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基于双屏视觉标靶的掘锚机机身位姿测量技术黄喆1，李佳雄1，杜文阳2，徐叶倩1，沈小玲1，赵世艺1，王浩森1(1.天津科技大学电子信息与自动化学院,天津300222；2.力信测量(上海)有限公司,上海201203)摘要：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 9m 测试距离下偏航角重复性测量精度优于 0.01、偏航角绝对测量误差小于 0.05；在 1540m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、15mm。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。关键词：掘锚机；位姿测量；双屏视觉标靶；定位；视觉测量中图分类号：TD421文献标志码：A文章编号：02539993(2023)04181411Position and orientation measurement technology for bolter minerbody based on dual-screen visual targetHUANGZhe1,LIJiaxiong1,DUWenyang2,XUYeqian1,SHENXiaoling1,ZHAOShiyi1,WANGHaosen1(1.School of Electronic Information and Automation,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin300222,China;2.Lixin Measurement(Shang-hai)Co.,Ltd.,Shanghai201203,China)Abstract:Aimingattheproblemthatitisdifficulttoachievethereal-timeandaccuratemeasurementofthebolterminerspositionandorientationduringtheexcavationprocessincoalmines,whichleadstothedifficultyinachievingdirectionalexcavation,aguidancemethodforbolterminerbasedondual-screenvisualtargetisproposed.Usingtwoverticallyin-stalledlight-sensitiveimagingscreenstoformthedual-screenvisualtargetsurfacesandtheindicationlaseremittedbythelaserinstrumentpresentslightspotsonthefrontandreartargetsurfaces.Combiningwiththevisualmeasurement,high-precisionrastercalibrationandothertechnologyareappliedtoestablishthemappingrelationshipofthespotcentroid收稿日期：20220226修回日期：20220529责任编辑：郭晓炜DOI：10.13225/ki.jccs.2022.0236基金项目：天津市自然科学基金资助项目(18JCYBJC88600)；天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室开放课题资助项目(pilab1905)作者简介：黄喆(1989)，男，辽宁沈阳人，讲师，博士。E-mail：通讯作者：杜文阳(1994)，男，天津人。E-mail：引用格式：黄喆，李佳雄，杜文阳，等.基于双屏视觉标靶的掘锚机机身位姿测量技术J.煤炭学报，2023，48(4)：18141824.HUANGZhe，LIJiaxiong，DUWenyang，etal.Positionandorientationmeasurementtechnologyforbolterminerbodybasedondual-screenvisualtargetJ.JournalofChinaCoalSociety，2023，48(4)：18141824.