張旭輝，張楷鑫，張超，楊文娟，杜昱陽(yáng)，謝楠，周創(chuàng)

（1.西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安710054；2.陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710054）

國(guó)際煤炭領(lǐng)域的熱門研究，懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為廣泛使用的采掘裝備占有重要地位。掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿檢測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能化與無(wú)人化的關(guān)鍵，位姿測(cè)量精度是檢測(cè)技術(shù)的前提[1-5]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)針對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿檢測(cè)精度評(píng)價(jià)方法都進(jìn)行了相應(yīng)的研究。符世琛等[6-7]提出一種基于超寬帶測(cè)距技術(shù)的機(jī)身位姿檢測(cè)方法，利用3個(gè)機(jī)身定位點(diǎn)在基站群中的三維坐標(biāo)來(lái)得到機(jī)身定位點(diǎn)的位姿，針對(duì)超寬帶測(cè)距技術(shù)進(jìn)行測(cè)量誤差實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，但未對(duì)機(jī)身定位點(diǎn)相對(duì)于機(jī)身的外參標(biāo)定進(jìn)行研究。朱信平等[8]介紹了一種基于全站儀的機(jī)身位姿測(cè)量系統(tǒng)，得到棱鏡坐標(biāo)系與全站儀坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系，未研究棱鏡相對(duì)于機(jī)身和全站儀相對(duì)于巷道之間的外參標(biāo)定，其精度誤差較大且沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。陶云飛等[9-10]提出基于iGPS的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿測(cè)量方法，利用巷道頂板上的1套單站式測(cè)量平臺(tái)和機(jī)身上3個(gè)機(jī)載接收器進(jìn)行位姿檢測(cè)，利用基于激光跟蹤儀的位姿檢測(cè)對(duì)其精度進(jìn)行驗(yàn)證，但未考慮測(cè)量平臺(tái)在巷道坐標(biāo)系中的外參標(biāo)定誤差，評(píng)價(jià)方法精度難以保證。陳慎金等[11]在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿激光測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出全站儀自主標(biāo)定策略，對(duì)不同距離下的位姿測(cè)量誤差進(jìn)行仿真分析，理論上實(shí)現(xiàn)了對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿測(cè)量精度的要求，但未解決系統(tǒng)外參標(biāo)定的問題，導(dǎo)致其誤差隨著標(biāo)定距離的增大而增大；Hargrave等[12]搭建了一種基于雷達(dá)傳感器的井下設(shè)備定位系統(tǒng)獲得井下設(shè)備位姿信息，但并未考慮雷達(dá)傳感器在巷道中的位姿從而加大了系統(tǒng)誤差。到目前為止，國(guó)內(nèi)外針對(duì)煤巷懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿檢測(cè)、自主定位方法展開了許多研究，但由于掘進(jìn)巷道工況環(huán)境復(fù)雜、惡劣，易對(duì)位姿測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，很少有系統(tǒng)外參標(biāo)定方法的研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。張旭輝團(tuán)隊(duì)[13-16]提出一種懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭與機(jī)身視覺測(cè)量系統(tǒng)，利用Vicon 對(duì)截割頭進(jìn)行系統(tǒng)系統(tǒng)標(biāo)定，精度達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。但由于Vicon 系統(tǒng)只適合小范圍的系統(tǒng)外參標(biāo)定，并不能適用于機(jī)身外參標(biāo)定，故機(jī)身系統(tǒng)外參標(biāo)定結(jié)果主要靠人工測(cè)量與傾角傳感器進(jìn)行獲取，降低了視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)精度。

因此，本文提出一種懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)的外參標(biāo)定方法。針對(duì)視覺測(cè)量系統(tǒng)存在的外參標(biāo)定誤差，提出基于全站儀測(cè)量系統(tǒng)的外參標(biāo)定方法，并對(duì)全站儀的位姿檢測(cè)方法進(jìn)行研究，從而保證該標(biāo)定方法的可靠性。與現(xiàn)有外參標(biāo)定方法相比，該方法適用場(chǎng)合廣，安裝要求低，適宜于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿檢測(cè)系統(tǒng)的外參標(biāo)定。

