头修正点的识别空间坐标。
第五步：计算修正系数，获取精准截割头坐标，具体包括：
将以上两种方法获得的截割头修正点的计算空间坐标和识别空间坐标进行分析矫正，获得以计算空间坐标为基础的截割头修正点的修正系数，将所述修正系数作用于第三步所述方法得到的截割头计算空间坐标，获取更佳精确的截割头空间坐标，以满足智能截割或自动截割等相关需求。
优选的，所述第二步还包括，利用机身偏航角检测装置测量掘进机机身中心点的坐标；由视觉识别装置获取一号标志杆的实时位置，与第一步中所获取的基准位姿中的一号标志杆位置对比，即可得到一号标志杆的实时位置变化量，进而获取机身中点在巷道中坐标变化量。
优选的，利用安装在移动装置上的巷道边界激光发射器在待截割断面上，标记出巷道断面的边界；通过视觉识别装置测得截割头修正点在激光巷道边界坐标系下的坐标，并与中所获取的基准位姿中截割头修正点的位置进行比较，得到截割头修正点与视觉识别装置在巷道长度方向上的距离，最终得到截割头修正点的识别空间坐标。
与现有技术相比，本发明具有一下优势：
①采用视觉识别方法获得掘进机翻滚角、俯仰角、偏航角；视觉感知技术能够更好的适应矿井粉尘浓度大、强烈噪声、湿度大等复杂环境，尤其在掘进过程中机身强烈振动，一般方法难以解决由振动产生的测量不准确问题，视觉感知技术可以采用机载稳像技术解决此类问题，满足高精度截割及掘进要求。
②本发明设有的机身俯翻角检测装置，机身俯翻角检测装置包括光斑发射器、发射装置和框架，所述光斑发射器设置在发射装置顶端并与发射装置中线重合，发射装置重心在自身中线上且偏向底部，同时，配合第二旋转轴、圆环、第一旋转轴等相关的技术特征，能够确保当机身位姿发生变化时，发射装置能够靠自身重力作用而始终保持竖直，在框架内光斑发射器上方设有接收装置，能够接收并获得光斑发射器的位置差，加之框架为封闭结构，手粉尘干扰小；
此外，本发明将发射装置下部置于具有一定阻尼作用的阻尼液中，当机身位姿发生变化时，由于发射装置的重心在阻尼液中，避免发射装置随机身发生高频振动，以消除截割时高频振动对测量精度的影响，从而提高了测量精度。
③采用视觉识别方法获得掘进机截割头坐标，采用视觉识别方法获得坐标，相比与计算来说具有更高的精度。
④用两种方法获得截割头修正点坐标，即方法冗余，并计算修正系数，将其作用于截割头，以此得到不能直接由视觉识别获取坐标的截割头的精确坐标，满足巷道边界控制、截割路径控制与智能截割控制等相关控制的需要。
附图说明
图1为一种截割头精准坐标检测系统主视结构示意图；
图2为图1中机身偏航角检测装置俯视结构示意图；
图3为图2中A部放大结构示意图；
图4为图1在实施例1中的机身俯翻角检测装置结构示意图；
图5为图4中A-A剖切结构示意图；
图6为图4中投影面结构示意图；
图7为图1中移动载体结构示意图；
图8为图7中B-B剖切结构示意图；
图9为实施例2中机身俯翻角检测装置结构示意图；
图10为图9中C-C剖切结构示意图；
图11为实施例3中巷道边界激光位置示意图。
其中：
1、截割头坐标修正点；2、机身偏航角检测装置；3、机身俯翻角检测装置；4、视觉识别装置；5、移动载体；6、光斑发射器；7、第一旋转轴；8、圆环；9、第二旋转轴；10、投影面；11、第一光斑检测相机；12、框架；13、机体；14、光斑；15、中心点；16、一号标志杆；17、二号标志杆；18、巷道顶板；19、锚桩；20、吊板；21、轨道；22、主动行走轮；23、辅助固定轮；24、发射装置；25、阻尼液；26、激光巷道边界；27、截割头；28、投影板；30、第二光斑检测相机。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
如图1-8所示，一种截割头精准坐标检测系统，包括截割头坐标修正点1、机身偏航角检测装置2、机身俯翻角检测装置3，所述截割头坐标修正点1设置在截割臂上且靠近截割头处，所述机身偏航角检测装置2安装在机身上方，所述机身俯翻角检测装置3安装在机身合理位置机体13处；
如图1-3所示，机身偏航角检测装置2包括一号标志杆16和二号标志杆17，所述一号标志杆16设置在与机身回转中线重合的位置处，所述二号标志杆17与一号标志杆16平行设置且距一号标志杆16有一定距离；
如图4、图5所示，机身俯翻角检测装置3包括光斑发射器6、发射装置24和框架12，所述光斑发射器6设置在发射装置24顶端并与发射装置24中线重合，发射装置24重心在自身中线上且偏向底部，所述发射装置24安装在第二旋转轴9上并可绕轴自由旋转，第二旋转轴9安装在圆环8上，圆环8安装在第一旋转轴7上，第一旋转轴7安装在框架12的隔板上并可绕其自由旋转，如此设置，以确保当机身位姿发生变化时，发射装置24靠自身重力作用而始终保持竖直，在框架12内光斑发射器6上方设有接收装置，以接收并获得光斑发射器6的位置差；
在巷道上方顶板处设有移动载体5，在移动载体5上安装有视觉识别装置4；
如图7、图8所示，移动载体5包括锚桩19和吊板20；吊板20焊接在锚桩19上，吊板20下方固定设有轨道21，在轨道21上设有用于驱动移动载体5行走的主动行走轮22，主动行走轮22设置为轮毂电机驱动，同时，在轨道21下方设有用于保证视觉识别装置4平稳推进的辅助固定轮23，如此设置，在掘进机推进时，移动载体5能够跟随掘进机推进，有利于实现掘进机的智能截割。