第48卷第4期煤炭学报Vol.48No.42023年4月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYApr.2023between2D-3Dcoordinates,whichisusedtoformthepointclouddataofthecoordinates.Basedontheprincipleofgridindexing,coordinatetransformationandEuleranglesolving,combiningwiththebiaxialinclinometeratthebottomoftar-gettoobtainthebolterminerbodysreal-timepositionandorientation,thekeypointshorizontal/verticaldeviationsrelat-ivetotheroadwayaxisarecalculated,whichcanprovidedatasupportfordeviationcorrectionduringtheexcavationpro-cess.Theoff-targetproblemofthesystemisanalyzedbyconstructingamathematicalmodel.Meanwhile,theeffective-nessoftheguidancemethodisverifiedbybuildinganexperimentalplatform.Theexperimentalresultsindicatethatthismethodcanachieveaprecisionmeasurementofsix-degrees-of-freedomspatialposeforthemachinebody.Whenthemeasurementdistanceis9m,therepeatabilitymeasurementprecisionoftheyawangleisbetterthan0.01andtheerrorofabsolutemeasurementislessthan0.05.Withinthemeasurementrangeof1540m,whichusesthetotalstationandmin-inglasertosettheplanningline,themeasurementerrorsofkeypointshorizontal/verticaldeviationsarelessthan5mmand15mm,respectively.Theguidingsystemdevelopedbasedonthismethodhasalsobeensuccessfullyappliedtotheun-dergroundroadwayexcavationincoalmine,whichfullymeetstherequirementsofundergroundroadwayexcavationandthepositioningofthemachinebodyskeypoints.Theerrorcharacteristicoftheguidingmethodisindependentofthetestdistance.Also,allopticalmeasurementfunctionsinvolvedinthemethodarerealizedinsidethetarget,whichcaneffect-ivelyshieldtheinfluenceoftheundergroundcomplexenvironmentforthemeasurementfunction,andgreatlyimprovethecapacityofanti-dustinterferenceinfieldapplication.Key words:bolterminer；positionandorientationmeasurement；dual-screenvisualtarget；positioning；visionmeasure-ment建设智慧煤矿、实现煤矿开采智能化是煤炭工业发展的必然选择1-2。