悬臂式掘进机位姿检测方法研究现状.pdf

第4 6 卷第8 期 2 0 2 0 年8 月 工矿 自动化 I n d u s t r ya n dM i n eA u t o m a t i o n V 0 1 ．4 6N O ．8 A u g ．2 0 2 0 文章编号1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 2 0 0 8 0 0 1 5 0 6D O I 1 0 ．1 3 2 7 2 ／j ．i s s n ．1 6 7 12 5 1 X ．2 0 2 0 0 3 0 0 7 2 悬臂式掘进机位姿检测方法研究现状 马源1 ，符世琛2 ，张子悦2 ，王东杰2 1 ．长安大学汽车学院，陕西西安7 1 0 0 1 8 ； 2 ．中国矿业大学 北京 机电与信息工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要从悬臂式掘进机位姿检测原理出发，介绍了分别基于扇面激光、室内G P S i G P S 、全站仪、机器视 觉、超宽带 U W B 和惯导的掘进机位姿检测方法。基于扇面激光的掘进机位姿检测方法具有计算简单、掘 进机机身航向角及x 轴 垂直两帮煤壁方向 坐标测量精度高的优点，但无法检测掘进机机身y 轴 掘进方 向 、Z 轴 垂直地面方向 坐标；基于i G P S 的掘进机位姿检测方法能实现全参数位姿测量，检测精度高，但 有效测量距离小；基于全站仪的掘进机位姿检测方法能实现全参数位姿测量，但标定、移站复杂；基于机器视 觉的掘进机位姿检测方法具有掘进机截割头位置及掘进机机身姿态测量精度高、X 轴和Z 轴坐标测量精度 高的优点，但无法检测掘进机机身y 轴坐标；基于U W B 的掘进机位姿检测方法具有自主移站便利、y 轴坐 标测量精度高的优点，但Z 轴坐标误差较大；基于惯导的掘进机位姿检测方法具有姿态角测量精度较高、测 量过程独立非接触的优点，但三轴坐标测量存在累计误差。为满足有效测量距离大于1 0 0m 、三轴定位误差 小于1 0c m 、姿态角误差小于1 。的实际应用要求，需要进一步研究机器视觉、U W B 、惯导相结合的掘进机位 姿组合检测方法，以实现掘进机全自主、全参数、非接触位姿检测。 关键词悬臂式掘进机；位姿检测；扇面激光；i G P S ；全站仪；机器视觉；超宽带；惯导 中图分类号T D 4 2 1文献标志码A R e s e a r c hs t a t u so fp o s ed e t e c t i o nm e t h o d so fb o o m t y p er o a d h e a d e r M AY u a n l ，F US h i c h e n 2 ，Z H A N G Z i y u e 2 ， W A N GD o n g j i e 2 1 ．S c h o o lo fA u t o m o b i l e ，C h a n g a nU n i v e r s i t y ，X i a n7 1 0 0 1 8 ，C h i n a ；2 ．S c h o o lo fM e c h a n i c a l E l e c t r o n i ca n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n gt op r i n c i p l eo fp o s ed e t e c t i o no fb o o m t y p er o a d h e a d e r ，p o s ed e t e c t i o nm e t h o d so f r o a d h e a d e rr e s p e c t i v e l yb a s e do ns e c t o rl a s e r ，i n d o o rG P S i G P S ，t o t a ls t a t i o n ，m a c h i n ev i s i o n ，u l t r a w i d eb a n d U W B a n di n e r t i a ln a v i g a t i o nw e r ei n t r o d u c e d ．