煤矿井下视觉定位与导航系统：理论、方法及应用

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。

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。

第1章概述1
1.1煤矿智能化建设亟待突破井下定位与导航技术1
1.2井下视觉定位与导航面临的挑战3
1.2.1智能掘进对定位精度要求高4
1.2.2煤矿井下环境对视觉定位精度影响大7
1.2.3井下定位与导航基础理论研究不足8
1.3视觉定位与导航的几个基本问题11
1.3.1煤矿井下图像增强技术11
1.3.2煤矿井下掘进机动态定位技术12
1.3.3基于视觉测量的动态目标位姿检测技术15
1.3.4视觉成像系统建模与标定技术18
1.3.5运动模糊建模与图像复原技术20
1.4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24
2.1矿用相机双层平面玻璃折射成像建模与标定24
2.1.1矿用相机平面折射成像建模24
2.1.2矿用相机平面折射标定27
2.2矿用相机球形玻璃折射建模与标定29
2.2.1矿用相机球形折射建模29
2.2.2矿用相机球形折射标定31
2.3矿用相机折射标定的结果验证33
2.3.1矿用平面玻璃折射标定结果验证33
2.3.2矿用球面玻璃折射标定结果验证37
2.4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43
3.1煤矿井下图像退化特性分析与预处理技术43
3.1.1煤矿井下工作面雾尘退化图像成像特性43
3.1.2工作面粉尘浓度自适应图像特征提取技术44
3.1.3煤矿井下工作面低照度视频增强技术47
3.2矿用相机振动模糊建模与去模糊研究54
3.2.1透视相机的均匀模糊建模及去模糊54
3.2.2矿用相机模糊建模与去模糊研究56
3.2.3矿用相机采集的红外LED图像去模糊验证66
3.2.4矿用相机采集的红外激光束图像去模糊验证68
3.3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72
4.1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72
4.2悬臂式掘进机全位姿视觉定位系统统一描述76
4.2.1悬臂式掘进机全位姿定位坐标系统76
4.2.2悬臂式掘进机视觉测量坐标系及运动学解算78
4.3煤矿井下设备位姿视觉检测系统误差分析及对策80
4.4视觉测量系统的自动建站移站方法81
4.5基于井下视觉定位数据的掘进机自主导航方法85
4.5.1悬臂式掘进机自主导航掘进控制方案85
4.5.2悬臂式掘进机定向掘进运动控制方法86
4.5.3悬臂式掘进机定向掘进控制器设计89
4.5.4掘进机定向掘进控制实验93
4.6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96
5.1基于平行激光束的悬臂掘进机机身全局位姿测量方法96
5.1.1适用于煤矿井下环境的激光束标靶特征提取与定位96
5.1.2基于2P3L的激光标靶空间点三维坐标解算模型100
5.1.3基于对偶四元数的激光标靶位姿解算方法103
5.1.4掘进工作面悬臂式掘进机机身全局定位105
5.2基于视觉测量的机身位姿测量误差模型106
5.2.1激光光斑中心定位误差106
5.2.2激光束中心线定位误差107
5.2.3激光束标靶几何误差110
5.3基于激光线特征的机身全局位姿测量方法验证111
5.3.1激光束提取与定位算法的环境适应性验证111
5.3.2激光标靶尺寸及距离对机身位姿视觉测量的影响113
5.4小结118
第6章基于三激光束的掘进机机身位姿测量技术119
6.1悬臂式掘进机机身位姿视觉测量系统119
6.2激光束标靶图像分割与特征提取120
6.2.1三激光束标靶图像特性120
6.2.2三激光束标靶图像分割与特征提取121
6.2.3基于RCEAUNet三激光束标靶图像语义分割模型126
6.3三点三线透视投影位姿测量模型138
6.4悬臂式掘进机机身位姿视觉测量系统精度分析142
6.5悬臂式掘进机机身位姿视觉测量精度测试143
6.6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149
7.1基于多点红外LED的悬臂式掘进机截割头动态定位方法149
7.1.1红外LED标靶特征点提取与光斑定位149
7.1.2基于共面特征点的截割头位姿视觉测量152
7.1.3悬臂式掘进机截割头局部定位155
7.2基于视觉测量的截割头位姿测量误差模型159
7.2.1红外LED特征点中心定位误差160
7.2.2相机外部参数标定误差161
7.2.3红外标靶特征点非共面性误差162
7.3截割头位姿视觉测量精度与稳定性测试163
7.3.1截割头位姿视觉测量算法精度验证163
7.3.2截割头视觉定位误差数值仿真165
7.3.3红外LED光斑中心定位的环境适应性165
7.4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168
8.1悬臂式掘进机位姿视觉测量系统实验平台168
8.2悬臂式掘进机位姿视觉测量系统精度测试170
8.2.1悬臂式掘进机截割头位姿视觉测量精度测试170
8.2.2悬臂式掘进机机身位姿视觉测量精度测试175
8.3煤矿井下掘进机位姿视觉测量工程应用179
8.3.1掘锚一体机机身位姿视觉测量应用179
8.3.2悬臂式掘进机机身位姿视觉测量应用179
8.4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184
9.1悬臂式掘进机双目视觉机身位姿测量方案184
9.1.1双目视觉测量原理184
9.1.2悬臂式掘进机双目视觉位姿测量方案185
9.2基于红外LED标靶的悬臂式掘进机双目视觉定位186
9.2.1基于红外LED的特征点提取与环形匹配策略186
9.2.2基于帧间特征的双目视觉运动估计方法190
9.2.3双红外标靶交叉移动的连续测量方法192
9.3实验验证193
9.4小结197
第10章基于非合作标靶的井下视觉动态定位技术198
10.1基于非合作标靶的井下视觉动态定位技术机理198
10.2基于单目视觉的非合作标靶定位技术200
10.2.1技术方案200
10.2.2技术实现200
10.2.3实验验证204
10.3基于RGBD的非合作标靶定位技术206
10.3.1技术方案206
10.3.2技术实现206
10.3.3实验验证218
10.4本章小结221
参考文献222