专利名称：：基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法
技术领域：
：本发明涉及一种地下空间高精度定位方法。
背景技术：
：随着电子信息技术的发展，基于位置的服务在人们的生产和生活中扮演着愈加重要的角色，以全球定位系统(GlcAalPositioningSystem,GPS)为代表的室外定位技术已为人们所熟知。而对于无卫星导航信号的室内和地下环境，以射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID)和无线保真技术(WirelessFidelity,Wi-Fi)为代表的新型定位技术，近年来也得到了广泛重视。矿山是国家发展的命脉，矿山安全是全国安全生产工作的重中之重。2008年全国煤矿共发生重特大事故38起，死亡707人，同比起数增加10起、上升35.7%，死亡人数增加134人、上升23.4%，为保障矿工生命安全，即使是面对煤炭和矿石供应紧缺、价格飞涨的局面，国家安监总局对于现有技术条件下难以有效治理的国有矿山，依然严格执行了“压产减人”甚至是“关闭转产”的政策措施。重大矿难频繁、采矿机械化率低、资源回收利用率低导致浪费严重等诸多因素，使中国面临矿产资源短缺，供应乏力的严峻形势，这已经成为制约经济发展的瓶颈，这种状况继续下去，势必对国民经济的可持续发展构成很大威胁。改变“安全”和“生产”之间的矛盾局面，根本的解决方法是发展“地下无人采矿”(Hands-ofTMining)技术。“地下无人采矿”可以极大地提高生产效率并减少安全事故，实现“地下无人采矿”的关键就是研究适合中国矿山特点的采掘设备自动控制系统。采掘设备的自动控制系统包括自主定位和自动调高系统，而采掘设备高速、高精确的自主定位、定向和定姿是实现采掘设备自动控制系统的核心技术和关键问题。建立地下移动目标快速高精度定位技术体系是研制自动采掘运输设备、实施地下无人采矿、解决矿山行业安全生产的技术关键和重要途径，也是保障我国矿产资源可持续发展的必要条件。目前，国内外使用的主流室内和地下定位技术主要可以分为以下几类室内GPS定位技术(IGPQ[1]、红外线定位技术、超声波定位技术[2]、蓝牙技术[3]、无线保真技术(Wi-Fi)、射频识别(RFID)技术W]、ZigBee技术[5]等。针对本发明研究中所涉及的关键技术，发明申请人通过国家知识产权局中外专利数据库服务平台(http://Ww.cnipr.com/)，其专利授权时间为上世纪70年代到2009年9月；欧洲专利局国际授权专利查询系统(http://印.espacenet.com/)，其专利授权时间为上世纪70年代到2009年9月。利用多种关键字组合方式，进行了细致、全面的与本发明主要研究技术相关的国内外授权专利查询，结果介绍与分析如下1、中外专利数据库服务平台(http://www.cnipr.com/)A.以“地下and定位”作为摘要关键词，查询结果为17项，其中发明专利10项，实用新型7项，仅2项与本发明相关。权利要求1.一种基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法，其特征在于，基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法包括以下三个方面内容序列编码图形设计、识别和解码方法；地下三维巷道空间中序列编码图形和三维空间信息获取方法；移动目标位姿参数的联合解算方法。2.根据权利要求1所述的基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法，其特征在于，以所采用的序列编码图形设计、识别和解码方法为基础。3.根据权利要求1所述的基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法，其特征在于，以所采用的地下三维巷道空间中序列编码图形和三维空间信息获取为手段。4.根据权利要求1所述的基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法，其特征在于，以移动目标位姿参数的联合解算为目标。5.