T h ep o s ed e t e c t i o nm e t h o do fr o a d h e a d e rb a s e d o ns e c t o rl a s e rh a sa d v a n t a g e so fc o n c i s ec a l c u l a t i o n ，h i g ha c c u r a c yo fh e a d i n ga n g l ea n dX a x i s v e r t i c a l d i r e c t i o no ft w os i d e so fc o a lw a l l c o o r d i n a t em e a s u r e m e n t ，b u ti tc a n n o td e t e c tY a x i s h e a d i n gd i r e c t i o n c o o r d i n a t ea n dZa x i s v e r t i c a ld i r e c t i o no fg r o u n d c o o r d i n a t eo fr o a d h e a d e rf u s e l a g e ．T h ep o s ed e t e c t i o n m e t h o do fr o a d h e a d e rb a s e do ni G P Sc a nr e a l i z ef u l lp a r a m e t e rp o s em e a s u r e m e n tw i t hh i g hd e t e c t i o n a c c u r a c y ，b u te f f e c t i v em e a s u r e m e n td i s t a n c ei ss m a l l ．T h ep o s ed e t e c t i o nm e t h o do fr o a d h e a d e rb a s e do n t o t a ls t a t i o nc a na l s or e a l i z ef u l l p a r a m e t e r p o s em e a s u r e m e n t ，b u tc a l i b r a t i o na n ds t a t i o n s h i f ta r e c o m p l i c a t e d ．T h ep o s ed e t e c t i o nm e t h o do fr o a d h e a d e rb a s e do nm a c h i n ev i s i o nh a sa d v a n t a g e so fh i g h 收稿日期2 0 2 0 0 3 2 5 ；修回日期2 0 2 0 0 8 1 3 ；责任编辑盛男。 基金项目中国博士后科学基金项目 2 0 1 9 M 6 6 0 8 6 0 ；国家自然科学基金重点支持项目 U 1 6 1 0 2 0 0 0 3 ；国家自然科学基金面上项目 5 1 8 7 4 3 0 8 。 作者简介马源 1 9 9 9 一 ，男，河北邢台人，在读本科生，主要研究方向为汽车无人驾驶及定位技术，E m a i l m y m a y u a n l 9 9 9 1 6 3 ．c o m 。通信作 者符世琛 1 9 9 1 一 ，男，河北邢台人，博士，主要研究方向为矿井机器人及超宽带定位技术，E m a i l f u s h i c h e n 0 5 2 6 1 6 3 ．c o r n 。 引用格式马源，符世琛，张子悦，等．悬臂式掘进机位姿检测方法研究现状E J ] ．工矿自动化，2 0 2 0 ，4 6 8 1 5 2 0 ． M AY u a n ，F uS h i c h e n ，Z H A N GZ i y u e ，e ta 1 ．R e s e a r c hs t a t u so fp o s ed e t e c t i o nm e t h o d so fb o o m t y p er o a d h e a d e r [ J ] ．I n d u s t r ya n d M i n eA u t o m a t i o n ，2 0 2 0 ．4 6 8 1 5 2 0 ． 