双矢量定姿在煤矿掘进机姿态测量中的应用

针对现有巷道掘进机的姿态测量手段中普遍存在的高成本和误差累积等问题,文中提出了一种基于双矢量定姿原理的姿态测量算法。通过在巷道掘进环境中分别对重力矢量和光矢量进行构建与感知,利用惯性倾角测量和双目视觉测量技术,基于矢量元素分别在导航坐标系和掘进机载体坐标系中的数学表达,可实现掘进机载体坐标系相对于巷道导航坐标系的姿态解算。利用倾斜仪和双目相机组成的测量装置对指示激光和重力矢量进行测量,结合双矢量定姿算法即可完成掘进机机身的姿态解算。文中设计了静态重复性精度测量实验,结果表明该方法的姿态角重复性测量精度为0.0662°。利用蒙特卡洛方法对可能会引入的误差源进行仿真分析,结果表明误差对方位角、俯仰角以及滚转角的影响分别为0.7864°、0.4548°和0.4765°。

基于双屏视觉标靶的掘锚机机身位姿测量技术

针对掘锚机在煤矿巷道掘进过程中难以实现机身位姿的实时精确测量,进而导致难以实现定向掘进的问题,提出一种基于双屏视觉标靶的掘锚机导向方法。由2块竖直安装的感光成像屏组成双屏视觉标靶靶面,巷道中的激光器发射指示激光并在前、后靶面上呈现光斑,利用视觉测量、高精度栅格标定等技术,建立光斑质心的图像坐标与三维空间坐标的映射关系,以形成坐标点云数据;再根据栅格索引、坐标变换、欧拉角解算等原理,结合标靶底部的双轴倾角仪来获得掘锚机机身的实时位姿,并解算出机身关键点相对于巷道设计轴线的横向/纵向偏差,为掘进过程中的偏差纠正提供数据支撑。通过构建数学模型对系统脱靶问题进行了分析,同时搭建实验平台验证了该导向方法的有效性。实验结果表明:该方法能够实现机身六自由度空间位姿的精确测量;在9 m测试距离下偏航角重复性测量精度优于0.01º、偏航角绝对测量误差小于0.05º;在15~40 m测量范围内,用全站仪与矿用激光器设置计划线时机身关键点横向/纵向偏差测量误差分别小于5、15 mm。基于该方法研发的导向系统已成功应用于煤矿井下巷道掘进中,满足了巷道施工与掘锚机机身定位的精度要求。该导向方法的误差特性与测试距离无关,且该方法中涉及的所有光学测量功能均在标靶内部实现,可有效屏蔽井下复杂环境对测量功能的影响,大幅提升了现场应用时的抗粉尘干扰能力。

基于双目视觉的战斗机武器系统校靶方法研究

针对战斗机制造、装配过程中测量任务繁重,以及现有战斗机武器系统校靶时普遍存在的设备笨重、效率低下等问题,提出一种基于双目视觉测量原理的战斗机武器校靶方法。设计了一种由红外LED构成的光电标靶,并通过转接架与战斗机各工位连接。双目相机拍摄所有光电标靶,进而获取LED点的三维坐标。利用基于最小二乘法的空间坐标转换原理解算出双目相机与各光电标靶的相对姿态关系,并结合坐标系传递原理最终求得各待测工位轴线相对于战斗机基准工位轴线的水平、垂直偏差角度,以完成校靶操作。根据校靶原理搭建3D仿真环境,分析了在校靶的过程中可能存在的误差源,并利用蒙特卡洛方法对校靶算法进行了仿真分析。仿真结果表明,相机标定误差对水平、垂直偏差角测量精度影响最大,标准差分别为0.0397°和0.0268°。该校靶方法能适用于战斗机武器校靶,同时可提高装配与测量过程中的工作效率与可靠性。

面向盾构导向激光标靶的抗杂光算法研究

由于施工现场杂光的干扰,盾构导向激光光斑无法被准确识别。针对这一问题,利用导向激光的脉冲特性,提出了一种基于数字图像处理的抗杂光算法。首先,对工业相机曝光时间与激光脉冲周期之间的关系进行分析,通过调节工业相机曝光时间,可以有效地采集到导向激光产生脉冲的前后两帧图像;之后,差分两帧图像以获得目标光斑;最后,利用合适的结构元素腐蚀图像中的杂光残影,彻底地消除杂光带来的不良影响。实验结果表明:在激光标靶适用距离内,利用本文抗杂光算法,导向激光光斑的识别准确率优于93.75%;通过与其他抗杂光算法进行对比,在近中远距离下,识别准确率分别提升了21.87%、23.13%、26.87%,能够满足盾构导向施工要求,具有良好的应用前景。