悬臂式掘进机视觉导航与定向掘进控制技术

• 作者: 张旭辉 赵建勋 杨文娟 张超
• 来源期刊: 煤炭学报
• 关键词: 视觉导航 定向掘进控制 悬臂式掘进机 激光点-线特征 轨迹跟踪
• 年，卷（期）: 2021,（7）
• 所属期刊栏目: “煤矿快速智能掘进理论与技术”专题
• 页码范围: 2186-2196
• 页数: 11页
• 分类号: TD421.5
• 语种: 中文
• DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.ZN20.0357

摘要

煤矿巷道掘进装备位姿测量是国内外目前研究的热点,不同的巷道快速掘进系统均面临定向导航难题.为解决煤矿井下悬臂式掘进机自动定向掘进控制难题,提出一种基于视觉导航的悬臂式掘进机自动定向掘进控制方法,利用单目视觉测量技术,以巷道中激光指向仪的激光点和激光束为特征构建基于门形结构的掘进机机身位姿视觉测量模型,通过空间矩阵变换解算巷道中机身位姿.根据悬臂式掘进机运动特点确定掘进机纠偏控制策略,基于悬臂式掘进机运动学建立掘进机定向掘进运动控制模型,采用backstepping方法,选取合适的Lyapunov函数设计掘进机轨迹跟踪控制器,有效解决掘进机轨迹跟踪控制问题.实验结果表明:悬臂式掘进机机身位姿视觉测量方法可有效实现井下工作环境中悬臂式掘进机机身的位姿测量,得到掘进机机身位置测量误差在±40 mm以内,姿态角角度测量误差在±0.3°以内;轨迹跟踪控制器可实现悬臂式掘进机的自动定向掘进功能,其运动控制精度在±20 mm以内,满足巷道施工的精度要求.该方法中工业相机固定安装于掘进装备机身,且利用激光指向仪点-线特征构建门型三线模型作为位姿测量基准,与相关研究对比,具有不易脱靶、标靶移动少等优点.