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现代智能矿山建设的关键在设备层的状态与环境智能感知、决策层的智能决策与控制，煤矿井下移动设备位姿测量，以达到“知己”，配合作业要求（如掘进方向、巡检路径等）和环境参数（瓦斯超限预警、掘进超欠挖等），是实现“知己知彼”的少人甚至无人作业控制的基础。基于机器视觉的煤矿井下精确定位与自主导航技术正逐步展现出其独特的魅力和广阔的应用前景。该技术在隧道工程、地下空间工程等场景也具有广阔的应用前景。
內容簡介：
本书以巷道掘进施工中的精确定位、定向导航和成形截割为主线，围绕“防爆单目相机 点线激光标靶 空间定位模型”相关技术，系统介绍了煤矿井下特殊环境下视觉定位与导航方面的基础理论、方法和应用。本书主要内容包括矿用防爆相机成像建模与标定技术、井下特殊环境下退化图像的清晰化重构技术、基于单目视觉的煤矿井下掘进机精确定位与导航系统、基于平行激光束的悬臂式掘进机全局动态定位技术、基于三激光束的掘进机机身位姿测量技术、基于多点红外LED的悬臂式掘进机局部动态定位技术、掘进机位姿视觉测量系统性能测试与工程应用、基于双目视觉的悬臂式掘进机位姿测量方法、基于非合作标靶的井下视觉动态定位技术。本书采用二维码集成了相关视频（19条）和彩图，以便读者阅读和理解。本书可作为机械、自动化、计算机、矿业、土建（地下空间及隧道工程）等相关行业专业技术人员的参考书，还可作为高等院校机械类、自动化类、计算机类、矿业类、土建类等专业高年级本科生和研究生相关课程的教学参考书。
關於作者：
杨文娟，工学博士，副教授，硕士生导师，入选秦创原团队首席科学家，被评为全国煤炭行业青年岗位能手，全国煤矿智能化卓越青年。主要研究方向为煤矿智能机电系统研发、图像处理与模式识别、井下视觉测量与智能导航等方面的理论和应用研究。先后主持国家自然科学基金青年项目1项、陕西省重点研发计划项目1项、中国博士后基金1项、陕西省教育厅科学研究计划1项，参与国家级项目3项，承担煤矿井下精确定位技术方面项目研究近10项，以第一作者在Scientific data（Nature子刊）、 Optics and Lasers in Engineering、IEEE Transactions On Industrial Electronics、煤炭学报、煤田地质与勘探等期刊发表SCI/EI学术论文10余篇，授权国家发明专利10余项，获煤炭工业协会科学技术奖3项。张旭辉，工学博士，三级教授、博士生导师，陕西省“教学名师”，陕西省中青年科技创新领军人才，陕西省特支计划教学领军人才，陕西省重点科技创新团队负责人。近年来主要从事煤矿采掘装备智能化技术、复杂机电系统耦合建模与非线性动力学等方面教学科研工作，先后主持国家自然科学、国家绿色制造系统集成项目、科学技术研究重点项目、陕西省重点研发计划、中国博士后基金等项目10余项，参与国家基金为代表的纵向项目近20项，主持完成40多项企业合作项目。获陕西省科学技术奖一等奖1项，二、三等奖3项，中国煤炭科技奖一等奖2项，二、三等奖15项；发表学术论文300多篇，申请国家专利200多件，授权发明专利近80件，软著20余项。
目錄
第1章概述11.1煤矿智能化建设亟待突破井下定位与导航技术11.2井下视觉定位与导航面临的挑战31.2.1智能掘进对定位精度要求高41.2.2煤矿井下环境对视觉定位精度影响大71.2.3井下定位与导航基础理论研究不足81.3视觉定位与导航的几个基本问题111.3.1煤矿井下图像增强技术111.3.2煤矿井下掘进机动态定位技术121.3.3基于视觉测量的动态目标位姿检测技术151.3.4视觉成像系统建模与标定技术181.3.5运动模糊建模与图像复原技术201.4本书内容安排23第2章矿用防爆相机成像建模与标定技术242.1矿用相机双层平面玻璃折射成像建模与标定242.1.1矿用相机平面折射成像建模242.1.2矿用相机平面折射标定272.2矿用相机球形玻璃折射建模与标定292