[发明专利]一种井下高精度导航地图构建系统及构建方法

说明书

本发明涉及一种井下高精度导航地图构建系统及构建方法，基于包括井下地理信息系统、本质安全型建模装置、以及布设于井下各巷道的各个本质安全型超宽带雷达UWB锚节点所设计的系统，进一步设计引入构建方法，整个设计能够快速构建井下高精度导航地图、以及动态更新环境模型功能，并将建模结果输入井下地理信息系统，构建可以为井下自主移动车辆，提供辅助定位与路径规划的多层次地图模型。

技术领域

本发明涉及一种井下高精度导航地图构建系统及构建方法，属于煤矿环境建模技术领域。

背景技术

自动化和智能化是井下移动设备的发展趋势，而定位导航技术是实现上述目标的关键。目前井下的定位技术主要集中于采煤机、刮板机、矿车等轨道式装备的定位以及人员定位中，通常采用编码器或惯性器件进行航迹推算、射频定位等定位方式。井下目前用于支护、凿岩、装载、铲运、钻孔、瓦斯抽采、采煤与救援等施工装备与机器人仍然主要依靠人工驾驶或遥控操作，危险性高、劳动强度大。煤矿辅助运输设备如无轨胶轮车、梭式矿车等承担着除煤炭运输外的包括人员、材料、工具、设备、矸石等其他各种生产资料的运输任务，是煤矿生产企业重点使用且不可或缺的设备。但其目前也主要依赖人工手动驾驶，在井下恶劣环境中驾驶安全性无法得到保障。煤矿对于上述移动装备的无人化、智能化具有极大的需求。

为实现上述井下移动设备的自主作业，研发面向定位导航任务的、满足井下环境应用的地图构建方法是关键技术之一。井下地理信息系统(Geographic informationsystem，GIS)是一种简单高效的数字地图，在矿山地质测量、井下供电、通讯、通风、供水等领域得到应用，提高了矿山的数字化程度。目前GIS在煤矿应用中，主要利用空间数据库建立矿区巷道的平面图，人员定位分布图、设备物资分布图。这类地图的要素主要是简单的地理信息与拓扑关系等，无法实现辅助移动设备进行厘米级的高精度定位与导航功能。

激光点云地图在地面机器人、无人驾驶领域已经得到广泛应用。利用车载高精度激光雷达及其他多类型传感器采集数据构建高精度地图，可以辅助自动驾驶车辆进行精确定位。但是这类技术通常需要价格昂贵的高精度、多类型传感器提供精确的定位信息，依赖于GPS、视觉相机等传感器融合技术，而这些传感器由于工作环境的限制无法直接在煤矿使用或效果较差。目前在环境测绘领域使用的激光扫描仪进行巷道变形测量、巷道环境建模的的方法尽管精度较高，但是价格昂贵且必须经过单点扫描后通过后期拼接完成建模，工作效率低。现有的基于激光SLAM的方式在煤矿巷道进行建模时，由于井巷存在退化、动态等复杂场景，建模精度低，无法满足自主移动设备的定位与导航需求。综上所述，目前尚不具备可以满足井下自主移动设备定位与导航的专用地图构建方法及系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够辅助井下自主移动设备，实现精确定位、辅助路径规划与导航的井下高精度导航地图构建系统。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种井下高精度导航地图构建系统，用于实现井下多层次地图模型的构建，包括井下地理信息系统、本质安全型建模装置、以及布设于井下各巷道的各个本质安全型超宽带雷达UWB锚节点；

其中，本质安全型建模装置包括激光雷达、超宽带雷达UWB模块、里程计、惯性导航模块、第一矿用本安型防爆电源、第二矿用本安型防爆电源、工控机、无线网桥、RS232信号隔离栅装置和网络信号隔离栅装置；井下地理信息系统设置于本质安全型建模装置中的工控机当中；第一矿用本安型防爆电源分别为激光雷达、超宽带雷达UWB模块、里程计、惯性导航模块、RS232信号隔离栅装置、网络信号隔离栅装置进行供电；第二矿用本安型防爆电源分别为工控机、无线网桥进行供电；里程计、惯性导航模块分别通过RS232信号隔离栅装置与所述工控机相连接；激光雷达、超宽带雷达UWB模块分别通过网络信号隔离栅装置与所述工控机相连接，无线网桥与工控机相连接；