作为煤矿开采的关键一环，综掘工作面的智能化程度与煤矿的安全、高效生产息息相关3。而在掘锚机掘进过程中，我国仍普遍采用人工主导的方式来评估巷道走向是否偏离计划线，无法实现掘锚机的实时位姿测量，导致“采快掘慢”等矛盾日益突出4。研究掘锚机位姿测量技术，实现掘进导向智能化、无人化，全面提升煤矿采掘的工作效率，具有重大意义。掘锚机的位姿测量过程受多种外界因素的影响：巷道环境复杂，封闭、弱光、高粉尘、可见程度低，且无外部定位基准；掘锚机前进速度缓慢，机身振动强烈；又因包含锚杆机等设备，使得掘锚机机身结构更加复杂，遮挡现象较为严重，测量通道有限。因此，克服外界因素对掘锚机位姿测量过程的影响，实现精准定位与导向是亟需攻关的技术难题。对现有的掘进设备位姿测量技术而言，根据其工作原理可分为：基于光电传感器的位姿检测技术、基于惯性设备的位姿检测技术与基于多传感器融合的位姿检测技术5-6。学者们也对此进行了相关研究：ROMAN 等7将红外传感器固定于掘进机机身，利用传感器实现掘进机的位置参数测量，但使用单一类传感器，测量精度较低。鲁程等8利用多惯导冗余定位技术提升了采煤机定位精度，有效抑制了单一惯导长时间运行产生的累积误差，减小了施工误差，但高精度惯性传感器成本高昂，难以实现普及。朱信平等9提出的基于全站仪的掘进机位姿测量方法，利用全站仪对固定在掘进机机身上的目标棱镜进行测量，再通过上位机解算出机身位姿信息，但考虑到全站仪在测量过程中的移站问题，操作过程繁琐，难以满足行业需求。基于 iGPS 的位姿测量方法10因其系统结构较为复杂，需人工频繁标定，且测量范围较短，不具有很强的工程实用性。而在近年来，视觉测量作为光电传感器位姿检测技术的一种，依靠非接触式的测量方法，以及结构简单、实时性强、精度高等优势，正逐步成为国内外学者们的研究热点：在 1992 年 HURTEAUR 等11就提出了利用工业相机与人工视觉组成光学探测器来测量矿用车辆相对于计划线的位置偏差。DEBEUNNEC等12针对现有的视觉 SLAM、基于 LiDAR 的 SLAM以及视觉LiDAR 融合技术进行了全面阐述；ZHANG等13提出了一种基于视觉 SLAM 的掘进机机身姿态估计方法，利用 RGB-D 相机采集机身周围环境数据，基于 RANSAC+ICP 模型来对掘进机位姿测量模型进行优化，以实现姿态测量功能。张凯14采用单目视觉测量技术，通过识别相邻图像帧中的顶板特征，结合图像匹配与 PNP 算法求解出掘进机位姿参数；张旭辉团队15-16利用单目视觉测量原理和激光点线特征构建了掘进机位姿解算模型，通过工业相机采集激光光斑与激光束图像进而解算掘进机位姿，提高了位姿解算精度，并通过选用合适的数学模型有效解决了机身轨迹跟踪控制问题；杜雨馨等17利用机器视觉对悬臂第4期黄喆等：基于双屏视觉标靶的掘锚机机身位姿测量技术1815式掘进机机身位姿进行检测，以十字激光器为基准，建立位姿解算模型，再经图像处理后解算出掘进机位姿参数。YANG 等18针对惯性导航系统的局限性，采用了单目视觉测量技术与捷联惯导相结合的方式，通过工业相机拍摄光斑图像来获取掘进机的位置信息，同时结合 INS 来对掘进机的实时方位角进行测量，实现了掘进机机身五自由度空间位姿的测量。然而，受煤矿井下各种复杂因素的影响，上述方法的测量性能与可靠性还待进一步研究。基于以上研究背景，为克服掘锚机机身定位难题，进一步提高位姿测量精度，提出一种基于双屏视觉标靶的掘锚机导向方法，通过双轴倾角仪辅助视觉成像，再融合高精度栅格标定等技术，实现了掘锚机机身位姿的高精度测量，并解算出机身关键点相对于巷道计划线的横向/纵向偏差，进而实现掘锚机导向。该导向方法涉及的所有的光学测量功能均在双屏视觉标靶内部实现，降低了恶劣的巷道环境对视觉测量的影响，大幅度提升了现场应用时的抗粉尘干扰能力。与 iGPS 等测量方式相比，该导向方法结构简单、所需测量通道较小，仅需一束指示激光即可完成掘进导向，且不必考虑频繁搬站的问题。相比于当前应用较为普遍的惯性导航技术，该方法具有精度高、成本低、能够实现长时间连续测量的优点；同时，掘进现场断电现象较为频繁，惯性导航系统在通电使用前均需 2030min 的初始对准时间，而该导向方法则无需考虑该问题，能有效提升巷道掘进工作效率。