針對(duì)煤礦巷道掘進(jìn)中掘進(jìn)機(jī)位姿監(jiān)測(cè)精度低、穩(wěn)定性差的問題，采用雙目視覺定位方法，利用紅外濾光捕捉標(biāo)靶特征，結(jié)合HSV顏色空間轉(zhuǎn)換與特征點(diǎn)匹配算法，提取三維空間坐標(biāo)；融合機(jī)器視覺與慣性導(dǎo)航技術(shù)，通過非接觸式測(cè)量實(shí)現(xiàn)高精度位姿監(jiān)測(cè)，提出一種基于機(jī)器視覺的組合式位姿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。基于機(jī)器視覺的掘進(jìn)機(jī)位姿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提升了復(fù)雜環(huán)境下掘進(jìn)機(jī)的位姿監(jiān)測(cè)精度與作業(yè)安全性，支持路徑規(guī)劃、自動(dòng)截割等智能功能。

文章來源：《智能礦山》2025年第4期“學(xué)術(shù)園地”欄目

第一作者：張凱，現(xiàn)任山西高河能源有限公司機(jī)電科科長，主要從事煤礦巷道掘進(jìn)的相關(guān)研究工作。E-mail：403469198@qq.com

作者單位：山西高河能源有限公司；山東天河科技股份有限公司

引用格式：張凱，趙婧，張坤，等.基于機(jī)器視覺的掘進(jìn)機(jī)位姿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)[J].智能礦山，2025，6(4)：71-74.

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掘進(jìn)機(jī)作為煤礦巷道掘進(jìn)的關(guān)鍵設(shè)備，國內(nèi)外主要生產(chǎn)廠家的掘進(jìn)機(jī)控制技術(shù)都在向自動(dòng)化、智能化和工作面少人化、無人化的方向發(fā)展，井下掘進(jìn)設(shè)備定位導(dǎo)向系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備間精確定位、自適應(yīng)截割和多機(jī)協(xié)同作業(yè)的關(guān)鍵，掘進(jìn)機(jī)位姿監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性直接關(guān)聯(lián)掘進(jìn)效率、巷道成型質(zhì)量和作業(yè)安全。目前，全礦井掘進(jìn)工作面綜合管控和設(shè)備位姿監(jiān)測(cè)方法精度低、穩(wěn)定性差，掘進(jìn)成套裝備智能管控系統(tǒng)面臨新一輪的技術(shù)升級(jí)。

掘進(jìn)機(jī)位姿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案

機(jī)器視覺技術(shù)的快速發(fā)展，在動(dòng)態(tài)目標(biāo)導(dǎo)航、跟蹤與控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。基于機(jī)器視覺的掘進(jìn)機(jī)組合式位姿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過非接觸式測(cè)量技術(shù)提高掘進(jìn)機(jī)的位姿監(jiān)測(cè)精度和穩(wěn)定性。

研發(fā)煤礦智能掘進(jìn)位姿監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，為綜掘智能化的發(fā)展提供新的解決方案，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)姿態(tài)和位置的快速調(diào)整，提高巷道掘進(jìn)精度，降低人工及設(shè)備維護(hù)的成本，減少生產(chǎn)過程的干擾因素，進(jìn)而提升生產(chǎn)效率，從而極大地增強(qiáng)煤礦企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)，采用機(jī)器視覺測(cè)量與慣性導(dǎo)航結(jié)合的導(dǎo)航定位方案，以安裝在掘進(jìn)機(jī)上的定位定姿測(cè)量裝置為導(dǎo)航定位核心，集成了慣導(dǎo)裝置、紅外定位光靶和定位導(dǎo)航算法等處理單元，在掘進(jìn)機(jī)后方有效距離內(nèi)頂板上懸掛安裝航向?qū)бb置，通過內(nèi)部機(jī)器視覺處理單元跟蹤監(jiān)測(cè)定位光靶，實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺單元與慣性導(dǎo)航單元融合數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)位置坐標(biāo)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)長時(shí)間高精度的導(dǎo)航、定位功能。掘進(jìn)機(jī)位姿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)位姿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案