.2.1矿用相机球形折射建模292.2.2矿用相机球形折射标定312.3矿用相机折射标定的结果验证332.3.1矿用平面玻璃折射标定结果验证332.3.2矿用球面玻璃折射标定结果验证372.4小结42第3章井下特殊环境下退化图像的清晰化重构技术433.1煤矿井下图像退化特性分析与预处理技术433.1.1煤矿井下工作面雾尘退化图像成像特性433.1.2工作面粉尘浓度自适应图像特征提取技术443.1.3煤矿井下工作面低照度视频增强技术473.2矿用相机振动模糊建模与去模糊研究543.2.1透视相机的均匀模糊建模及去模糊543.2.2矿用相机模糊建模与去模糊研究563.2.3矿用相机采集的红外LED图像去模糊验证663.2.4矿用相机采集的红外激光束图像去模糊验证683.3小结71第4章基于单目视觉的煤矿井下掘进机精确定位与导航系统724.1激光点-线特征合作标靶的煤矿井下掘进机单目视觉定位系统724.2悬臂式掘进机全位姿视觉定位系统统一描述764.2.1悬臂式掘进机全位姿定位坐标系统764.2.2悬臂式掘进机视觉测量坐标系及运动学解算784.3煤矿井下设备位姿视觉检测系统误差分析及对策804.4视觉测量系统的自动建站移站方法814.5基于井下视觉定位数据的掘进机自主导航方法854.5.1悬臂式掘进机自主导航掘进控制方案854.5.2悬臂式掘进机定向掘进运动控制方法864.5.3悬臂式掘进机定向掘进控制器设计894.5.4掘进机定向掘进控制实验934.6小结95第5章基于平行激光束的悬臂式掘进机全局动态定位技术965.1基于平行激光束的悬臂掘进机机身全局位姿测量方法965.1.1适用于煤矿井下环境的激光束标靶特征提取与定位965.1.2基于2P3L的激光标靶空间点三维坐标解算模型1005.1.3基于对偶四元数的激光标靶位姿解算方法1035.1.4掘进工作面悬臂式掘进机机身全局定位1055.2基于视觉测量的机身位姿测量误差模型1065.2.1激光光斑中心定位误差1065.2.2激光束中心线定位误差1075.2.3激光束标靶几何误差1105.3基于激光线特征的机身全局位姿测量方法验证1115.3.1激光束提取与定位算法的环境适应性验证1115.3.2激光标靶尺寸及距离对机身位姿视觉测量的影响1135.4小结118第6章基于三激光束的掘进机机身位姿测量技术1196.1悬臂式掘进机机身位姿视觉测量系统1196.2激光束标靶图像分割与特征提取1206.2.1三激光束标靶图像特性1206.2.2三激光束标靶图像分割与特征提取1216.2.3基于RCEAUNet三激光束标靶图像语义分割模型1266.3三点三线透视投影位姿测量模型1386.4悬臂式掘进机机身位姿视觉测量系统精度分析1426.5悬臂式掘进机机身位姿视觉测量精度测试1436.6小结148第7章基于多点红外LED的悬臂式掘进机局部动态定位技术1497.1基于多点红外LED的悬臂式掘进机截割头动态定位方法1497.1.1红外LED标靶特征点提取与光斑定位1497.1.2基于共面特征点的截割头位姿视觉测量1527.1.3悬臂式掘进机截割头局部定位1557.2基于视觉测量的截割头位姿测量误差模型1597.2.1红外LED特征点中心定位误差1607.2.2相机外部参数标定误差1617.2.3红外标靶特征点非共面性误差1627.3截割头位姿视觉测量精度与稳定性测试1637.3.1截割头位姿视觉测量算法精度验证1637.3.2截割头视觉定位误差数值仿真1657.3.3红外LED光斑中心定位的环境适应性1657.4小结167第8章掘进机位姿视觉测量系统性能测试与工程应用1688.1悬臂式掘进机位姿视觉测量系统实验平台1688.2悬臂式掘进机位姿视觉测量系统精度测试1708.2.1悬臂式掘进机截割头位姿视觉测量精度测试1708.2.2悬臂式掘进机机身位姿视觉测量精度测试1758.3煤矿井下掘进机位姿视觉测量工程应用1798.3.1掘锚一体机机身位姿视觉测量应用1798.3.2悬臂式掘进机机身位姿视觉测量应用1798