1 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)及誤差分析

1.1 機(jī)身視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的位姿檢測(cè)就是獲得機(jī)身在巷道坐標(biāo)系中的位置。視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)由圖1所示，通過機(jī)身上的防爆相機(jī)采集激光指向儀的兩個(gè)激光光斑，將兩個(gè)激光光斑、光斑之間的直線與激光線簡(jiǎn)化為兩點(diǎn)三線特征，通過視覺測(cè)量方法計(jì)算出相機(jī)相對(duì)于激光指向儀下的位姿關(guān)系，然后通過建立的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)解算模型，解算出懸臂式掘進(jìn)機(jī)在巷道坐標(biāo)系中的位姿。

圖1 視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)

1.2 誤差來(lái)源分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)視覺位姿檢測(cè)方法是根據(jù)視覺測(cè)量模型與矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系得到掘進(jìn)機(jī)機(jī)身在巷道中的位姿關(guān)系，矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。

圖2 矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系

設(shè)巷道坐標(biāo)系與機(jī)身坐標(biāo)系之間的齊次變換矩陣為haT；巷道坐標(biāo)系與激光測(cè)量坐標(biāo)系之間的齊次變換矩陣為由兩點(diǎn)三線特征來(lái)確定激光測(cè)量坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系之間的齊次變換矩陣dcT。根據(jù)空間矩陣變換可得

防爆相機(jī)外參不能直接測(cè)量得到，通過調(diào)試保證機(jī)身、激光指向儀和巷道平行，人工多次測(cè)量得到機(jī)身與激光指向儀在巷道中的位置平均值，并結(jié)合視覺測(cè)量結(jié)果dcT 得到相機(jī)外參矩陣acT。根據(jù)已經(jīng)得到的相機(jī)外參與矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系實(shí)時(shí)得到掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿。

從測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與位姿解算方法分析可知，視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)誤差主要來(lái)源于視覺測(cè)量誤差與系統(tǒng)外參標(biāo)定誤差，其中視覺測(cè)量誤差由特征提取方法決定，系統(tǒng)外參標(biāo)定誤差由相機(jī)外參標(biāo)定、機(jī)身與激光指向儀相對(duì)于巷道的測(cè)量誤差導(dǎo)致。

1.3 誤差處理方法

針對(duì)系統(tǒng)外參標(biāo)定誤差對(duì)視覺測(cè)量系統(tǒng)精度的影響，利用全站儀測(cè)量結(jié)果與坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣對(duì)視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行外參標(biāo)定。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換原理圖如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換原理

設(shè)巷道坐標(biāo)系與全站儀坐標(biāo)系之間的其次變換矩陣為hoT，全站儀坐標(biāo)系與機(jī)身坐標(biāo)系之間的齊次變換矩陣為oaT，全站儀坐標(biāo)系與激光指向儀坐標(biāo)系之間的齊次變換矩陣為odT；根據(jù)空間矩陣變換得：

全站儀坐標(biāo)系與巷道坐標(biāo)系重合，故其之間的齊次變換矩陣hoT為1，全站儀坐標(biāo)系與機(jī)身坐標(biāo)系、激光指向儀坐標(biāo)系之間變換矩陣由全站儀位姿檢測(cè)方法得到。故全站儀坐標(biāo)系與機(jī)身坐標(biāo)系、激光指向儀坐標(biāo)系之間的變換矩陣即為巷道坐標(biāo)系與機(jī)身坐標(biāo)系、激光指向儀坐標(biāo)系之間的變換矩陣。并根據(jù)式（1）視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)中的空間矩陣變換關(guān)系得到相機(jī)外參矩陣。