機(jī)器視覺位姿識(shí)別方法

（1）機(jī)器視覺識(shí)別

攝像機(jī)觀測(cè)波長范圍不包括微波，紅外光介于微波和可見光之間，過濾可見光波段即可得到紅外光信息，因此采用在攝像機(jī)鏡頭前增加紅外濾光，捕捉紅外光和少量可見光噪聲。

通過工業(yè)相機(jī)取流得到mono10像素類型的圖像，將RGB圖像轉(zhuǎn)換為HSV顏色空間進(jìn)行顏色過濾。根據(jù)設(shè)定的HSV顏色范圍，創(chuàng)建掩膜將圖像中符合顏色范圍的像素置為白色，其他像素置為黑色。在掩膜圖像中尋找標(biāo)靶目標(biāo)輪廓，計(jì)算輪廓最小外接矩形，返回矩形的中心坐標(biāo)、尺寸和旋轉(zhuǎn)角度，將符合條件的目標(biāo)保留，得到了每個(gè)像素坐標(biāo)系下的標(biāo)靶燈中心的像素坐標(biāo)。通過灰度轉(zhuǎn)換、邊緣增強(qiáng)等預(yù)處理操作，提高后續(xù)特征點(diǎn)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

（2）三維定位識(shí)別

標(biāo)定2個(gè)相機(jī)確定相機(jī)的內(nèi)參和外參。內(nèi)參包括相機(jī)焦距、主點(diǎn)坐標(biāo)和畸變參數(shù)，外參包括相機(jī)旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。標(biāo)定通過拍攝特定的標(biāo)定板，利用標(biāo)定板上的已知點(diǎn)和相機(jī)圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的關(guān)系計(jì)算相機(jī)的內(nèi)參和外參。

通過2個(gè)相機(jī)同時(shí)獲取同場(chǎng)景圖像，特征提取出圖像中的特征點(diǎn)，即標(biāo)靶紅外燈的中心坐標(biāo)。將左右相機(jī)的圖像特征進(jìn)行匹配，找到2個(gè)圖像中對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)。根據(jù)特征點(diǎn)在2個(gè)圖像中的像素位置差異，計(jì)算出視差值。視差值與目標(biāo)物體在相機(jī)坐標(biāo)系中的深度成反比，即視差越大，物體離相機(jī)越近。

（3）姿態(tài)解算識(shí)別

三角測(cè)量姿態(tài)解算用于確定物體在三維空間中的姿態(tài)?；?個(gè)或多個(gè)已知點(diǎn)的位置信息，通過測(cè)量其與目標(biāo)物體的相對(duì)位置關(guān)系計(jì)算出目標(biāo)物體的姿在三角測(cè)量姿態(tài)解算中，收集三維空間中的位置信息，即標(biāo)靶紅外燈坐標(biāo)信息。

由于測(cè)量誤差和噪聲，姿態(tài)解算結(jié)果存在誤差。為提高解算結(jié)果準(zhǔn)確性，結(jié)合IMU提供的加速度、角速率數(shù)據(jù)，運(yùn)用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，校正視覺測(cè)量得到的相對(duì)位移和角度信息，優(yōu)化姿態(tài)解算的結(jié)果。通過算法迭代調(diào)整姿態(tài)解算參數(shù)，以使得計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。通過調(diào)節(jié)最小化目標(biāo)函數(shù)，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值之間的差異最小化。

機(jī)器視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)組成

掘進(jìn)機(jī)機(jī)器視覺的位姿檢測(cè)系統(tǒng)包括激光導(dǎo)引裝置和位姿測(cè)量裝置，激光導(dǎo)引裝置與位姿測(cè)量裝置采用433 MHz微波無線通信方式，進(jìn)行跟蹤、定位和導(dǎo)航數(shù)據(jù)通信；安裝在掘進(jìn)機(jī)本體上的位姿測(cè)量設(shè)備通過CAN接口或RJ45網(wǎng)口向掘進(jìn)機(jī)電控箱傳輸位姿測(cè)量結(jié)果與系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航定位系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)航定位系統(tǒng)組成

