专利名称：一种利用编码信标进行精确定位的方法
技术领域：
本发明涉及矿井下目标定位方法，具体地说是一种利用光学原理对采矿设备进行 精确定位的方法。
背景技术：
精确定位为井下无人采矿设备安全自主行走提供保障，同时也是实现无人自主行 走的技术难点，如何实现精确定位成为了关键。目前露天定位主要是采用GPS实现，井下定位方法主要是借助车载传感器的数 据，依据惯性导航经行定位，然后通过对外部绝对位置的检测，消除累计误差，经行修正。外 部绝对位置是通过对人工信标或者自然特征(即巷道内壁的自然特征)的检测识别实现 的。文献 1 (A navigation system for automated loaders inunderground mines，[in] P.Corke and S.Sukkarieh, eds， Proceeding of the5th International Conference on Field and Service Robitics，Spriger，Berlin，Germany，2005，p. 129-140)米用 RFID 无 线射频技术，在全局范围的关键点处设置射频卡，车载读卡器在距离射频卡一定的范围内 接收到射频卡的信息，读到射频卡的ID，就可以获得射频卡所携带的地理位置信息。RFID 是一种方便简捷的井下定位方式，受井下粉尘，烟雾的影响比较小；这种方法的缺点在于射 频卡有一定的感应范围，以射频卡所在的点为圆心，感应距离为半径所形成的这个圆就是 射频卡的感应范围，在这个此范围内读卡器都能读到到射频卡的信息，所以不能精确定位。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种改变了传统的人工信标需要提供外 部电源的缺陷，解决了 RFID无线射频卡不能精确定位的问题，直接利用车载激光扫描仪识 别编码信标，消除惯性导航产生的累积误差，从而实现精确定位的方法。本发明的技术方案是，一种利用编码信标进行精确定位的方法，包括以下步骤步骤1.安装编码信标将制作好的编码信标安装在井下巷道壁上关键点上，设置 分辩阈值，将上述信息存储到模板数据库中；步骤2.识别特征点设置激光扫描仪的扫描夹角和扫描点，并对安装编码信标进 行识别，激光扫描仪扫描范围内的扫描点，接收到所有扫描点返回的距离数据；取出所有测 量得到的扫描点的距离值，计算相邻点的差值，如果差值大于所述分辨阈值，则将此点作为 特征点记录下来，否则忽略，继续识别，根据得到跳跃点的变化，得到所有特征点；步骤3.计算距离根据所述步骤2得到的特征点，选取边缘扫描点的距离数据，利 用余弦定理，计算特征点与之相对应的边缘扫描点之间的宽度；步骤4.扫描点归类根据步骤2得到的特征点对编码信标进行分段，所述每段标 志取自相应特征点的标志；步骤5.根据步骤4得到的标志位与所述模板数据库的模板的匹配，如果一致，则继续往下进行识别，否则，跳回步骤1进行重新识别；
步骤6.距离的匹配计算根据步骤3得到的宽度和所述模板数据库里的模板做方 差，如果方差在允许范围，则匹配成功，得到所述编码信标所携带的地理位置坐标；如果不 成功，则忽略；步骤7.识别结束，辨别出相应信标；步骤8.根据所述步骤2得到的特征点的距离数据，通过余弦定理可以得到采矿设 备的航向角，通过三角函数可以算出来采矿设备与所述编码信标之间的相对位置，从而得 到采矿设备的精确位置。所述编码信标为用宽度不一的反光板，按需要的方式组合成“条”、“空”相间或者 “黑”、“白”相间的条码。本发明的有意效果如下(1)本发明用反光板编码信标，材料经济、成本低。(2)编码信标制作工艺简单，编码方式灵活多变，安装使用方便快捷，维护简单。(3)对粉尘、烟雾等抗干扰性强。(4)编码信标不需要提供外部电源。(5)相对于其他定位方式，编码信标可以实现精确定位。
图1是本发明一种利用编码信标进行精确定位的方法的原理框图。图2是编码信标的结构示意图。图3是识别到编码信标时采矿设备和编码信标相对位置关系示意图。
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。