該誤差處理方法主要是利用全站儀對(duì)視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)外參進(jìn)行高精度標(biāo)定，避免了人工測(cè)量誤差與相機(jī)外參標(biāo)定誤差對(duì)視覺檢測(cè)系統(tǒng)精度的影響。因此建立基于全站儀的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿檢測(cè)系統(tǒng)成為提高視覺精度的關(guān)鍵。

2 掘進(jìn)機(jī)機(jī)身視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)外參標(biāo)定方案

懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)外參標(biāo)定方案如圖4所示，包括懸臂式掘進(jìn)機(jī)模型、防爆工業(yè)相機(jī)、全站儀、3個(gè)全方位棱鏡和兩個(gè)激光指向儀。將防爆相機(jī)固定于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身平面且方向與巷道掘進(jìn)方向相反，使用錨桿將兩個(gè)激光指向儀固定于煤層頂部，并通過特定的加持裝置保證其平行，在掘進(jìn)機(jī)工況過程中保證相機(jī)實(shí)時(shí)可以拍到激光光斑與激光光束。全站儀位于機(jī)身后側(cè)，確保其安全性。將棱鏡A 安裝在機(jī)身中心（回轉(zhuǎn)臺(tái)中心）,棱鏡B與棱鏡C分別安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身中軸線兩側(cè)，保證和棱鏡A 在機(jī)身同一個(gè)水平面，以棱鏡A為圓點(diǎn)Oa建 立機(jī)身坐標(biāo)系OaXaYaZa。設(shè)巷道坐標(biāo)系OhXhYhZh與 全站儀坐標(biāo)系OoXoYoZo重合且為大地絕對(duì)坐標(biāo)系；

圖4 視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)外參標(biāo)定方案

該外參標(biāo)定方案主要由視覺測(cè)量系統(tǒng)與全站儀測(cè)量系統(tǒng)組成，首先通過全站儀測(cè)量原理得到掘進(jìn)機(jī)機(jī)身3個(gè)360°棱鏡的三維坐標(biāo)；然后利用全站儀機(jī)身位姿解算方法得到全站儀與機(jī)身、激光指向儀之間的空間變換矩陣，實(shí)現(xiàn)視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)的外參標(biāo)定；最后分別將全站儀與人工測(cè)量得到的系統(tǒng)外參標(biāo)定結(jié)果代入視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)，將得到的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身在巷道中的位姿進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證基于全站儀系統(tǒng)外參標(biāo)定方法的準(zhǔn)確性與可靠性。其中保證基于全站儀外參標(biāo)定方法的精度是視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)的前提。

3 全站儀外參標(biāo)定方法與精度分析

研究全站儀位姿檢測(cè)方法，并對(duì)其進(jìn)行精度分析，保證系統(tǒng)外參標(biāo)定方法的精度。本文采用全站儀外參標(biāo)定方法對(duì)機(jī)身與巷道、激光指向儀與巷道之間的外參進(jìn)行標(biāo)定。通過全站儀測(cè)量激光指向儀兩個(gè)光斑與其不共線外一點(diǎn)的三維信息，通過位姿解算模型得到全站儀坐標(biāo)系與激光指向儀坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系。以機(jī)身為例，分析位姿解算模型精度，最后驗(yàn)證全站儀外參標(biāo)定方法的可靠性。

3.1 機(jī)身位姿測(cè)量

在剛體上建立剛體坐標(biāo)系OaXaYaZa， 另外在剛體之外建立一個(gè)全站儀坐標(biāo)系OoXoYoZo，如圖5所示。將機(jī)身上的3個(gè)棱鏡A、B、C確定為機(jī)身平面，用于反射全站儀發(fā)射的電磁波，構(gòu)成全站儀測(cè)量系統(tǒng)的3個(gè)特征點(diǎn)[17-18]。通過全站儀采集棱鏡A的三維坐標(biāo)作為掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位置信息；機(jī)身的姿態(tài)測(cè)量采用平面與向量之間的角度關(guān)系進(jìn)行解算，通過計(jì)算機(jī)身平面下的機(jī)體坐標(biāo)系與全站儀坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度，來(lái)確定掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際工況中的姿態(tài)，包括掘進(jìn)機(jī)機(jī)身在全站儀坐標(biāo)系下的偏航角α、俯仰角 β和橫滾角γ。