一种如权利要求1所述的基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法，对无卫星导航信号的地下空间中移动目标进行高精度定位；其特征在于，包括步骤A)利用激光雷达三维扫描技术，构建地下空间精确三维模型，沿地下巷道空间布设本发明设计的序列编码图像标志牌，并精确测定编码标志牌中心点三维坐标；B)基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位系统初始化，激光雷达开始三维扫描，双相机系统开始采集巷道内部影像，内部测量单元和车轮编码器开始计数；C)分别在激光扫描获取的强度图像和三维数据，以及双相机系统获取的立体像对中，计算编码图形中心与移动目标之间的距离，并对编码图形进行解码，在数据库中查询对应的编码图形的精确位置信息，利用编码图形的精确位置信息，使用后方交汇算法进行反向解算，对移动目标进行粗定位；D)同时将实时获取的井下巷道局部三维模型与事先构建的井下巷道高精度三维模型进行基于特征的快速匹配，最小化定位误差，解算出采掘运输设备的精确位姿参数，实现对地下移动目标的精确定位；E)在地下移动目标的位置、方向、姿态参数的解算过程中，还要综合考虑上一时刻移动目标的速度和位姿参数，进行联合解算，最小化定位误差，计算出当前时刻移动目标的速度和位姿参数，并记录在数据库中。6.如权利要求1所述的地下空间高精度定位方法，其特征在于，所述移动目标，为采煤机等采掘设备、车辆等运输设备、救援机器人等无人探测设备。7.如权利要求2所述的序列编码图形设计、识别和解码方法，其特征在于，针对矿山地下井巷环境比较恶劣、空气潮湿、环境光照不好的环境特点，合理设计编码图形标志牌，提高编码图形标志牌在影像和强度图像中的信噪比，合理布局编码图形标志牌的分布；开发抑制噪声能力更强的图像处理方法和激光扫描数据处理方法，开发快速的编码图形跟踪、解码算法。8.如权利要求3所述的地下三维巷道空间中序列编码图形和三维空间信息获取方法，其特征在于，精细准确的地下三维井巷网络空间模型是地下移动目标精确定位和导航的数据基础，本发明在构建准确精细完整的三维井巷网络空间模型基础上，建立了一套适合矿山井下环境的三维井巷空间模型质量控制和评估标准体系；地下井巷环境恶劣，一旦事故发生，井巷环境会更加复杂，因此本发明选择价格合适、稳定性好、精度较高的激光三维扫描仪、C⑶相机，并设计完整的多传感器集成系统，结合矿山地下已有的无线电定位系统来实现移动目标的快速精确定位。9.如权利要求4所述的移动目标位姿参数的联合解算方法，其特征在于，在激光扫描实时获取的强度图像和三维空间信息中，及双相机系统获取的影像信息中对编码图形，进行识别和解码，根据其精确三维坐标，进行联合解算，对采掘运输设备进行粗定位。同时将激光雷达实时获取的巷道三维点云数据构建成巷道局部三角网模型，通过将局部三角网模型与事先构建的井下巷道高精度三维模型进行基于特征的快速匹配，最小化定位误差，解算出采掘运输设备的精确位姿参数，实现对地下移动目标的精确定位。10.如权利要求4所述的移动目标位姿参数的联合解算方法，其特征在于，矿山地下运输车辆速度可达lOm/s，这将给激光扫描获取的3D空间数据和相机系统获取的连续2D影像带来一定的误差，也对位姿参数解算速度提出了较高的要求。本发明利用移动目标在上一时刻的速度、位姿参数，对当前时刻获取的空间数据和影像进行校正，快速精确的计算出移动目标当前速度和位姿参数。全文摘要本发明公开了一种基于激光扫描和序列编码图形的地下空间高精度定位方法。该方法以无GPS信号的矿山地下井巷环境中移动目标的快速高精度定位、定向、定姿和导航为目标，从编码图形的设计、解码和优化布局，经济快速获取精细准确的矿山井下巷道组成的道路网络——三维井巷网络空间模型，井巷约束空间中移动目标的高精度定位算法(位置、方向、姿态参数的精确解算)，三维井巷空间模型匹配算法，三维导航技术，到最终的导航平台和终端控制系统等关键方向上进行突破，形成地下快速高精度定位导航关键技术和软硬件系统，最终推动我国矿山“地下无人采矿”技术跨越。除此之外，本发明还可以满足大城市地下空间、深长交通隧道、大型岩洞、大型建筑物内部、大型立交桥、地铁空间中对移动目标的快速高精度定位和导航的应用需求，推动我国地下空间定位技术的发展。文档编号G01S17/58GK102053249SQ200910210189公开日2011年5月11日申请日期2009年10月30日优先权日2009年10月30日发明者吴立新,王植申请人:吴立新,王植