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2021年第11期
2021-11-22
23

基于双目视觉的悬臂式掘进机位姿测量技术研究

  • 作者:

    张超
    张旭辉
    杜昱阳
    杨文娟
    张楷鑫
  • 关键词:

    双目视觉
    悬臂式掘进机
    位姿测量
    高斯拟合法
    区域生长算法
  • 作者单位:

    西安科技大学 机械工程学院
    陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室
    陕西省煤矿机电设备智能检测与控制科技创新团队

摘要

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摘要:

煤矿井下巷道掘进过程中,高粉尘、低照度、背景复杂的工况环境导致掘进装备位姿检测困难,已经严重影响了巷道掘进的自动化、智能化进程,因此提出基于双目立体视觉的悬臂式掘进机位姿测量方法。悬臂式掘进机是当前巷道掘进主要装备,其运动特点呈现出移动缓慢、摆动大等特点,分析了当前掘进机位姿检测研究现状,构建了悬臂式掘进机双目视觉位姿测量方案与测量结构。说明了双目立体视觉基本测量原理,相比于单目视觉,双目立体世界可以比较容易地计算出特征深度信息。煤矿井下低照度、高粉尘、高水雾的复杂工况下存在着严重的特征信息缺失,红外LED光源具有稳定性和穿透性,可以较好地适应复杂的掘进工况环境,因此将红外LED光源组成图像测量标靶人为构造图像特征来解决特征选取问题。采用高斯拟合法实现光斑中心点特征的快速精确提取,并在此基础上提出了基于时域图像序列的特征点环形匹配方法并验证了其有效性,最后采用3D-3D运动估计方法实现了位姿参数求解。针对双目视觉测量距离有限的情况,设计了双标靶交替移动测量策略,实现连续不间断测量。最后搭建实验验证平台,结果表明:该测量方法在X方向即横向位移的测量误差在±30 mm,航向角的测量误差在±1°以内,满足煤矿井下巷道掘进的要求。

  • 测量距离为2 m时X方向实际位移
  • 双目视觉位置测量试验验证平台
  • 标靶B断电前移
  • 标靶A断电前移
  • 双标靶双目测量初始状态
  • 悬臂式掘进机运动轨迹推算
  • 特征点环形匹配结果
  • 特征点环形匹配策略
  • 光斑中心定位结果
  • 光斑图像的灰度分布情况
  • 左图像光斑区域分割
  • 红外LED光源成像与放大
  • 红外LED标靶在煤矿井下的应用
  • 红外LED双目图像
  • 悬臂式掘进机双目视觉位姿测量方案
  • 悬臂式掘进机双目视觉测量系统结构
  • 双目视觉测量原理
  • 双目视觉测量横滚角
  • 航向角误差值
  • 双目视觉测量航向角误差值
  • 双目视觉航向角与高精度三轴转台对比
  • 双目视觉位姿测量实验验证平台
  • 俯仰角变化情况
  • 航向角变化情况
  • 横滚角变化情况
  • Z方向的位移变化
  • Y方向的位移变化
  • X方向位移误差
张超,张旭辉,杜昱阳,等.基于双目视觉的悬臂式掘进机位姿测量技术研究[J].煤炭科学技术,2021,49(11):225-235. ZHANG Chao,ZHANG Xuhui,DU Yuyang,et al.Measuring technique of cantilever roadheader position based on binocular stereo vision[J].Coal Science and Technology,2021,49(11):225-235.

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