3.1 激光導(dǎo)引裝置

通過頂錨桿或懸掛方式將激光導(dǎo)引裝置固定板吊裝在巷道頂板上，將激光導(dǎo)引裝置通過底部螺釘固定在固定板上，按標(biāo)準(zhǔn)接通AC127 V電源，調(diào)整激光導(dǎo)引裝置底部的調(diào)節(jié)裝置，將指向激光穿過懸掛在巷道頂棚上的鉛垂線，保證指向激光與巷道中線方向的掘進(jìn)航向一致，激光導(dǎo)引裝置的視窗正對(duì)面向安裝在掘進(jìn)機(jī)本體上的位姿測(cè)量裝置，激光導(dǎo)引裝置安裝示意如圖3所示。

圖3 激光導(dǎo)引裝置安裝示意

3.2 位姿測(cè)量裝置

位姿測(cè)量裝置安裝固定在掘進(jìn)機(jī)本體后部，光靶面正對(duì)安裝在頂板上的激光導(dǎo)引裝置，保證視距可達(dá)且無遮擋；按標(biāo)準(zhǔn)接通AC127 V電源，位姿檢測(cè)系統(tǒng)接入智能掘進(jìn)軟件平臺(tái)，通過軟件界面修改參數(shù)或監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)機(jī)測(cè)試，位姿測(cè)量裝置安裝如圖4所示，機(jī)器視覺位姿系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表1。

圖4 位姿測(cè)量裝置安裝

表1 掘進(jìn)機(jī)機(jī)器視覺的位姿系統(tǒng)參數(shù)

3.3 機(jī)器視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）基于機(jī)器視覺的位姿檢測(cè)系統(tǒng)依托高精度慣性導(dǎo)航、機(jī)器視覺組合導(dǎo)航技術(shù)和粉塵自適應(yīng)處理技術(shù)，解決了懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作過程中高濕高塵環(huán)境影響，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定導(dǎo)航定位監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸。

（2）位姿檢測(cè)系統(tǒng)以較高頻率提供掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)軸、截割頭等關(guān)鍵控制位置的實(shí)時(shí)坐標(biāo)和姿態(tài)信息，配合掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、V形移機(jī)、自動(dòng)導(dǎo)航與自動(dòng)截割等智能操作功能。

（3）適應(yīng)掘進(jìn)機(jī)大航向姿態(tài)的位置測(cè)量，滿足移機(jī)過程中的大角度擺動(dòng)工況。

試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于機(jī)器視覺的掘進(jìn)機(jī)組合式位姿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性和可靠性，在山西潞安高河能源有限公司進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。測(cè)試過程中在掘進(jìn)作業(yè)場(chǎng)景采集了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值的差異，驗(yàn)證系統(tǒng)定位精度和穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)提高了掘進(jìn)機(jī)在復(fù)雜煤礦巷道中的位姿監(jiān)測(cè)精度和作業(yè)安全性，基于機(jī)器視覺的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)施工場(chǎng)景如圖5所示。

圖5 基于機(jī)器視覺的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)施工場(chǎng)景

結(jié) 語

基于機(jī)器視覺的掘進(jìn)機(jī)組合式位姿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成了視覺測(cè)量與慣性導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)，提高了位姿檢測(cè)的精度和魯棒性，降低了對(duì)硬件配置的要求，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試過程，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中的高精度、高穩(wěn)定性位姿監(jiān)測(cè)。

未來將繼續(xù)優(yōu)化算法設(shè)計(jì)，探索更高效的特征點(diǎn)識(shí)別算法，優(yōu)化數(shù)據(jù)融合策略，進(jìn)一步降低監(jiān)測(cè)時(shí)延，提高數(shù)據(jù)融合效率和定位精度，更好地服務(wù)于智能礦山建設(shè)，促進(jìn)礦業(yè)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)，同時(shí)研究新型傳感器在掘進(jìn)機(jī)位姿監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，推動(dòng)煤礦自主化掘進(jìn)的新發(fā)展。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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