万方数据 1 6 工矿自动化第4 6 卷 m e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fc u t t i n gh e a dp o s i t i o n ，f u s e l a g ep o s t u r eo fr o a d h e a d e ra sw e l la sXa x i sa n dZ - a x i s c o o r d i n a t e ，b u ti tc a n n o td e t e c eY - a x i sc o o r d i n a t eo fr o a d h e a d e r ．T h ep o s ed e t e c t i o nm e t h o do fr o a d h e a d e r b a s e do nU W Bh a sa d v a n t a g e so fc o n v e n i e n ta u t o m a t i cs t a t i o ns h i f ta n dh i g ha c c u r a c yo fYa x i sc o o r d i n a t e m e a s u r e m e n t ，b u tZ a x i sc o o r d i n a t ee r r o ri sl a r g e ．T h ep o s ed e t e c t i o nm e t h o do fr o a d h e a d e rb a s e do n i n e r t i a ln a v i g a t i o nh a sa d v a n t a g e so fh i g hm e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fp o s t u r ea n g l ea n di n d e p e n d e n tn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n tp r o c e s s ，b u tt h e r ei sc u m u l a t i v ee r r o ri nt h r e e a x i sc o o r d i n a t em e a s u r e m e n t ．I no r d e r t om e e tp r a c t i c a la p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t st h a te f f e c t i v em e a s u r e m e n td i s t a n c ei sg r e a t e rt h a n10 0m ，t h r e e a x i sp o s i t i o n i n ge r r o ri sl e s st h a n10e ma n dp o s t u r ea n g l ee r r o ri sl e s st h a n1 。，i ti sn e c e s s a r yt of u r t h e r r e s e a r c hc o m b i n e dr o a d h e a d e rp o s ed e t e c t i o nm e t h o do fm a c h i n ev i s i o n ，U W Ba n di n e r t i a ln a v i g a t i o n ，S Oa s t or e a l i z ea u t o m a t i c ，f u l l p a r a m e t e ra n dn o n c o n t a c tp o s ed e t e c t i o no fr o a d h e a d e r ． K e yw o r d s b o o mt y p er o a d h e a d e r ；p o s ed e t e c t i o n ；s e c t o r1 a s e r ；i G P S ；t o t a ls t a t i o n ；m a c h i n ev i s i o n ； u l t r aw i d eb a n d i n e r t i a ln a v i g a t i o n 0 引言 井下综掘工作面是煤矿灾害事故的高发区，实 现综掘工作面无人化迫在眉睫。