1算法1.1双屏视觉标靶测量原理为实现掘锚机定向导航，保证巷道掘进精度，首先需对系统坐标系进行定义。图 1 为基于双屏视觉标靶的掘锚机导向系统结构。双屏视觉标靶掘锚机机身轴线指示激光掘进方向机身中心点矿用激光指示仪l机尾巷道设计轴线机首ZJXJYJOJXBZBYBOBOHXHYHZH图1坐标系构建示意Fig.1SchematicofcoordinatessystemconstructionOJXJYJZJOJYJOJXJOJYJOJZJOBXBYBZBOXYZOHXHYHZHhzv用一刚性长方体模拟掘锚机机身19，以其机身中心为原点，建立机身坐标系：轴平行于掘锚机机身轴线，掘进方向为正向；轴垂直于轴，方向水平向右；轴垂直于机身轴线，方向竖直向上。以双屏视觉标靶前屏中心为原点建立标靶坐标系。机身坐标系与标靶坐标系为同一刚体坐标系，且服从右手定则。在地测站确定巷道掘进方向后，先利用全站仪打出指示激光，使其与巷道计划线平行；此时可获得指示激光在全站仪坐标系(左手系)下的水平角与垂直角。再通过吊棉线的方式(在全站仪发射的激光光线上吊棉线，并撤去全站仪，使矿用激光指示仪发射的指示激光穿过所有棉线)，将全站仪更换为矿用激光指示仪，并在矿用激光指示仪位置建立工程坐标系(右手系，XH、YH、ZH轴分别对应全站仪坐标系的 Y、X、Z 轴)，则指示激光在工程坐标系下的水平角与垂直角 为已知量。OHXHYHZH为使掘锚机按照巷道计划线的方向掘进，通常情况下需对工程坐标系中掘锚机机身的六自由度空间位姿进行测量，进而求得机身关键点(机首、机身中心、机尾三点)相对于巷道设计轴线的实时横向/纵向偏差。而根据双屏视觉标靶的结构特性，当指示激光射向标靶并在前、后靶面上形成光斑后，以前屏实时光斑质心为原点建立测量坐标系(该坐标系方向与工程坐标系方向相同)，即可在该坐标系下解算出掘锚机机身关键点相对于巷道设计轴线的横向/纵向偏差，而无需进行标靶坐标系、工程坐标系间平移变换。OJOJOHJ机身关键点在机身坐标系下的空间坐标可通过始发零位测量标定获得，且机身中心点为该坐标系原点。因此，仅需求得点在测量坐标系下的空间坐标，即可实现所有机身关键点横向/纵向偏差测量。通过坐标变换链的方式，对机身坐标系、标靶坐标系和测量坐标系进行一系列坐标变换20，则空间坐1816煤炭学报2023年第48卷OHJ标的数学表达式可写为OHJ=RHB(RBJOJJ+TBJ)+TB(1)RBJTBJTBRHBOHJRBJTBJTBTBfRHB由式(1)可知：需先求得中间变量、，才能解算出三维空间坐标。掘锚机机身与双屏视觉标靶处于同一刚体结构中，通过在始发零位进行测量标定，即可获得机身关键点与双屏视觉标靶的空间结构关系，进而解算出机身坐标系与标靶坐标系间的旋转矩阵与平移矩阵21-22。平移矩阵的元素由标靶坐标系下前屏光斑质心的空间坐标构成；为标靶坐标系与测量坐标系间的旋转矩阵，上述 2 个变量可通过标靶姿态解算的方式获得。1.2姿态测量OHJ根据双屏视觉标靶的结构特性，利用视觉测量、高精度栅格标定等技术建立点的 2D-3D 映射关系，再通过栅格索引的方式获取靶面光斑的实时空间坐标，最后根据坐标变换、欧拉角解算等原理，结合双轴倾角仪即可解算出机身中心点在测量坐标系下的空间坐标，实现掘锚机机身位姿和机身关键点的横向/纵向偏差测量。1.2.1双屏视觉标靶结构图 2 即 为 双 屏 视 觉 标 靶，透 明 感 光 成 像 屏(前屏)和黑色磨砂感光成像屏(后屏)被竖直安装在双屏视觉标靶支架上，组成标靶靶面，2 个工业相机分别用于拍摄前、后屏光斑图像，且相机与靶面夹角约为 27。双轴倾角仪固定在双屏视觉标靶底端，用于测量标靶的俯仰角与滚转角。标靶尺寸为 400mm400mm850mm。工业相机前感光成像屏后感光成像屏双轴倾角仪图2双屏视觉标靶结构示意Fig.2Schematicofdual-screenvisualtarget1.2.2标靶姿态解算RHBTB根据 1.2.1 节所述，需利用标靶姿态解算算法对旋转矩阵和平移矩阵进行求解，进而获得掘锚机机身的实时位姿。标靶姿态解算流程如下：全站仪每隔一定的时间在双屏视觉标靶感光屏上标定一个点，并测量其空间坐标；同时以该点为基准建立栅格，对栅格角点的空间坐标进行测量。重复上述步骤，直至将标靶靶面划分为 5050 的栅格阵列，最终完成栅格标定23。