如图1所示为本发明利用编码信标进行精确定位的方法的原理框图；将“条”、 “空”宽度依次为40mm、80mm、40mm、40mm、40mm的编码信标(如图2所示)分别固定在巷道 的起点、转弯和工作点的巷道壁上，距离巷道墙壁至少IOOmm的距离固定，分辨阈值设置为 50mm，将上述设置存储入模板数据库中；设置车载激光扫描仪的扫描夹角为30°，扫描点为150个，对安装好的编码信标 进行识别，车载激光扫描仪扫描夹角范围内所有的扫描点，接收到所有扫描点返回的距离 值，当扫描范围内包含有编码信标时(如图3所示)，因为编码信标是离开巷道臂一定距离 安装的，所以在“条”上的扫描点距离和相邻着的扫描到“空”的扫描点的距离有一个跳跃 性的变化，取出所有测量得到的扫描点的距离值Data_P0int[i]. Distance并计算相邻点 的差值，即Ll = abs(Data_Point[i+1]. Distance-Data_Point[i]. Distance)如果 Ll > 50mm，则将此点作为特征点记录下来，即i = Count [j++]；这样就根据差值的正负，就确定有几个点在“条”上，有几个点在“空”上；可以得 到这些跳跃变化点，从而得到所有特征点；根据所有特征点，提取边缘扫描点，S卩“空”上第一个点为特征点，这个点前面一个点就是“条”的边缘扫描点，这个特征点就是“空”的一个边缘扫描点，从这个“空”到下一个“条”的特征点就是“条”上的第一个点，也就是“条”的边缘扫描点，这个特征点的前一个点 就是“空”的另外一个边缘扫描点，这样每个“条”、“空”上面都有一对边缘扫描点，根据激 光扫描仪扫描范围30°和150个点，所以相邻两个点之间的夹角都是0.2°。每对边缘扫 描点的编号的差值乘以0. 2°，就可以得到每对边缘扫描点之间的夹角，边缘扫描点的长度 可以通过激光扫描仪测量的数据直接得到，利用余弦定理，就可以得到编码信标每个“条”、 “空”的宽度。利用得到所有特征点对扫描点内的编码信标进行分段，每段标志位取自相应特征 点的标志；将标志位与模板数据库的模板的匹配，如果一致，则继续往下进行识别，否则，重 新识别；将经过匹配的每个“条”、“空”的宽度和模板数据库里的“条”、“空”做方差，如果 方差在允许范围呢，则匹配成功，可以得到编码信标所携带的地理位置坐标；如果不成功， 则认为是干扰信息，可以忽略掉。
<formula>formula see original document page 5</formula>其中ml[jl]、m2[jl]是两个信标模板的各段的距离，val、va2分别是与这两个模 板距离的方差，如果在允许的方差范围就认为与相应的模板匹配；识别结束，辨别出相应编码信标，得到相应的绝对位置坐标；根据得到的特征点的距离数据，通过余弦定理可以得到采矿设备的航向角，通过 三角函数可以算出来采矿设备与编码信标之间的相对位置，从而得到采矿设备的精确位 置。
权利要求
一种利用编码信标进行精确定位的方法，其特征在于，具体包括以下步骤步骤1.安装编码信标将制作好的编码信标安装在井下巷道壁上关键点上，设置分辩阈值，将上述信息存储到模板数据库中；步骤2.识别特征点设置激光扫描仪的扫描夹角和扫描点，并对安装编码信标进行识别，激光扫描仪扫描范围内的扫描点，接收到所有扫描点返回的距离数据；取出所有测量得到的扫描点的距离值，计算相邻点的差值，如果差值大于所述分辨阈值，则将此点作为特征点记录下来，否则忽略，继续识别，根据得到跳跃点的变化，得到所有特征点；步骤3.计算距离根据所述步骤2得到的特征点，选取边缘扫描点的距离数据，利用余弦定理，计算特征点与之相对应的边缘扫描点之间的宽度；步骤4.扫描点归类根据步骤2得到的特征点对编码信标进行分段，所述每段标志取自相应特征点的标志；步骤5.根据步骤4得到的标志位与所述模板数据库的模板的匹配，如果一致，则继续往下进行识别，否则，跳回步骤1进行重新识别；步骤6.距离的匹配计算根据步骤3得到的宽度和所述模板数据库里的模板做方差，如果方差在允许范围，则匹配成功，得到所述编码信标所携带的地理位置坐标；如果不成功，则忽略；步骤7.识别结束，辨别出相应信标；步骤8.根据所述步骤2得到的特征点的距离数据，通过余弦定理可以得到采矿设备的航向角，通过三角函数可以算出来采矿设备与所述编码信标之间的相对位置，从而得到采矿设备的精确位置。
2.根据权利要求1所述的利用编码信标进行精确定位的方法，其特征在于，所述编码 信标为用宽度不一的反光板，可以组合成“条”、“空”相间或者“黑”、“白”相间的条码。
全文摘要
本发明涉及采矿设备，是一种用于采矿领域对采矿设备利用光学原理进行精确定位的方法。该方法包括以下步骤1.井下定位的编码信标的安装；2.识别特征点；3.扫描点归类；4.计算距离；5.标志位与模板标志的匹配；6.距离的匹配计算；7.识别结束，辨别出相应信标；8.根据跳跃变化点的距离，算出来采矿设备与所述编码信标之间的相对位置，从而得到采矿设备的精确位置。本发明的有意效果如下本发明用反光板编码信标，材料经济、成本低；编码信标制作工艺简单，编码方式灵活多变，安装使用方便快捷，维护简单；对粉尘、烟雾等抗干扰性强；编码信标不需要提供外部电源；相对于其他定位方式，编码信标可以实现精确定位。
文档编号G01S17/42GK101833098SQ201010151010
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者冯茂林, 刘立, 吴红梅, 孟宇, 陈树新 申请人:北京科技大学