如图4所示，框架12被隔板分为上腔和下腔，所述接收装置包括设置在框架12的顶板与隔板之间设有投影板28，在框架12的顶板内表面设有第二光斑检测相机30，在框架12的下腔中设有阻尼液25，并将发射装置24下部置于阻尼液25中，阻尼液25的阻尼应当控制在一定程度范围内，避免发射装置24高频震荡，但不能阻碍其靠重力矫正自身状态而始终保持竖直状态的能力；如此，当机身位姿发生变化时，由于发射装置24的重心在阻尼液25中，避免发射装置24随机身发生高频振动，以消除截割时高频振动对测量精度的影响，从而提高了测量精度。
同时，本发明还公开了一种截割头精准坐标检测方法，其包括：
第一步：组装任意的一种截割头精准坐标检测系统，并获取掘进机的基准位姿。
S1：按照一种截割头精准坐标检测系统公开技术特征装配好各个零部件并做定位检查。
S2：用视觉识别装置4获取静态掘进机在巷道中待截割的图片，将所述图片中的信息提取并储存，在后续的位姿识别中以所述图片中的信息作为基准位姿。
第二步：测量掘进机位姿及截割臂摆角。
S1：通过机身俯翻角检测装置3检测掘进机位姿中的机身俯仰角与翻滚角：
如图4-6所示，利用第二光斑检测相机30获取光斑发射器6在投影板28上的光斑14图像，并计算得出光斑14与投影板28上的水平轴和竖直轴间的距离，据此计算机身俯仰角与翻滚角。
当掘进机机身与水平面平行时，光斑14落在投影板28的中心点15上；当掘进机只发生俯仰时，如图6所示，光斑14只在水平轴上移动；当掘进机只发生翻滚时，如图6所示，光斑14只在竖直轴上移动；当掘进机同时存在俯仰和翻滚时，如图6所示，光斑14与投影板28的中心点15产生距离。
S2：通过机身偏航角检测装置2检测机身偏航角和掘进机机身中点坐标：
通过视觉识别装置4获取一号标志杆16与二号标志杆17的位置关系图像，并与第一步中所获取的基准位姿中一号标志杆16与二号标志杆17的位置对比，可得到机身偏航角。机身偏航角为零时，视觉识别装置4测得到一号标志杆16与二号标志杆17在沿巷道方向重合；当机身偏航角不为零时，一号标志杆16与二号标志杆17不重合，以第一部分S2获取的静态图像为基准，根据一号标志杆16与二号标志杆17的相对位置关系，从获取的图像中可得出其相对转动方向与相对转动大小，即可得到机身偏航角。
同时，利用机身偏航角检测装置4测掘进机机身中心点的坐标。由视觉识别装置4获取一号标志杆16的实时位置，与第一步中所获取的基准位姿中的一号标志杆16位置对比，即可得到一号标志杆16的实时位置变化量，进而获取机身中点在巷道中位置，同时，由于一号标志杆16设置在与机身回转中线重合的位置处，因此，一号标志杆16的实时位置变化量即可代替掘进机机身中点坐标变化量。
S3：在截割臂升降油缸和旋转油缸内分别安装位移传感器，通过计算即可得到截割臂相对于机身的水平摆角与竖直摆角。
第三步：采用矩阵变化法获得截割头修正点1的计算空间坐标。
通过第二步测得的掘进机位姿及截割臂水平摆角与竖直摆角，使用空间矩阵变换方法得到截割头修正点1的计算空间坐标。
第四步：采用图像识别法获得截割头修正点1的识别空间坐标。
使用视觉识别装置4实时获取截割头修正点1图像，并与第一步中所获取的基准位姿中截割头修正点1的位置进行比较，得到截割头修正点1的识别空间坐标。
第五步：计算修正系数，获取精准截割头坐标。
将以上两种方法获得的截割头修正点1的计算空间坐标和识别空间坐标进行分析矫正，获得以计算空间坐标为基础的截割头修正点1的修正系数，将所述修正系数作用于第三步所述方法得到的截割头计算空间坐标，获取更佳精确的截割头空间坐标，以满足智能截割或自动截割等相关需求。
由于截割头在截割过程中嵌入煤壁中进行截割，直接识别截割头难度较大，特引入截割头修正点1，同时，截割头修正点1与截割头距离很近，截割头修正点的修正系数与截割头修正系数之间的误差可忽略不计，因此，本实施例采用截割头修正点1的修正系数代替截割头的修正系数。
实施例2
如图1-3、6-10所示，本实施例与实施例1相比，其区别在于，一种截割头精准坐标检测系统，所述接收装置包括在框架12的顶板处位于发射装置24上方设有的投影面10，投影面10上方的框架12底板上设有第一光斑检测相机11，所述第一光斑检测相机11可左右设置两个，如图9、图10所示，本实施例中只设置一个。
实施例3
本实施例与实施例1或2相比，其区别在于，一种截割头精准坐标检测方法，在移动装置5上安装有巷道边界激光发射器，巷道边界激光发射器在待截割断面上，标记出巷道断面的边界，如图11所示。通过视觉识别装置4测得截割头修正点1在激光巷道边界坐标系下的坐标，并与中所获取的基准位姿中截割头修正点1的位置进行比较，得到截割头修正点1与视觉识别装置4在巷道长度方向上的距离，最终得到截割头修正点1的识别空间坐标。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
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