圖5 機(jī)身姿態(tài)檢測(cè)模型

根據(jù)棱鏡B與C在全站儀坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)B(xB,yB,zB)、C(xC,yC,zC)，計(jì)算出棱鏡B與C在空間坐標(biāo)系下的中點(diǎn) Oa為：

按照機(jī)體坐標(biāo)系的方向，中點(diǎn)坐標(biāo)(xa,ya,za)指向棱鏡A(xA,yA,zA) 形成向量 OaYa(xaA,yaA,zaA)，中點(diǎn)坐標(biāo)(xa,ya,za)指 向棱鏡B(xB,yB,zB)形成向量OaXa(xaB,yaB,zaB)。設(shè)垂直于XOY 面的向量OaZa為( x1,y2,z3)，由于坐標(biāo)系特性，向量OaZa與 OaYa、OaXa兩兩正交，故可以列出：

其中向量OaYa、OaXa的坐標(biāo)已知，令x1=0，則YOZ 平面上的向量即為法向量OaZa。用向量OaXa、OaYa、OaZa代表全站儀坐標(biāo)系下機(jī)體XYZ 坐標(biāo)軸，用向量OoXo、OoYo、OoZo代表全站儀坐標(biāo)系的3個(gè)坐標(biāo)軸，機(jī)身姿態(tài)測(cè)量方法如下：

機(jī)體坐標(biāo)系縱軸在全站儀坐標(biāo)系縱軸和橫軸平面內(nèi)的投影與全站儀坐標(biāo)系縱軸夾角為偏航角α（如圖6a）所示），機(jī)體坐標(biāo)系豎軸在全站儀坐標(biāo)系縱軸和豎軸平面內(nèi)的投影與全站儀坐標(biāo)系豎軸夾角為俯仰角β（如圖6b）所示），機(jī)體坐標(biāo)系豎軸在全站儀坐標(biāo)系橫軸和豎軸平面內(nèi)的投影與全站儀坐標(biāo)系豎軸的夾角為橫滾角 γ（如圖6c）所示）。機(jī)身姿態(tài)解算方法為：

圖6 機(jī)身姿態(tài)測(cè)量方法

3.2 精度分析

利用全站儀對(duì)棱鏡的三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于全站儀本身存在測(cè)量誤差I(lǐng)，導(dǎo)致該位姿檢測(cè)方法的精度也有所下降，因此對(duì)外參標(biāo)定方法中全站儀位姿檢測(cè)方法進(jìn)行精度分析[19-20]。本文以掘進(jìn)機(jī)機(jī)身偏航角為例建立如圖7所示全站儀位姿檢測(cè)方法的誤差模型。

圖7航向角誤差模型

圖7 分析了偏航角誤差模型，棱鏡理論值建立的平面坐標(biāo)系為OaXaYa，全站儀實(shí)際測(cè)量得到的棱鏡坐標(biāo)誤差為I ，實(shí)際偏航角的坐標(biāo)軸為O′aYa′。因此所建立的機(jī)身偏航角存在角度誤差 Δα，且滿足：

式中： D 為全站儀與棱鏡群的距離，mm； L為棱鏡B和C中點(diǎn)到棱鏡A的距離，mm。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 全站儀位姿檢測(cè)方法評(píng)價(jià)