利用坐标变换的方式，将全站仪测得的栅格角点的空间坐标转换到标靶坐标系下。标定过程中工业相机用于抓取感光屏上出现的光斑，经过图像处理、区域分割、质心提取等，获得光斑质心的图像坐标(U，V)24-26。将上述方法测得的每个栅格角点的图像坐标与三维空间坐标联立，建立 2D-3D 映射关系，形成坐标点云数据。考虑到前感光屏为透明材质，在对其进行标定时可用一张黑色磨砂膜将其覆盖。由全站仪技术参数可知，栅格角点的空间坐标测量精度为 2mm+2106D，D 为实测距离。图 3 即为栅格标定原理。全站仪双屏视觉标靶工业相机激光光斑指示激光(0,0)UV图3栅格标定原理Fig.3Gridcalibrationprinciple图 4 为栅格索引原理。基于上述标定结果，当指示激光射向标靶靶面后，根据所获得的光斑质心的图像坐标(U0，V0)即可确定出光斑质心所在栅格阵列中4 个角点的位置，再根据点的 2D-3D 映射关系索引出4 个栅格角点的空间坐标，最终获得光斑质心在标靶坐标系下的实时空间坐标27。图中 row、col 分别代表栅格角点所在的行数、列数，用于索引相应的 3D空间坐标。TBfTBb通过上述方法解算出的前、后感光屏上光斑质心在标靶坐标系下的实时空间坐标、为(0,0)UV(row，col)(row，col-1)(row-1，col)(row-1，col-1)(U0,V0)图4栅格索引原理示意Fig.4Schematicdiagramofgridindexingprinciple第4期黄喆等：基于双屏视觉标靶的掘锚机机身位姿测量技术1817TBf=(XB1,YB1,ZB1)TBb=(XB2,YB2,ZB2)(2)TB则平移矩阵可表示为TB=XB1YB1ZB1T(3)lB指示激光在标靶坐标系下的单位方向向量 可表示为lB=TBbTBf?TBbTBf?(4)hzvHhzHv根据 1.1 节可知：测量坐标系与工程坐标系方向相同，且指示激光在工程坐标系下的水平角与垂直角为已知量，则测量坐标系下指示激光的水平角与垂直角为Hhz=hzHv=v(5)OHlOHOHlOHl(XHl,YHl,ZHl)如图 5 所示，在测量坐标系下，取指示激光直线上一点，使得向量模长为 1，则点的三维空间坐标可表示为XHl=cos(Hv)sin(Hhz)YHl=cos(Hv)cos(Hhz)ZHl=sin(Hv)(6)lH指示激光在测量坐标系下的单位方向向量可表示为lH=OHlOH?OHlOH?(7)lBlH根据坐标变换原理可知单位方向向量 与之间的转换关系式为lB=RBHlH(8)RBH的数学表达式为RBH=RByRBxRBz(9)RBxRByRBz式(9)中的旋转矩阵、分别由双屏视觉标靶的实时俯仰角、滚转角 和偏航角 决定，即为RBx=1000cos sin 0sin cos(10)RBy=cos 0sin 010sin 0cos(11)RBz=cos sin 0sin cos 0001(12)联立式(9)(12)，可将式(8)表示为lB=cos cos sin sin sin cos sin+sin sin cos cos sin cos sin cos cos sin sin cos+sin cos sin sin sin sin cos cos cos cos lH(13)RBz实时俯仰角、滚转角 可由标靶结构中的双轴倾角仪解算得出，将其代入式(13)，即可求得标靶的实时偏航角，进而解算出旋转矩阵28。最后，标靶坐标系与测量坐标系间的旋转矩阵可表示为RHB=(RBH)1(14)TBRHBRBJTBJTBRHBOJOHJ综上所述，平移矩阵可由栅格标定、索引方式求得，旋转矩阵可通过坐标变换与欧拉角计算式求得。将、代入式(1)，即可知掘锚机机身中心点在测量坐标系下的实时空间坐标。1.3横向/纵向偏差测量OHJOHJ在解算出实时空间坐标后，根据点与直线的相对位置关系，可获得掘锚机机身中心点到巷道设计轴线的最短距离，即为横向/纵向偏差。OHXHYHZHAAAAAEAF测量原理如图 6 所示。以测量坐标系为基准建立巷道水平面与垂直面。直线 L 为矿用激光指示仪发射的指示激光，用于模拟巷道计划线，点 A 代表掘锚机机身中心点，L1、L2、分别代表直线 L 与点 A 在水平面与垂直面的投影线(点)。分别过点、向直线 L1、L2做垂线，交点记为 E、F。按照本文的偏差定义可知，、即为机身中心点相对于巷道计划线的横向、纵向偏差。