悬臂式掘进机 以 下简称掘进机 是综掘工作面的核心设备，掘进机的 实时自主导航对实现综掘工作面无人化至关重 要[ 1 。3 ] 。掘进机导航的核心是掘进机位姿检测。在 空间狭小、装备繁杂的巷道内，掘进机位姿检测受干 涉影响大、定位参照差、标定工序复杂等制约；当掘 进机掘进距离超过系统有效测量距离时，仍需要人 工进行标定；位姿检测参数不完全，位姿检测精度 低。为解决这些问题，许多学者将各种先进技术应 用于掘进机位姿检测中，提出了多种位姿检测方法。 基于前人的研究，本文介绍了掘进机位姿检测原理， 分析了目前较成熟的掘进机位姿检测方案原理及优 缺点。 1 掘进机位姿检测原理 掘进机位姿参数主要包括掘进机机身的三维坐 标及三轴姿态角 航向角、俯仰角及横滚角 ，掘进机 位姿检测即掘进机三维坐标 掘进机定位 及三轴姿 态角 掘进机定姿 的测量或推算。掘进机姿态角可 通过多个机身节点三维坐标推导得出，亦可通过倾 角传感器、电子罗盘及惯性测量单元等测得。但掘 进机定位需要建立巷道基准坐标系与机身坐标系的 几何关系，由于巷道环境特殊，该几何关系往往不易 获得，所以掘进机定位是掘进机位姿检测的关键。 掘进机定位原理如图1 所示。首先，通过基站 与终端设备问的信号收发，获得机身目标点与巷道 基准坐标系间的原始物理参量 频率、振幅、相位、时 间等 ；然后，原始物理参量经处理后得到定位参量 来波方向、空问距离、高程等 ，再根据定位参量建 立定位观测方程组；最后，通过求解观测方程组得到 位置面 在一个特定三维空间中，保持某一个定位参 量恒定的点的轨迹 的交点或最优估计值，即机身目 标点三维坐标‘4 | 。 位置己知的基站1 位置己知的基站2 1 ．原始物理一基薯擎P 叫篓麟垂学 信号l’l 接收处理l 位置己知的基站3 位置已知的基站一 位置面1 ] 位置面2 嚣3 位置面H 1 ；l 位置面nL _ J 目 标 点 位 置 坐 标 图1 掘进机定位原理 F i g ．1P r i n c i p l eo fr o a d h e a d e rp o s i t i o n i n g 按照原始物理参量来划分，目前掘进机位姿检 测方法主要包括基于电磁波的掘进机位姿检测方 法、基于机器视觉的掘进机位姿检测方法、基于惯导 的掘进机位姿检测方法等。其中基于电磁波的掘进 机位姿检测方法根据电磁波的频率和传播特性的不 同，又分为基于可见激光 扇面激光 的掘进机位姿 检测方法、基于非可见激光 i G P S I n d o o rG P S ，室 内G P S 、全站仪 的掘进机位姿检测方法、基于无 线电波 U W B U l t r aW i d eB a n d ，超宽带 的掘进 机位姿检测方法。 2 基于扇面激光的掘进机位姿检测系统 李睿等[ 5 ] 提出了一种基于扇面激光的掘进机位 姿检测系统，如图2 所示。该系统核心设备为1 台 扇面激光发射器和2 部激光标靶扇面激光发射器 安装在巷道后方的顶板；2 部激光标靶平行安装在 掘进机机身上方，并且垂直于机身中线。系统工作 时，扇面激光沿巷道中线发射，机身上方2 部激光标 靶接收到光信号，根据简单几何推导，可实时获得掘 进机机身中线相对于巷道中线的偏向角和偏向位 移。扇面激光发射器保证自身位置与巷道后方的点 激光指向仪处于巷道设计中线上，扇面激光的照射 万方数据 2 0 2 0 年第8 期马源等悬臂式掘进机位姿检测方法研究现状1 7 距离为3 0 ～1 0 0m 。此外，该系统搭配双轴倾角传 感器，以测量机身的俯仰角、横滚角。 悬臂 掘进 0 图2基于扇而激光的掘进机位姿检测系统 F i g ．2 P o s ed e t e c t i o ns y s t e mo fr o a d h e a d e r b a s e do ns e c t o rl a s e r 该系统在有效测量距离内，偏向角误差小于 0 ．1 。，偏向位移小于8 2 ．2m n - t ，俯仰角及横滚角误差 小于0 ．0 5 。；但无法检测掘进机机身y 轴、Z 轴 坐标。 3 基于i G P S 的掘进机位姿检测系统 贾文浩等o “提出了一种基于i G P S 的掘进机位 姿检测系统，如图3 所示。将3 台激光接收器安装 在掘进机机身上，其在机身上的位置同定已知；2 台 扇形激光发射站安装在掘进机后方的煤巷r f l ，扇形 激光发射站三维坐标南地测人员事先标定。