[发明专利]一种采煤机摇臂惯性/视觉组合定姿装置和方法

说明书

一种采煤机摇臂惯性/视觉组合定姿装置和方法，包括目标特征点单元，所述的目标特征点单元安装在采煤机摇臂上，惯性测量单元和单目视觉测量单元刚性连接且安装在采煤机上，信息处理单元安装在采煤机电气控制箱内；单目视觉测量单元用于测量摇臂相对于采煤机的相对姿态，惯性测量单元用于测量采煤机相对于当地水平坐标系的绝对姿态。通过同时解算摇臂相对于采煤机姿态和摇臂相对于当地水平地理坐标系的姿态，用于解决采煤机摇臂高精度定姿问题。具有系统结构简单、相机标定和校准容易、适应摇臂强振动环境、姿态信息完备、精度高的优点，特别适用于综采工作面近距离高精度位姿测量。

技术领域

本发明涉及采煤机摇臂定姿技术领域，特别涉及一种采煤机摇臂惯性/视觉组合定姿装置和方法。

背景技术

自动化采煤过程中，采煤机是综采工作面落煤和装煤的主要设备，是一种高集成度综采设备。采煤机摇臂是采煤机的重要组成部分，采煤机摇臂姿态是采煤机自动化、远程控制和在线监测的关键参数，通过测量摇臂姿态，可以实现采煤机截煤轨迹自动测量和自动控制。采煤机摇臂定姿是采煤机自动控制的基础，是采煤机自动控制和综采工作面自动化的关键技术之一。

定姿技术是通过一个或多个传感器得到被测目标姿态信息，通过直接观测或者由间接观测经解算算法获取被测目标的姿态角度。煤矿工作面工况复杂，同时空间封闭，因此采煤机摇臂定姿问题是一个典型的复杂环境下室内定姿问题。

目前采煤机摇臂定姿方法主要包括角度位移传感器法、线位移传感器法、倾角测量法和视觉测量方法等。

角度位移传感器方法、线位移测量方法和倾角测量法这类方法需要将传感器安装在摇臂上，由于摇臂在采煤过程中振动剧烈，主要缺陷是剧烈振动易导致设备磨损严重、传感器故障发生率高，设备工作可靠性下降。

视觉测量方法只能用于相对姿态测量，单独使用时姿态信息不完备，难以获得自动控制所需的绝对姿态，因此无法满足采煤机的全自动控制需要。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种采煤机摇臂惯性/视觉组合定姿装置和方法，以单目视觉测量和惯性测量组合，实现采煤机摇臂的高精度绝对定姿和相对定姿。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种采煤机摇臂惯性/视觉组合定姿装置，包括目标特征点单元1、惯性测量单元3、单目视觉测量单元2和信息处理单元4；

所述的目标特征点单元1安装在采煤机摇臂上，惯性测量单元3和单目视觉测量单元2刚性连接且安装在采煤机上，信息处理单元4安装在采煤机电气控制箱内；

单目视觉测量单元2用于测量摇臂相对于采煤机的相对姿态，惯性测量单元3用于测量采煤机相对于当地水平坐标系的绝对姿态。

一种采煤机摇臂惯性/视觉组合定姿方法，包括以下步骤；

1)以目标特征点单元1安装在摇臂上，由4个光学特征点组成，4个特征点共面分布，且呈正方形；

2)单目视觉测量单元2利用单个相机拍摄目标特征点单元的图像，利用图像上多个特征点之间的相对位置约束关系，求解特征坐标系与单目视觉测量单元体坐标系之间的姿态关系，并将求解出的姿态传送给信息处理单元4；

3)惯性测量单元3是一种测量物体三轴角速率和三轴加速度的装置。一般的，惯性测量单元3包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计测量物体在惯性测量单元体坐标系三个轴向上的加速度信号，陀螺测量惯性测量单元3体坐标系相对于当地水平地理坐标系的角速度信号，并将角速度和加速度信号传送给信息处理单元4；

4)信息处理单元4接收载体三轴角速度和三轴加速度信号，利用捷联惯导算法，解算惯性测量单元相对于当地水平地理坐标系的姿态；