HhzHvRHzRHx已知入射激光在测量坐标系下的水平角与垂直角，可求得其在测量坐标系下的横向旋转矩阵与纵向旋转矩阵29：RHz=cosHhzsinHhz0sinHhzcosHhz0001(15)OHXHYHZHHOlHvHhz图5单位方向向量计算模型Fig.5Computationmodelofunitdirectionvector1818煤炭学报2023年第48卷RHx=1000cosHvsinHv0sinHvcosHv(16)SHhzSHv根据式(15)、(16)即可求得在测量坐标系下掘锚机机身中心点相对于巷道设计轴线的横向/纵向偏差和为SHhz=RHzOHJSHv=RHxOHJ(17)1.4脱靶分析针对掘锚机在工作过程中因机身横向偏差过大而导致双屏视觉标靶脱靶的问题，进行如下分析。l图 7 为双屏视觉标靶俯视。已知标靶尺寸为400mm 400mm 850mm。AB、CD 分别代表双屏视觉标靶前、后感光屏，点 P 为矩形 ABCD 对角线的交点。假设在初始时刻，指示激光 与标靶轴线重合。规定顺时针旋转为正方向。(a)(b)850400lPBACDABCDPx850400BACDPlABCD25.2图7脱靶分析模型Fig.7Analysismodelofoff-targetPP|x|设为标靶的横向偏差，为标靶的可旋转|x|角度。根据几何关系可求得横向偏差与旋转角度之间的函数关系式为=arccos(|x|220 625)+arctan(817)90(18)其函数图像如图 8 所示。5010015020005101520253025.2可旋转角度/()横向偏差|x|/mm图8横向偏差旋转角度范围关系Fig.8Diagrambetweenhorizontaldeviationandtherangeofrotationangle|x|=0当时(即不出现横向偏差，如图 7(a)所示)，由图 8 可知，标靶的最大可旋转角度为25.2，在此范围内无需考虑脱靶问题。|x|,0|x|当时(即标靶出现横向偏差，如图 7(b)所示)，根据图 8 可知：随着横向偏差逐渐增大，在确保不脱靶的情况下，标靶可旋转的角度逐渐减小。对于因纵向偏差而导致脱靶的可能性分析可通过类比获得。在掘锚机掘进过程中，机身前进速度缓慢，且该导向方法的目的是对掘锚机机身位姿与机身关键点的横向/纵向偏差进行测量，进而为机身偏差纠正提供数据支撑。当掘锚机机身相对于巷道设计轴线的横向/纵向偏差过大时，工作人员应及时调整掘进路线，以保证现场施工精度，同时降低双屏视觉标靶的脱靶概率。2实验结果与分析为对该导向方法的有效性进行验证，本文设计了偏航角精度评定实验和横向/纵向偏差测量精度评定实验。表 1 为实验过程中使用的硬件设备技术参数。2.1偏航角精度评定实验搭建如图 9 所示的实验平台，对系统偏航角的重复性测量精度与绝对测量精度进行评定。实验过程中使用的硬件设备包括双屏视觉标靶、高精度一维转台和全站仪。将双屏视觉标靶固定在高精度一维转台上，形成稳定的刚体结构(此处无需考虑一维转台与双屏视觉LL1L2水平面垂直面EFAAAOHXHYHZHOHXHYHZH图6横向/纵向偏差测量原理Fig.6Principleofhorizontal/verticaldeviationmeasurement第4期黄喆等：基于双屏视觉标靶的掘锚机机身位姿测量技术1819标靶的初始配准问题，无论一维转台与标靶的旋转中心是否重合，2 者的旋转角度均保持一致)。全站仪置于标靶后方直线距离约 9m 处。实验过程中，为精确评定双屏视觉标靶偏航角的测量精度，分别调整一维转台与全站仪底部的调平旋钮，将 2 者调至同一水平状态；同时结合标靶底部的双轴倾角仪以消除在实验过程中俯仰角与滚转角对测量结果的影响。2.1.1光斑质心提取稳定性分析光斑质心提取是影响偏航角测量精度的重要因素。在对偏航角精度进行评定前，应先设计实验对光斑质心提取稳定性进行分析。如图 9 所示，一维转台保持静置，指示激光射向靶面，利用工业相机连续采集 200 组光斑图像，经过图像处理、区域分割、质心提取等步骤后，即可获得光斑质心在图像坐标系下的坐标(U，V)。实验数据如图 10 所示。图 10 分别为实验采集的光斑质心图像坐标的 U、V 轴数据。经统计分析可知：U、V 坐标的峰峰值分别为 0.27、0.39px；平均值分别为 610.18、427.29px；标准差分别为 0.05、0.14px。