通过测 量掘进机机身上激光接收器在巷道基准坐标系的三 维坐标，根据几何推导解算出机身三轴姿态角。 Z 图3 基于i G P S 的掘进机位姿检测系统 F i g ．3 P o s ed e t e c t i o ns y s t e mo fr o a d h e a d e rb a s e do ni G P S 单发射站测量原理如图4 所示。将扇形激光发 射站抽象为2 束扇形激光平面绕一固定转轴旋转至 固定位置向四周空问发射I 。E D 脉冲信号的仪器，设 扇形激光发射站的激光发射器几何中心为0 点，激 光接收器为P 点，扇形激光发射站旋转方向上第1 束扇形激光平面与垂直于固定转轴且过激光平面交 点的平面的交线为x 轴，掘进机掘进方向为y 轴， 扇形激光发射站同定转轴为Z 轴，扇形激光发射站 转速固定且已知。激光接收器的相对高程可由两扇 形激光平面扫过激光接收器的时间差及角度口，声，， j 5 臼为两扇形激光平面在中心平面上的投影夹角， j 5 ．，虫分别为两扇形激光平面与固定转轴的夹角 来 描述。当确定激光接收器的相对高程及扇形激光平 面与固定转轴的夹角乒，后，根据图4 b 所示的几 何关系，可进一步推导得到P 点相对于0 点的水平 角d - 及俯仰角舻，。 a 两扇形激光平面相对位置关系 1 ] 扇彤激光半面扫描至激光接收器的姿态 图4 单发射站测量原理 F i g ．4M e a s u r i n gp r i n c i p l eo fs i n g l es t a t i o n 为了解算激光接收器的三维坐标，至少需要 2 台扇形激光发射站与激光接收器之间的角度定位 参量，双发射站测量原理如图5 所示。当激光接收 器P 点相对于另一台扇形激光发射站几何中心点 Q 的水平角d 、俯仰角∞和双发射站之间的距离 z ，D 已知时，联立水平角O ／1 及俯仰角妒。计算得到激 光接收器P 点的三维坐标 z ，y ，￡ 。 j ，一红萼坐辈 s i n a 2 0 ／1 v 一缝掣坐芈 1 S 1 nL a ，a 1J ，一 望 翌竺 璺竺翌 翌竺 呈竺翌 。 s i n a 2 一a 1 y X 图5双发射站测量原理 F i g ．5M e a s u r i n gp r i n c i p l eo fd u a ls t a t i o n 该系统在扇形激光发射站间距为1 ．2I T I 时，具 有较高测量精度，在有效测量距离1 7m 内，三维坐 互∑ } 万方数据 1 8 工矿自动化第4 6 卷 标测量误差小于7 ．4c m ，姿态角测量误差小于1 。； 但在实际使用巾所需测量距离通常大于1 71 T I ，此时 系统精度无法保证。 4 基于全站仪的掘进机位姿检测系统 陶云飞[ 7 j 提出了一种基于全站仪的掘进机位姿 检测系统，如图6 所示。3 台机身棱镜安装在掘进 机机身且相对位置关系已知。单台自动全站仪安装 在巷道后方顶板处，单台后视棱镜安装在巷道初始 位置且三维坐标已知。系统T 作时，由自动全站仪 根据后视棱镜标定自身i 维坐标，之后对掘进机单 台机身棱镜进行扫描。当接收到机身棱镜返回的光 信号后，确定机身棱镜相对于自动全站仪的水平角、 俯仰角及空间距离，由此推算出机身棱镜三维坐标， 再根据3 台机身棱镜问的确定位置关系推算出掘进 机机身姿态角。 Z 图6基于全站仪的掘进机位姿检测系统 F i g ．6 P o s ed e t e c t i o ns y s t e mo fr o a d h e a d e r b a s e do nt o t a ls t a t i o n 全站仪测量原理如图7 所示。设P ，点为单台 机身棱镜位置，0 点为全站仪位置。当全站仪对P ， 点进行扫描时，记录全站仪内扫描发射器的水平角 嫂。及俯仰角妒。，同时对棱镜进行空问测距，得到距 离信息z ，。根据式 2 可推导出机身棱镜相对于全 站仪的三维坐标 o c 。，y 。，￡， 。 O 图7 全站仪测量原理 F i g ．7M e a s u r i n gp r i n c i p l eo ft o t a ls t a t i o n 2 该系统在6 0m 的有效测量距离内，三维坐标 测量最大误差不超过9c m ，搭配倾角传感器时姿态 角测量最大误差不超过0 ．0 1 。；但全站仪在巷道顶 板上的安装、标定、整平及移站T 作较为复杂。 