论文中文题名: | 视觉里程计与惯导融合的掘进机 定位方法研究 |
姓名: | |
学号: | 20205224122 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085500 |
学科名称: | 工学 - 机械 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2023 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 智能检测与控制 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2023-06-15 |
论文答辩日期: | 2023-06-03 |
论文外文题名: | Research on Positioning Method of Roadheader Based on Fusion of Visual Odometer and Inertial Navigation |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Machine positioning ; Visual odometry ; Roadway spatial structure ; Data fusion |
论文中文摘要: |
目前掘进工作面中悬臂式掘进机断面截割配合人工钻锚作业方式仍然占一定的比例,悬臂式掘进机适应性高,适合煤岩硬度高的巷道施工,但掘进效率低且危险系数高,存在很大的安全隐患,因此提升其机身定位、导向导航和巷道成形截割的智能化水平迫在眉睫。课题组前期研发了基于激光合作标靶的悬臂式掘进机视觉定位方法,现场应用中效果突出,但是该方法中的合作标靶要随着推进距离不断前向移动,且每次需要通过标定来获得标靶在巷道坐标系下的位姿数据,增大了现场使用的难度。因此,本文提出一种视觉里程计与惯导融合的掘进机定位方法,通过无合作标靶的视觉里程计测量掘进机位姿,同时借助巷道空间结构对掘进机的空间数据进行约束,实现掘进机机身定位数据优化,并结合联邦滤波器方法实现掘进机位姿的稳定测量,有效提升巷道智能掘进的智能化水平。 目前掘进机视觉定位方法采用特制标靶作为特征,存在频繁移动标靶和视觉标定方面的难题,论文提出基于视觉里程计的掘进机机身无标靶位姿测量方法。通过建立相机投影和畸变模型求解相机内参,借助改进的ORB特征检测方法提取环境特征并进行特征点的描述,采用快速最近邻方法完成特征匹配并利用随机采样一致性算法进行误匹配点对的剔除。建立图优化模型,利用特征点对相机位姿进行非线性优化,达到位姿局部数据优化的目的,从而实现对掘进装备位姿的求解。 针对视觉里程计长时间运行存在的累计误差问题,提出了基于巷道空间结构约束的掘进机位姿测量优化方法。首先分析掘进巷道的空间环境并总结其环境特征,结合井巷工程布置和工作流程,利用煤矿工作面巷道空间结构和现场布置的反光管建立基于标签的词袋模型,然后设置约束关键帧阈值降低误匹配率,采用基于汉明距离的K均值层次聚类算法加快匹配速度,最终实现对定位数据的矫正。 针对煤矿视觉定位时存在视觉特征丢失、相机遮挡等情形,且定位数据稳定性受影响的问题,提出了一种基于视觉里程计和惯导融合的掘进机定位方法。首先建立视觉惯导联邦滤波器结构,利用子滤波器的滤波值和估计误差状态矢量进行逐层融合;然后建立惯导坐标系,基于零速修正方法纠正惯导数据;最后设计视觉惯导模式切换过程,提高了算法框架的扩展能力与容错性能。 最后,搭建实验平台验证上述理论方法,并对系统测量性能进行评价。通过对视觉里程计与惯导融合的定位方法的功能和定位性能进行实验验证,结果表明,基于视觉里程计与惯导融合的掘进机定位方法,在保证无合作标靶视觉定位的同时可实现较好的定位精度。 |
论文外文摘要: |
Currently, the cantilevered shearer combined with manual drilling and anchoring operations still accounts for a certain proportion in the excavation of working faces. Cantilevered shearer has high adaptability and is suitable for tunnel construction in high coal and rock hardness conditions. However, it has low excavation efficiency and high risk factors, posing significant safety hazards. Therefore, it is imperative to enhance the intelligence level of its body positioning, guidance and navigation, as well as tunnel shaping and cutting. The research team has developed a visual positioning method for cantilevered shearer based on cooperative laser target. This method has shown outstanding results in field applications. However, the cooperative target used in this method needs to be continuously moved forward with the advancing distance, and each time the pose data of the target in the tunnel coordinate system needs to be obtained through calibration, which increases the difficulty of on-site use. Therefore, this thesis proposes a positioning method for the shearer based on the fusion of visual odometry and inertial navigation. It utilizes visual odometry without cooperative targets to measure the pose of the shearer, while leveraging the spatial structure of the tunnel to constrain the spatial data of the shearer. This optimization of the shearer's body positioning data is achieved. Furthermore, the proposed method combines the federated filter approach to achieve stable measurement of the shearer's pose, effectively improving the level of intelligent tunnel excavation. At present, the visual positioning method of roadheader is characterized by special target, which has the problems of frequent moving target and visual calibration. This thesis proposes a targetless positioning method of roadheader based on visual odometer. The camera internal parameters are solved by establishing the camera projection and distortion model. The improved ORB feature detection method is used to extract environmental features and describe feature points. The fast nearest neighbor method is used to complete feature matching and the random sampling consistency algorithm is used to eliminate mismatched point pairs. A graph optimization model is established, and the camera pose is nonlinearly optimized by using feature points to achieve the purpose of local data optimization of pose, so as to solve the pose of tunneling equipment. Aiming at the cumulative error problem of long-term operation of visual odometer, a positioning optimization method of roadheader based on spatial structure constraint of roadway is proposed. Firstly, the spatial environment of the excavation roadway is analyzed and its environmental characteristics are summarized. Combined with the engineering layout and workflow of the roadway, the label-based bag-of-words model is established by using the spatial structure of the roadway in the coal mine working face and the reflective tube arranged on site. Then, the threshold of the constraint key frame is set to reduce the mismatch rate. The K-means hierarchical clustering algorithm based on Hamming distance is used to speed up the matching speed, and finally the correction of the positioning data is realized. Aiming at the problems of visual feature loss, camera occlusion and other situations in coal mine visual positioning, and the stability of positioning data is affected, a positioning method of roadheader based on visual odometer and inertial navigation fusion is proposed. Firstly, the visual inertial navigation federated filter structure is established, and the filter value of the sub-filter and the estimated error state vector are used for layer-by-layer fusion. Then the inertial navigation coordinate system is established, and the inertial navigation data is corrected based on the zero velocity correction method. Finally, the switching process of visual inertial navigation mode is designed to improve the expansion ability and fault tolerance of the algorithm framework. Finally, an experimental platform is built to verify the above theoretical method and evaluate the measurement performance of the system. Through the experimental verification of the function and positioning performance of the positioning method based on the fusion of visual odometer and inertial navigation, the results show that the positioning method of roadheader based on the fusion of visual odometer and inertial navigation can achieve better positioning accuracy while ensuring the visual positioning of non-cooperative target. |
参考文献: |
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中图分类号: | TD421 |
开放日期: | 2023-06-15 |