综上所述，光斑质心提取不确定度小于 0.5px，能够满足现场施工要求。2.1.2偏航角重复性测量精度评定实验设计该实验以评定偏航角重复性测量精度。如图 9 所示，高精度一维转台保持静置，工业相机采集光斑图像，利用标靶姿态解算算法对偏航角进行 500次重复测量，实验结果如图 11 所示。0.0100.0080.0060.0040.00200.0020.0040.0060.0080.0100100200300400500偏航角相对精度/()实验次数图11偏航角重复性测量精度评定实验结果Fig.11Experimentalresultsofevaluationforyawanglerepeatabilitymeasurementaccuracy分析数据可知，偏航角重复性测量误差峰峰值为0.0158，均值为 0.000644，标准差为 0.00463。实验结果表明，该导向方法的偏航角重复性测量精度优于 0.01。2.1.3偏航角绝对测量精度评定实验设计该实验以评定偏航角绝对测量精度。如图 9表 1 技术参数Table 1 Technical parameter设备技术参数双轴倾角仪测角精度：0.01测角分辨率：0.0001高精度一维转台精度：2工业相机型号：BaslerAca1300-60gm分辨率：1280px1024px像素尺寸：5.3m5.3m全站仪型号：LeicaTS12测量精度(无棱镜模式)：2mm+2106D测角精度：2分辨率：0.1mm矿用激光指示仪型号：徐州天文YBJ-1000功率：10mW指示激光全站仪一维转台双屏视觉标靶图9偏航角精度评定实验平台Fig.9Experimentplatformofyawangleaccuracyevaluation(a)光斑质心点图像坐标 U 轴数据610.00610.05610.10610.15610.20610.25610.35610.30020406080100 120 140 160 180 200图像坐标 U/px实验次数(b)光斑质心点图像坐标 V 轴数据020406080100 120 140 160 180 200实验次数427.05427.10427.15427.20427.25427.30427.35427.40427.45427.50427.55图像坐标 V/px图10光斑质心图像坐标Fig.10Imagecoordinatesofspotcentroid1820煤炭学报2023年第48卷所示，当指示激光在标靶前后感光屏上形成光斑后，调整一维转台的转动角度，作为标靶的偏航角变动实际值，同时将其与导向系统解算出的偏航角变动测量值作差，即可获得标靶偏航角的绝对测量精度。图 12 为获得的实验数据，分析可知：偏航角绝对测量误差峰峰值为 0.092，均值为0.004，标准差为0.016。综上所述，该方法的偏航角绝对测量误差小于 0.05，能够满足现场施工要求30-31。0.050.040.030.020.0100.010.020.030.040.0520 16 1284048121620偏航角相对精度/()一维转台转动角度/()图12偏航角绝对测量精度评定实验结果Fig.12Experimentalresultsofevaluationforyawangleabsolutemeasurementaccuracy2.2横向/纵向偏差测量精度评定实验为进一步验证该导向方法的可行性，设计了横向/纵向偏差测量精度评定实验。实验中使用的设备有：双屏视觉标靶、全站仪、矿用激光指示仪、棱镜、测试工装。搭建的实验平台如图 13 所示。双屏视觉标靶、棱镜、测试工装形成稳定的刚体结构，用于模拟掘锚机机身，2 块棱镜分别用于模拟掘锚机机身中心与机尾。通过模拟掘锚机始发零位的方式，用全站仪对关键数据进行测量。实验开始后，先利用全站仪设置计划线，同时模拟掘锚机向前推进 1540m，并将全站仪测得的实际偏差值与导向系统的测量结果进行对比，获得横向/纵向偏差绝对测量精度；实验结束后，再通过吊棉线的方式(如图 13 所示，在全站仪发射的激光光线上吊棉线，并撤去全站仪，使矿用激光指示仪发射的指示激光穿过所有棉线)将计划线激光更换为矿用激光指示仪，以模拟现场环境，重复上述步骤，最终完成横向/纵向偏差测量精度评定实验。