基于视觉校准的煤矿钻锚机器人钻孔精确定位方法

• 摘要：

  本发明公开了一种基于视觉校准的煤矿钻锚机器人钻孔精确定位方法,采用分布式雷达测距传感器采集钻锚机器人前、后、内测及外侧距离信息,通过程序设计以保证钻锚机器人沿巷道中心线行进,不发生偏置;采用光电编码器和角位移传感器构成钻锚平台上钻机平移距离和旋转角度的半闭环控制系统;采用倾角传感器采集钻锚机器人所处地面倾角信息,实现钻机平台位姿调成,以补偿地面倾角所带来的误差;采用基于视觉的方式实现钻机末端智能对准锚网孔完成精确打钻目标,实现钻机的精确定位.本发明的精确定位方法简单、完整,不仅解决了人工钻孔作业费时费力、危险系数高等问题,而且提高了钻孔及锚杆作业的精确性、实时性,具有广泛的应用前景.

• 专利类型：

  发明专利

• 申请/专利号：

  CN202010690596.8

• 申请日期：

  2020.07.16

• 公开/公告号：

  CN112068543A

• 公开/公告日：

  2020-12-11

• 发明人：

  马宏伟 贾泽林 薛旭升 王川伟 夏晶 王鹏 姚阳 赵昊 梁林 高佳晨

• 申请人：

  西安科技大学

• 主分类号：

  G05D1/02(2020.01),G,G05,G05D,G05D1

• 分类号：

  G05D1/02(2020.01),G,G05,G05D,G05D1,G05D1/02

• 主权项：

  1.基于视觉校准的煤矿钻锚机器人钻孔精确定位方法,其特征在于:包括如下步骤: 根据目前钻锚机器人本体结构及运动方式,通过机器人学理论计算钻锚机器人各部件的运动参数,精确计算钻锚机器人与目标钻孔点之间的坐标转换关系,得到期望值; 利用光电编码器采集钻锚机器人驱动模块位移信息实现驱动模块的精确行走定位,使机器人到达预期的位置; 通过在钻锚机器人上搭载的雷达测距传感器、角位移传感器、光电编码器、倾角传感器提供正确的机器人位姿信息;通过视觉模块搭配机载激光采集钻机末端图像信息及距离信息,得到实际值,与期望值对比,及时调整钻机位置,顺利完成钻锚作业. 2.如权利要求1所述的基于视觉校准的煤矿钻锚机器人钻孔精确定位方法,其特征在于:具体包括如下步骤: S1、精确计算钻锚机器人与目标钻孔点之间的坐标转换关系,得到期望值; 按照工作类型的不同将龙门履带式钻锚机器人的钻机分为顶板钻机和侧帮钻机;在巷道已经成型的基础上建立初始坐标系(X0 Y0 Z0),根据预期钻点位置得出目标点所在初始坐标系的坐标值(Xn Yn Zn),以此作为钻机平台末端所要达到的目标点,根据钻机平台运动情况及结构特性进行逆运动学分析,计算出钻机平台上导轨的平移目标点坐标值(Xi YiZi),以及旋转目标坐标值(XjYj Zj),完成空间各部件之间的相对坐标转换,得到期望值; S2、驱动钻锚机器人到达预期的位置; 根据计算所得的期望值,通过控制器下发给驱动模块,使煤矿巷道钻锚机器人达到预期的位移目标,驱动模块由上位机、主控制器、电机、光电编码器组成;并通过检测模块完成钻锚机器人与巷道距离信息的采集,防止机器人在移动过程中出现走偏情况,通过设定安全距离的方式,判断所采集到的距离信息是否小于所设定的安全距离,若小于,则及时调整机器人行走位姿; S3、煤矿巷道钻锚机器人钻机平台精确定位: 煤矿巷道钻锚机器人到达预期的位置后,钻锚机器人侧帮护盾式结构向外推出,使其与巷道煤壁顶死,以至于钻锚机器人驱动模块暂时无法移动,由光电编码器完成平移副的半闭环移动控制,使得钻锚机器人所有的平移副和旋转副都已到达目标位置;由角位移传感器采集旋转副的角度信息,并且判断是否运动到目标参数值,形成半闭环控制系统; S4、钻锚机器人存在倾角情况下钻机末端与锚网孔精确对准: 为了避免钻锚机器人正好处于上、下坡等存在倾角的情况,采用倾角传感器读取机器人倾角信息,此时钻锚机器人底盘已经固定,则通过再次求解逆运动学,利用钻机平台的运动副来补偿倾角误差; S5、钻机末端与锚网孔精确对准: 在完成以上步骤的情况下,机载激光所发射的光线将精确对准锚网孔中心并提取光源到光斑的距离信息,利用钻机末端位置配置的视觉传感器采集含有激光光斑的锚网孔图像信息,通过对图像信息进行光斑中心点检测的处理,得到图像中光斑中心点坐标信息作为目标点,再次求解逆运动学,实现钻机与锚网孔中心精确对准. 3.如权利要求1所述的基于视觉校准的煤矿钻锚机器人钻孔精确定位方法,其特征在于:所述钻锚机器人为两履带式龙门履带钻锚机器人,可横跨于掘进机所在工作面,钻机分为顶帮钻机和侧帮钻机,每个钻机都是独立的控制器,可实现精确的力控制,且每个钻机工作互不干涉. 4.如权利要求1所述的基于视觉校准的煤矿钻锚机器人钻孔精确定位方法,其特征在于:所述钻锚机器人各部件的运动参数的计算包括履带行走机构运动参数计算、顶板钻机和侧帮钻机的平移距离和旋转角度的计算、钻机末端与目标锚网孔中心点之间距离计算以及打钻深度的计算. 5.如权利要求1所述的基于视觉校准的煤矿钻锚机器人钻孔精确定位方法,其特征在于:所述雷达测距传感器包括前侧雷达测距传感器、后侧雷达测距传感器、左侧雷达测距传感器、右侧雷达测距传感器、内部雷达测距传感器,前、后两侧传感器检测钻锚机器人与掘进工作面其它设备之间的距离,左、右两侧传感器检测钻锚机器人与两侧巷壁的距离,内部传感器检测钻锚机器人与内部设备的距离. 6.如权利要求1所述的基于视觉校准的煤矿钻锚机器人钻孔精确定位方法,其特征在于:所述光电编码器包括左侧履带光电编码器和右侧履带光电编码器,分别检测两侧行走机构的位移信息,将所检测到的误差发送主控制器,实现行走机构的半闭环控制系统;顶板钻机第一编码器、顶板钻机第二编码器、顶板钻机角位移传感器实现顶板钻机位移及角位移的检测;侧帮钻机第一编码器、侧帮钻机第二编码器、侧帮钻机角位移传感器实现侧帮钻机位移及角位移的检测,所有传感器的输出接口均与控制器的输入接口相连. 7.如权利要求1所述的基于视觉校准的煤矿钻锚机器人钻孔精确定位方法,其特征在于:所述视觉传感器用于图像采集,配合机载激光提取距离信息,为钻机精确对准锚网中心孔点做基础;距离信息为坐标转换解算运动参数做基础,同时采用图像处理算法和坐标转换算法实现图像处理过程中精确提取网孔中心点坐标信息的目的.