基於雷射掃描和序列編碼圖形的地下空間高精度定位方法
2023-12-02 10:01:16 1
專利名稱：：基於雷射掃描和序列編碼圖形的地下空間高精度定位方法
技術領域：
：本發明涉及一種地下空間高精度定位方法。
背景技術：
：隨著電子信息技術的發展，基於位置的服務在人們的生產和生活中扮演著愈加重要的角色，以全球定位系統(GlcAalPositioningSystem,GPS)為代表的室外定位技術已為人們所熟知。而對於無衛星導航信號的室內和地下環境，以射頻識別(RadioFrequencyIdentification,RFID)和無線保真技術(WirelessFidelity,Wi-Fi)為代表的新型定位技術，近年來也得到了廣泛重視。礦山是國家發展的命脈，礦山安全是全國安全生產工作的重中之重。2008年全國煤礦共發生重特大事故38起，死亡707人，同比起數增加10起、上升35.7%，死亡人數增加134人、上升23.4%，為保障礦工生命安全，即使是面對煤炭和礦石供應緊缺、價格飛漲的局面，國家安監總局對於現有技術條件下難以有效治理的國有礦山，依然嚴格執行了「壓產減人」甚至是「關閉轉產」的政策措施。重大礦難頻繁、採礦機械化率低、資源回收利用率低導致浪費嚴重等諸多因素，使中國面臨礦產資源短缺，供應乏力的嚴峻形勢，這已經成為制約經濟發展的瓶頸，這種狀況繼續下去，勢必對國民經濟的可持續發展構成很大威脅。改變「安全」和「生產」之間的矛盾局面，根本的解決方法是發展「地下無人採礦」(Hands-ofTMining)技術。「地下無人採礦」可以極大地提高生產效率並減少安全事故，實現「地下無人採礦」的關鍵就是研究適合中國礦山特點的採掘設備自動控制系統。採掘設備的自動控制系統包括自主定位和自動調高系統，而採掘設備高速、高精確的自主定位、定向和定姿是實現採掘設備自動控制系統的核心技術和關鍵問題。建立地下移動目標快速高精度定位技術體系是研製自動採掘運輸設備、實施地下無人採礦、解決礦山行業安全生產的技術關鍵和重要途徑，也是保障我國礦產資源可持續發展的必要條件。目前，國內外使用的主流室內和地下定位技術主要可以分為以下幾類室內GPS定位技術(IGPQ[1]、紅外線定位技術、超聲波定位技術[2]、藍牙技術[3]、無線保真技術(Wi-Fi)、射頻識別(RFID)技術W]、ZigBee技術[5]等。針對本發明研究中所涉及的關鍵技術，發明申請人通過國家知識產權局中外專利資料庫服務平臺(http://Ww.cnipr.com/)，其專利授權時間為上世紀70年代到2009年9月；歐洲專利局國際授權專利查詢系統(http://印.espacenet.com/)，其專利授權時間為上世紀70年代到2009年9月。利用多種關鍵字組合方式，進行了細緻、全面的與本發明主要研究技術相關的國內外授權專利查詢，結果介紹與分析如下1、中外專利資料庫服務平臺(http://www.cnipr.com/)A.以「地下and定位」作為摘要關鍵詞，查詢結果為17項，其中發明專利10項，實用新型7項，僅2項與本發明相關。權利要求1.一種基於雷射掃描和序列編碼圖形的地下空間高精度定位方法，其特徵在於，基於雷射掃描和序列編碼圖形的地下空間高精度定位方法包括以下三個方面內容序列編碼圖形設計、識別和解碼方法；地下三維巷道空間中序列編碼圖形和三維空間信息獲取方法；移動目標位姿參數的聯合解算方法。2.根據權利要求1所述的基於雷射掃描和序列編碼圖形的地下空間高精度定位方法，其特徵在於，以所採用的序列編碼圖形設計、識別和解碼方法為基礎。3.根據權利要求1所述的基於雷射掃描和序列編碼圖形的地下空間高精度定位方法，其特徵在於，以所採用的地下三維巷道空間中序列編碼圖形和三維空間信息獲取為手段。4.根據權利要求1所述的基於雷射掃描和序列編碼圖形的地下空間高精度定位方法，其特徵在於，以移動目標位姿參數的聯合解算為目標。5.