本系統(tǒng)對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行位置測(cè)量中，直接采用機(jī)身中心棱鏡A的三維坐標(biāo)。為了評(píng)價(jià)全站儀位姿解算方法下航向角、俯仰角與橫滾角的精確性。搭建了懸臂式掘進(jìn)機(jī)全站儀姿態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖8所示。平臺(tái)由全站儀（索佳iX-1000）、3個(gè)全方位棱鏡、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和計(jì)算機(jī)組成。采取三軸轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)航向角進(jìn)行測(cè)量，并與基于全站儀的定位方法進(jìn)行姿態(tài)評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：

圖8 全站儀位姿檢測(cè)評(píng)價(jià)平臺(tái)

1）將全站儀與三腳架調(diào)平，3個(gè)棱鏡按照搭建系統(tǒng)要求放置于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，保證移動(dòng)過程中位置不會(huì)發(fā)生偏移。

2）通過調(diào)節(jié)按鈕將三軸轉(zhuǎn)臺(tái)分別在航向角、俯仰角與橫滾角3個(gè)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，三軸轉(zhuǎn)臺(tái)在每個(gè)方向一共設(shè)置11個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，且每次轉(zhuǎn)動(dòng)2°。

3）記錄每個(gè)位置下3個(gè)棱鏡的三維坐標(biāo)，最后通過全站儀姿態(tài)解算方法得出每個(gè)位置下機(jī)身的姿態(tài)。

4）對(duì)比相鄰位置間轉(zhuǎn)臺(tái)角度與全站儀解算的變化角度。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將全站儀位姿檢測(cè)評(píng)價(jià)平臺(tái)中測(cè)量所得到的L 、 D代入式（7），得到該全站儀檢測(cè)方法理論誤差 Δα為0.0381°。得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和誤差如下所示。

將測(cè)量得到的由于不能保證三軸轉(zhuǎn)臺(tái)與全站儀在不同水平面完全平行，故擬采取11個(gè)觀測(cè)點(diǎn)之間的變換量評(píng)價(jià)全站儀方法的準(zhǔn)確性。圖9a）、圖9b）、圖9c）分別表示偏航角、俯仰角和橫滾角基于全站儀和三軸轉(zhuǎn)臺(tái)下11 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的10 個(gè)變化量。由圖9d）可知本文使用的全站儀姿態(tài)解算方法在偏航角、俯仰角、橫滾角方向與三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的最大誤差分別在0.06°、0.06°、0.08°之內(nèi)，平均誤差分別為0.0426°、0.0335°、0.0516°。根據(jù)上述分析：本文使用的全站儀姿態(tài)解算方法在3 個(gè)角度下的平均誤差為0.0425°，與理論誤差相符，可以作為視覺評(píng)價(jià)系統(tǒng)的基準(zhǔn)。

圖9 全站儀姿態(tài)測(cè)量結(jié)果誤差

4.2 系統(tǒng)外參標(biāo)定方法精度評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)懸臂式掘進(jìn)機(jī)視覺測(cè)量系統(tǒng)外參標(biāo)定方法精度，建立基于全站儀測(cè)量方法的評(píng)價(jià)平臺(tái)，如圖10所示。平臺(tái)由履帶機(jī)器人、全站儀（索佳 iX-1000）、3個(gè)全方位棱鏡、YHJ-800激光指向儀、防爆工業(yè)相機(jī)（MV_EM510C）、煙霧機(jī)和計(jì)算機(jī)組成。

圖10 系統(tǒng)外參標(biāo)定下視覺位姿測(cè)量精度實(shí)驗(yàn)