.4小结183第9章基于双目视觉的悬臂式掘进机位姿测量方法1849.1悬臂式掘进机双目视觉机身位姿测量方案1849.1.1双目视觉测量原理1849.1.2悬臂式掘进机双目视觉位姿测量方案1859.2基于红外LED标靶的悬臂式掘进机双目视觉定位1869.2.1基于红外LED的特征点提取与环形匹配策略1869.2.2基于帧间特征的双目视觉运动估计方法1909.2.3双红外标靶交叉移动的连续测量方法1929.3实验验证1939.4小结197第10章基于非合作标靶的井下视觉动态定位技术19810.1基于非合作标靶的井下视觉动态定位技术机理19810.2基于单目视觉的非合作标靶定位技术20010.2.1技术方案20010.2.2技术实现20010.2.3实验验证20410.3基于RGBD的非合作标靶定位技术20610.3.1技术方案20610.3.2技术实现20610.3.3实验验证21810.4本章小结221参考文献222
內容試閱
少人或无人自动控制系统及其配套技术研发是国内外研究的热点。煤矿井下采煤、掘进工作面设备群及重要场合的巡检机器人等移动设备，均需精确的位姿测量信息。近年来，基于机器视觉的煤矿井下精确定位与自主导航技术正逐步展现出其独特的魅力和广阔的应用前景。煤矿井下视觉定位与导航研究是一项极具挑战性的研究课题。2016年课题组针对悬臂式掘进机位姿测量难题，大胆提出“单目视觉 激光标靶”解决方案，经过课题组共同努力，研发出基于激光标靶的煤矿井下动态目标单目视觉测量定位与导航系统，近年来现场应用表明，该系统具有非接触、测量精度高、成本低、无累计误差等突出优势。针对煤矿井下特殊环境特点，课题组后继研究中以悬臂式掘进机——煤矿掘进工作面应用最广、巷道成形控制最复杂的掘进机为对象，不断优化系统测量方案，形成了稳定的煤矿井下视觉位姿测量技术体系，主要包括：以“激光指向仪构建激光点-线标靶”解决井下高粉尘水雾、低照度和复杂背景等难题；以“多点、多线合作标靶”有效解决测量路径易遮挡问题，同时提高测量精度；以“机载稳像和消抖算法”等主动及被动抗振措施降低机身振动，提高系统测量精度和可靠性；以“多点标靶 单目视觉”测量多个设备相对位姿，结合数字孪生系统实现掘进工作面设备避障决策，为设备群协同控制提供有力的技术支撑。本书紧密联系国内外移动设备定位与导航技术的最新研究，以视觉在煤矿井下狭长巷道实现移动设备精确定位、定向导航和成形截割为主线，向读者展示了基于视觉测量技术的井下掘进装备的定位与导航相关理论，及其建模、仿真分析和应用测试全过程。系统介绍了作者多年从事煤矿井下视觉定位与导航技术研究相关成果，涉及井下防爆相机成像建模与畸变校正、井下特殊环境退化图像重构、单目视觉空间模型与定位算法、几种不同合作标靶定位方法，以及双目视觉定位、非合作标靶定位等方面的相关理论和方法。在煤机井下视觉定位与导航基础理论及关键技术研究过程中，马宏伟、毛清华、杜昱阳、雷孟宇等老师，张超、万继成、康乐、杨红强、杨俊豪、石硕、吴雨佳、谢楠、沈奇峰、任志腾等研究生参与了相关研究和资料整理工作，在此表示感谢。同时，研究过程中得到了西安科技大学机械工程学院、陕西省矿山机电设备智能检测与控制重点实验室、西安煤矿机械有限公司、中煤（天津）地下工程智能研究院有限公司、陕西敏思特智能科技有限公司、山东天河股份有限公司、陕西朗登矿业科技开发有限公司等单位的支持和协作，书中涉及的井下测试也得到多家煤矿相关技术人员的全力协助，在此对这些单位及个人表示感谢。本书的编写和出版得到了国家自然科学基金项目(编号：52104166)、陕西省重点研发计划项目（编号：2021JLM03、2023YBGY063、2024CY2GJHX35）和陕西省高层次人才特殊支持计划项目资助，在此表示感谢。由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请读者批评指正。
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