(T0,T1,T2)(T0,T1,T2)(T0,T1,T2)表 2 为 实 验 测 得 的 数 据。其 中、分别代表导向系统与全站仪测得的机首、机身中心、机尾三点相对于计划线的偏差测量值与实际值，则表示测量误差。机首坐标可通过机身中心与机尾 2 点求得。棱镜指示激光双屏视觉标靶棉线图13横向/纵向偏差测量精度评定实验环境Fig.13Experimentalenvironmentofevaluationforhorizontal/verticaldeviationmeasurementaccuracy分析数据可知：在实验室环境下，以全站仪指示激光为基准，测试距离为 15、40m 时该导向方法的横向/纵向偏差测量误差分别小于 2、5mm；以矿用激光指示仪发射的激光为基准，测试距离为 15、40m 时的横向/纵向偏差测量误差分别小于 6、15mm；均能满足巷道施工的精度要求30-31。在实验过程中，指示激光强度会随测试距离的增大而逐渐衰减，导致相机获取的光斑图像逐渐模糊，进而影响系统的纵向测量距离。因此，若要实现更大范围的高精度测量，则需进一步增强指示激光的能量强度和稳定性。2.3误差分析由测量原理可知，该导向方法能够实现掘锚机位姿测量，是通过双屏视觉标靶栅格标定以及姿态解算获得的。而在此过程中，影响系统测量精度的主要因素有：光斑质心提取误差、全站仪坐标测量误差、坐标系间转换误差、双轴倾角仪测量误差、光矢量解算误差等。(1)光斑质心提取误差。该导向系统采用 BaslerAca1300-60gm 型 工 业 相 机，分 辨 率 为 1 280 px第4期黄喆等：基于双屏视觉标靶的掘锚机机身位姿测量技术18211024px。由光斑质心提取实验可知，光斑质心提取不确定度小于 0.5px。(2)全站仪坐标测量误差。实验过程中采用了LeicaTS12 型全站仪，无棱镜模式下测量精度为 2mm+2106D，分辨率为 0.1mm。(3)坐标系间转换误差。测量过程中存在多次坐标变换。经实验验证，坐标系转换误差约为 0.01mm。(4)双轴倾角仪测量误差：考虑到测量过程中振动对加速度传感器的影响，采用抗振倾角仪，其两轴测角精度0.01，测角分辨率为 0.0001。(5)光矢量解算误差：系统在对光矢量进行解算时存在一定误差。根据实验可知，光矢量解算精度约为0.01。在栅格标定过程中，光斑质心提取误差、全站仪坐标测量误差、坐标系转换误差会对光斑质心的空间坐标测量精度造成影响；而在下一步的姿态解算过程中，又因双轴倾角仪测量误差、光矢量解算误差因素的影响，最终影响标靶偏航角的测量精度。通过引入误差源进行分析，并结合上述实验结果可知：偏航角重复性测量精度优于 0.01、绝对测量误差小于 0.05，上述误差源对系统测量精度影响较小。此外，该方法还可通过后续优化进一步减小系统误差：采用精度更高的工业相机来获取光斑图像，同时对系统算法进行优化，以减小光斑质心提取误差；采用更高精度的全站仪来进行栅格标定，以减小全站仪坐标测量误差；进一步优化倾角仪的抗振性能，增强其稳定性和可靠性，同时结合双轴倾角仪角度测量值建立误差补偿矩阵，以对姿态参数进行校正，进而减小倾角仪的测量误差。2.4现场应用基于本方法研发的掘锚一体机自动导向系统已成功应用于鄂尔多斯市龙王沟煤矿 61607 辅运回采巷道项目并完成始发。该项目位于地下深层 400m，巷道总长约 2000m，掘锚机编号为 ABM20-063。在现场应用过程中，采用了本安型防爆技术对电气设备结构进行设计，同时在标靶外部增加防护罩，以提高表 2 横向/纵向偏差绝对测量精度评定实验数据Table 2 Experimental data of evaluation for horizontal/vertical deviation absolute measurement accuracy偏差基准线测量距离/m(T0,T1,T2)/mm(T0,T1,T2)/mm(T0,T1,T2)/mm横向全站仪15(23.8，17.5，22.6)(24.5，16.9，23.8)(0.7，0.6，1.2)(29.6，31.2，23.8)(30.5，33.0，23.1)(0.9，1.8，0.7)40(29.2，20.8，15.1)(28.7，18.6，17.8)(0.5，2.2，2.7)(32.1，101.5，114.6)(30.5，97.6，113.5)(1.6，3.9，1.1)(