一種如權利要求1所述的基於雷射掃描和序列編碼圖形的地下空間高精度定位方法，對無衛星導航信號的地下空間中移動目標進行高精度定位；其特徵在於，包括步驟A)利用雷射雷達三維掃描技術，構建地下空間精確三維模型，沿地下巷道空間布設本發明設計的序列編碼圖像標誌牌，並精確測定編碼標誌牌中心點三維坐標；B)基於雷射掃描和序列編碼圖形的地下空間高精度定位系統初始化，雷射雷達開始三維掃描，雙相機系統開始採集巷道內部影像，內部測量單元和車輪編碼器開始計數；C)分別在雷射掃描獲取的強度圖像和三維數據，以及雙相機系統獲取的立體像對中，計算編碼圖形中心與移動目標之間的距離，並對編碼圖形進行解碼，在資料庫中查詢對應的編碼圖形的精確位置信息，利用編碼圖形的精確位置信息，使用後方交彙算法進行反向解算，對移動目標進行粗定位；D)同時將實時獲取的井下巷道局部三維模型與事先構建的井下巷道高精度三維模型進行基於特徵的快速匹配，最小化定位誤差，解算出採掘運輸設備的精確位姿參數，實現對地下移動目標的精確定位；E)在地下移動目標的位置、方向、姿態參數的解算過程中，還要綜合考慮上一時刻移動目標的速度和位姿參數，進行聯合解算，最小化定位誤差，計算出當前時刻移動目標的速度和位姿參數，並記錄在資料庫中。6.如權利要求1所述的地下空間高精度定位方法，其特徵在於，所述移動目標，為採煤機等採掘設備、車輛等運輸設備、救援機器人等無人探測設備。7.如權利要求2所述的序列編碼圖形設計、識別和解碼方法，其特徵在於，針對礦山地下井巷環境比較惡劣、空氣潮溼、環境光照不好的環境特點，合理設計編碼圖形標誌牌，提高編碼圖形標誌牌在影像和強度圖像中的信噪比，合理布局編碼圖形標誌牌的分布；開發抑制噪聲能力更強的圖像處理方法和雷射掃描數據處理方法，開發快速的編碼圖形跟蹤、解碼算法。8.如權利要求3所述的地下三維巷道空間中序列編碼圖形和三維空間信息獲取方法，其特徵在於，精細準確的地下三維井巷網絡空間模型是地下移動目標精確定位和導航的數據基礎，本發明在構建準確精細完整的三維井巷網絡空間模型基礎上，建立了一套適合礦山井下環境的三維井巷空間模型質量控制和評估標準體系；地下井巷環境惡劣，一旦事故發生，井巷環境會更加複雜，因此本發明選擇價格合適、穩定性好、精度較高的雷射三維掃描儀、C⑶相機，並設計完整的多傳感器集成系統，結合礦山地下已有的無線電定位系統來實現移動目標的快速精確定位。9.如權利要求4所述的移動目標位姿參數的聯合解算方法，其特徵在於，在雷射掃描實時獲取的強度圖像和三維空間信息中，及雙相機系統獲取的影像信息中對編碼圖形，進行識別和解碼，根據其精確三維坐標，進行聯合解算，對採掘運輸設備進行粗定位。同時將雷射雷達實時獲取的巷道三維點雲數據構建成巷道局部三角網模型，通過將局部三角網模型與事先構建的井下巷道高精度三維模型進行基於特徵的快速匹配，最小化定位誤差，解算出採掘運輸設備的精確位姿參數，實現對地下移動目標的精確定位。10.如權利要求4所述的移動目標位姿參數的聯合解算方法，其特徵在於，礦山地下運輸車輛速度可達lOm/s，這將給雷射掃描獲取的3D空間數據和相機系統獲取的連續2D影像帶來一定的誤差，也對位姿參數解算速度提出了較高的要求。本發明利用移動目標在上一時刻的速度、位姿參數，對當前時刻獲取的空間數據和影像進行校正，快速精確的計算出移動目標當前速度和位姿參數。全文摘要本發明公開了一種基於雷射掃描和序列編碼圖形的地下空間高精度定位方法。該方法以無GPS信號的礦山地下井巷環境中移動目標的快速高精度定位、定向、定姿和導航為目標，從編碼圖形的設計、解碼和優化布局，經濟快速獲取精細準確的礦山井下巷道組成的道路網絡——三維井巷網絡空間模型，井巷約束空間中移動目標的高精度定位算法(位置、方向、姿態參數的精確解算)，三維井巷空間模型匹配算法，三維導航技術，到最終的導航平臺和終端控制系統等關鍵方向上進行突破，形成地下快速高精度定位導航關鍵技術和軟硬體系統，最終推動我國礦山「地下無人採礦」技術跨越。除此之外，本發明還可以滿足大城市地下空間、深長交通隧道、大型巖洞、大型建築物內部、大型立交橋、地鐵空間中對移動目標的快速高精度定位和導航的應用需求，推動我國地下空間定位技術的發展。文檔編號G01S17/58GK102053249SQ200910210189公開日2011年5月11日申請日期2009年10月30日優先權日2009年10月30日發明者吳立新,王植申請人:吳立新,王植