5 基于机器视觉的掘进机位姿检测系统 基于机器视觉的掘进机位姿检测系统利用各种 视觉传感器在井下感测周围空间环境，具有复杂环 境适应性好、精度高等优势。8 ] 。 杜雨馨等_ ’⋯] 提出了一种基于十字激光与机器 视觉的掘进机位姿检测系统，如图8 所示。2 台激 光标靶安装在掘进机机身且相对位置已知；2 台机 器视觉摄像仪分别安装在激光标靶后方；2 台十字 激光发射器安装在巷道后方，其三维坐标由地测人 员事先标定。系统工作时，2 台十字激光发射器向 掘进机掘进方向发射2 组十字激光，分别照射在 2 台激光标靶上．单组十字激光成像与单台激光标 靶四周会产生4 个交点和1 个中心交点，2 台激光 标靶共产生1 0 个交点并由机器视觉摄像仪记录，根 据各交点的相对关系可推导出掘进机相对于十字激 光发射器的3 个姿态角及x 轴、z 轴坐标偏差。 图8基于十字激光和机器视觉的掘进机位姿检测系统 F i g ．8 P o s ed e t e c t i o ns y s t e mo fr o a d h e a d e rb a s e do n C R O S Sl a s e ra n dm a c h i n ev i s i o n 该系统在1 0 0m 的有效测量距离内，机身姿态 角解算误差不超过0 ．1 6 。，机身X 轴、Z 轴坐标最大 误差小于1 0m l T l ；但无法检测掘进机y 轴坐标。 杨文娟等口妇提出了一种基于组合激光和机器 视觉的掘进机位姿检测系统，如图9 所示。在巷道 顶部的轨道上安装2 台点激光指向仪，使其发射的 2 条激光束平行且激光束方向沿掘进方向；在轨道 上沿巷道掘进垂直方向另安装l 台点激光指向仪， 使其发射1 条水平激光束且与上述2 条平行激光束 图9基于组合激光和机器视觉的掘进机位姿检测系统 F i g ．9 P o s ed e t e c t i o ns y s t e mo fr o a d h e a d e rb a s e do n c o m b i n e dl a s e ra n dm a c h i n ev i s i o n 黜 毗 S l O ．H C S 弘 弘 弘 S S 0 O o ．Ⅱ C C S Z f f z y ￡ Lt______【 万方数据 2 0 2 0 年第8 期马源等悬臂式掘进机位姿检测方法研究现状1 9 垂直。激光标靶安装在掘进机截割臂上；2 台防爆 相机安装在掘进机机身后方，其中一台面向点激光 指向仪，采集水平激光束和平行激光束的图像信息 来检测机身位姿，另一台面向激光标靶，采集激光标 靶的图像信息来检测截割头位姿。 当掘进机正常工作时，面向点激光指向仪的防 爆相机开始采集水平激光束和2 条平行激光束的图 像信息，并进行杂光过滤、图像增强、畸变校正等处 理，利用H o u g h 算法进行直线检测，提取直线特征。 建立基于2 个平行激光束发射点、3 条激光束的位 姿解算几何模型，从而获得掘进机坐标系与巷道基 准坐标系问的确定关系，基于掘进机坐标系中防爆 相机的视觉信息，推算获得巷道基准坐标系中机身 位姿。此外，面向激光标靶的防爆相机采集激光标 靶的图像信息．经图像处理和数学拟合运算后最终 可解算得到截割头位姿信息。 该系统截割头位置测量误差不超过4 01 T 1 1 T I ，姿 态角测量误差不超过0 ．5 。；但需要全站仪辅助测 量，且掘进机机身坐标计算复杂，精度不高。 6 基于U W B 的掘进机位姿检测系统 符世琛等口2 。1 朝提出了一种基于U W B 的掘进机 位姿检测系统，如图1 0 所示。3 个U W B 节点模块 安装在掘进机机身；4 台U W B 定位基站布置在巷 道后方，其相对于巷道基准坐标系的初始坐标由地 测人员在巷道掘进工作开始之前标定。4 台U W B 定位基站分别对3 个U W B 节点模块进行U W B 测 距，得到1 2 组U w B 测距信息，从而建立定位观测 方程组，通过求解方程组获得U W B 节点模块的三 维坐标，进而推导得到机身姿态角。当掘进机掘进 距离超过U W B 测距有效范围时，可通过4 台U W B 定位基站依次移动进行坐标系变换，单台U W B 定 位基站移动后通过其他U W B 定位基站对其进行位 置标定，基于U W B 信号全向辐射的特点，便于进行 自主标定，从而消除U W B 定位基站移动造成的累 图l o 基于U W B 的掘进机位姿检测系统 F i g ．