將全站儀坐標(biāo)系確定為巷道坐標(biāo)系，使用煙霧機(jī)制造煙霧來(lái)模擬掘進(jìn)巷道環(huán)境。且該系統(tǒng)環(huán)境下，通過式（7）和式（8）可知全站儀姿態(tài)測(cè)量精度理論最大值為0.07142°，也適用于此實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)外參標(biāo)定。首先通過全站儀位姿檢測(cè)方法得到機(jī)身、激光指向儀在全站儀坐標(biāo)系下的位姿，將全站儀系統(tǒng)外參標(biāo)定結(jié)果與人工測(cè)量系統(tǒng)外參標(biāo)定結(jié)果分別代入視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)，并將履帶機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)，兩側(cè)履帶差速運(yùn)動(dòng)將掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行位置變化，側(cè)幫輔助履帶轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行姿態(tài)變化。為了模擬掘進(jìn)機(jī)實(shí)際工況，控制機(jī)器人朝巷道掘進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)20 m，一共采集20組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為了保證其系統(tǒng)的可靠性，在運(yùn)動(dòng)過程中隨機(jī)控制機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使用防爆計(jì)算機(jī)采集3個(gè)棱鏡的三維坐標(biāo)進(jìn)行位姿計(jì)算。最后對(duì)比兩次外參標(biāo)定下機(jī)身在巷道中的位姿，從而驗(yàn)證基于全站儀系統(tǒng)外參標(biāo)定方法的精確性。

表1中列舉了履帶機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由全站儀系統(tǒng)外參標(biāo)定和人工測(cè)量系統(tǒng)外參標(biāo)定下全站儀測(cè)量得到的機(jī)身位姿信息組成。由實(shí)際工況了解到：機(jī)器人在偏航角、與俯仰角方向變化較大，故實(shí)驗(yàn)中偏航角 α、俯仰角β擺動(dòng)角度較大。所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖11所示。

表1 系統(tǒng)外參標(biāo)定方法的機(jī)身位姿部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所述基于全站儀系統(tǒng)外參標(biāo)定方法可以提高懸臂式掘進(jìn)機(jī)視覺位姿測(cè)量精度。圖11a）為兩種系統(tǒng)外參標(biāo)定結(jié)果下全站儀測(cè)量得到的掘進(jìn)機(jī)位置誤差，其中掘進(jìn)機(jī)X 軸方向平均誤差提高了13.073 mm；Y 軸方向平均誤差提高了21.511 mm；Z 軸方向平均誤差提高了18.159 mm。圖11b）為兩種系統(tǒng)外參標(biāo)定結(jié)果下全站儀測(cè)量得到的掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)角角度誤差，其中機(jī)身偏航角角度平均誤差提高了0.225°；俯仰角角度平均誤差提高了0.246°；橫滾角角度平均誤差提高了0.246°。

圖11 機(jī)身位姿測(cè)量結(jié)果誤差

5 結(jié)論

論文分析了懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿視覺測(cè)量系統(tǒng)誤差來(lái)源，并提出一種基于全站儀的系統(tǒng)外參標(biāo)定方法，根據(jù)全站儀機(jī)身位姿解算模型與系統(tǒng)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系，評(píng)價(jià)基于全站儀的系統(tǒng)外參標(biāo)定方法對(duì)機(jī)身視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)的影響。研究獲得以下結(jié)論：

1）掘進(jìn)機(jī)視覺測(cè)量方法的誤差主要來(lái)源于視覺測(cè)量誤差與系統(tǒng)外參標(biāo)定誤差。

2）基于全站儀位姿測(cè)量的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身靜態(tài)定位方法在精度方面滿足驗(yàn)證需求，通過三軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行精度對(duì)比分析表明，其中位置誤差在±3 mm 內(nèi)，姿態(tài)角角度誤差在0.08°內(nèi)。

3）搭建了全站儀與視覺組成的機(jī)身測(cè)量系統(tǒng)，并建立該系統(tǒng)下各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用全站儀位姿檢測(cè)方法評(píng)價(jià)視覺位姿測(cè)量系統(tǒng)中外參標(biāo)定對(duì)其精度的影響息。結(jié)果表明：該外參標(biāo)定方法可以提高視覺位姿檢測(cè)系統(tǒng)的精度，其中X、Y 和Z 方向的位置平均誤差分別提高了13.073 mm、21.511 mm 和18.159 mm，偏航角、俯仰角和姿態(tài)角的角度平均誤差分別提高了0.225°、0.246°和0.246°。