1 0 P o s ed e t e c t i o ns y s t e mo fr o a d h e a d e r b a s e dO nU W B 计误差。 U w B 定位解算的核心难点是定位观测方程组 求解。由于U W B 信号的全向辐射特点，定位观测 方程组一般为非线性方程组，在工程上采用的 U W B 定位基站数量较少时，存在无解情况；常用的 求解方法是将非线性定位观测方程组线性化，进而 采用最4 “ - - 乘法及循环迭代法进行最优估计。 该系统在7 0m 的有效测量距离内。X 轴坐标 误差小于2 5c m ，Y 轴坐标误差小于2c i n ，Z 轴坐标 误差为1 0 b6 5C I T I ，航向角误差小于5 。，横滚角及俯 仰角误差小于1 0 。；但姿态角解算精度不高。需要搭 配倾角传感器辅助测量，且z 轴坐标误差较大。 7 基于惯导的掘进机位姿检测系统 毛清华等u “朝提出了一种基于惯导的掘进机 位姿检测系统。原理如图1 1 所示。通过三轴陀螺仪 测量掘进机绕三轴旋转的角速度，通过三轴加速度 计测量掘进机三轴方向上的线加速度，将以上6 个 参量对时间二次积分后与掘进机初始位姿联立进行 航位推算，得到掘进机坐标及姿态计算初始值，再根 据相应补偿策略及其他标定方法循环迭代进行精度 优化，最终确定掘进机的三轴姿态角及j 维坐标。 悬 臂 式 掘 进 机 螋霸皆 l 淼旧} 囱 俐1 1 基于惯导的掘进机位姿检测系统原理 F i g ．1 lP r i n c i p l eo fr o a d h e a d e rp o s ed e t e c t i o ns y s t e m b a s e do ni n e r t i a ln a v i g a t i o n 在2h 内的静态测量条件下，该系统的航向角 误差小于0 ．2 。，俯仰角及横滚角误差小于0 ．1 。；但 该系统本质上无法建立掘进机坐标系与巷道基准坐 标系的联系，受航位推算原理限制，三轴坐标测量误 差随着时间推移累计增大。 8结语 为使掘进机位姿检测具有较大实用意义，应满 足以下要求有效测量距离达1 0 01 “ 1 - 1 以上；根据巷 道成型标准，断面误差不得大于1 0c m ，因此在截割 头理想作业条件下，三轴坐标误差应小于1 0c n l ；姿 态角误差应小于1 。。而现有的单一掘进机位姿检 测方法难以实现掘进机全自主、全参数、非接触位姿 检测，无法满足上述全部要求。基于机器视觉的掘 进机位姿检测方法具有掘进机截割头及掘进机机身 姿态检测精度高、X 轴和Z 轴坐标测量精度高的优 万方数据 2 0 工矿自动化第4 6 卷 势；基于U W B 的掘进机位姿检测方法具有自主移 站便利、Y 轴坐标测量精度高的优势；基于惯导的掘 [ 8 ] 进机位姿检测方法具有姿态角测量精度高、独立非 接触测量的优势。因此，机器视觉、U W B 、惯导相结 合的掘进机位姿组合检测方法值得进一步研究。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 王国法，范京道，徐亚军，等．煤炭智能化开采关键技 术创新进展与展望[ J ] ．工矿自动化，2 0 1 8 ，4 4 2 5 1 2 ． W A N GG u o f a ，F A N J i n g d a o ，X UY a j u n ，e ta 1 ． I n n o v a t i o np r o g r e s sa n dp r o s p e c to nk e yt e c h n o l o g i e s o fi n t e l l i g e n tc o a lm i n i n g [ J ] ．I n d u s t r ya n dM i n e A u t o m a t i o n ，2 0 1 8 ，4 4 2 51 2 ． 葛世荣．智能化采煤装备的关键技术[ J ] ．煤炭科学技 术，2 0 1 4 ，4 2 9 7 - 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J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo f S c i e n t i f i cI n s t r u m e n t ，2 0 1 6 ，3 7 8