煤矿井下视觉定位与导航系统：理论、方法及应用

　　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。

　　杨文娟，工学博士，副教授，硕士生导师，入选秦创原团队首席科学家，被评为全国煤炭行业青年岗位能手，全国煤矿智能化卓越青年。主要研究方向为煤矿智能机电系统研发、图像处理与模式识别、井下视觉测量与智能导航等方面的理论和应用研究。先后主持国家自然科学基金青年项目1项、陕西省重点研发计划项目1项、中国博士后基金1项、陕西省教育厅科学研究计划1项，参与国家级项目3项，承担煤矿井下精确定位技术方面项目研究近10项，以第一作者在Scientific data（Nature子刊）、 Optics and Lasers in Engineering、IEEE Transactions On Industrial Electronics、煤炭学报、煤田地质与勘探等期刊发表SCI/EI学术论文10余篇，授权国家发明专利10余项，获煤炭工业协会科学技术奖3项。张旭辉，工学博士，三级教授、博士生导师，陕西省“教学名师”，陕西省中青年科技创新领军人才，陕西省特支计划教学领军人才，陕西省重点科技创新团队负责人。近年来主要从事煤矿采掘装备智能化技术、复杂机电系统耦合建模与非线性动力学等方面教学科研工作，先后主持国家自然科学、国家绿色制造系统集成项目、科学技术研究重点项目、陕西省重点研发计划、中国博士后基金等项目10余项，参与国家基金为代表的纵向项目近20项，主持完成40多项企业合作项目。获陕西省科学技术奖一等奖1项，二、三等奖3项，中国煤炭科技奖一等奖2项，二、三等奖15项；发表学术论文300多篇，申请国家专利200多件，授权发明专利近80件，软著20余项。

第1章概述11.1煤矿智能化建设亟待突破井下定位与导航技术11.2井下视觉定位与导航面临的挑战31.2.1智能掘进对定位精度要求高41.2.2煤矿井下环境对视觉定位精度影响大71.2.3井下定位与导航基础理论研究不足81.3视觉定位与导航的几个基本问题111.3.1煤矿井下图像增强技术111.3.2煤矿井下掘进机动态定位技术121.3.3基于视觉测量的动态目标位姿检测技术151.3.4视觉成像系统建模与标定技术181.3.5运动模糊建模与图像复原技术201.4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242.1矿用相机双层平面玻璃折射成像建模与标定242.1.1矿用相机平面折射成像建模242.1.2矿用相机平面折射标定272.2矿用相机球形玻璃折射建模与标定292.2.1矿用相机球形折射建模292.2.2矿用相机球形折射标定312.3矿用相机折射标定的结果验证332.3.1矿用平面玻璃折射标定结果验证332.3.2矿用球面玻璃折射标定结果验证372.4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433.1煤矿井下图像退化特性分析与预处理技术433.1.1煤矿井下工作面雾尘退化图像成像特性433.1.2工作面粉尘浓度自适应图像特征提取技术443.1.3煤矿井下工作面低照度视频增强技术473.2矿用相机振动模糊建模与去模糊研究543.2.1透视相机的均匀模糊建模及去模糊543.2.2矿用相机模糊建模与去模糊研究563.2.3矿用相机采集的红外LED图像去模糊验证663.2.4矿用相机采集的红外激光束图像去模糊验证683.3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724.1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724.2悬臂式掘进机全位姿视觉定位系统统一描述764.2.1悬臂式掘进机全位姿定位坐标系统764.2.2悬臂式掘进机视觉测量坐标系及运动学解算784.3煤矿井下设备位姿视觉检测系统误差分析及对策804.4视觉测量系统的自动建站移站方法814.5基于井下视觉定位数据的掘进机自主导航方法854.5.1悬臂式掘进机自主导航掘进控制方案854.5.2悬臂式掘进机定向掘进运动控制方法864.5.3悬臂式掘进机定向掘进控制器设计894.5.4掘进机定向掘进控制实验934.6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965.1基于平行激光束的悬臂掘进机机身全局位姿测量方法965.1.1适用于煤矿井下环境的激光束标靶特征提取与定位965.1.2基于2P3L的激光标靶空间点三维坐标解算模型1005.1.3基于对偶四元数的激光标靶位姿解算方法1035.1.4掘进工作面悬臂式掘进机机身全局定位1055.2基于视觉测量的机身位姿测量误差模型1065.2.1激光光斑中心定位误差1065.2.2激光束中心线定位误差1075.2.3激光束标靶几何误差1105.3基于激光线特征的机身全局位姿测量方法验证1115.3.1激光束提取与定位算法的环境适应性验证1115.3.2激光标靶尺寸及距离对机身位姿视觉测量的影响1135.4小结118第6章基于三激光束的掘进机机身位姿测量技术1196.1悬臂式掘进机机身位姿视觉测量系统1196.2激光束标靶图像分割与特征提取1206.2.1三激光束标靶图像特性1206.2.2三激光束标靶图像分割与特征提取1216.2.3基于RCEAUNet三激光束标靶图像语义分割模型1266.3三点三线透视投影位姿测量模型1386.4悬臂式掘进机机身位姿视觉测量系统精度分析1426.5悬臂式掘进机机身位姿视觉测量精度测试1436.6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1497.1基于多点红外LED的悬臂式掘进机截割头动态定位方法1497.1.1红外LED标靶特征点提取与光斑定位1497.1.2基于共面特征点的截割头位姿视觉测量1527.1.3悬臂式掘进机截割头局部定位1557.2基于视觉测量的截割头位姿测量误差模型1597.2.1红外LED特征点中心定位误差1607.2.2相机外部参数标定误差1617.2.3红外标靶特征点非共面性误差1627.3截割头位姿视觉测量精度与稳定性测试1637.3.1截割头位姿视觉测量算法精度验证1637.3.2截割头视觉定位误差数值仿真1657.3.3红外LED光斑中心定位的环境适应性1657.4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1688.1悬臂式掘进机位姿视觉测量系统实验平台1688.2悬臂式掘进机位姿视觉测量系统精度测试1708.2.1悬臂式掘进机截割头位姿视觉测量精度测试1708.2.2悬臂式掘进机机身位姿视觉测量精度测试1758.3煤矿井下掘进机位姿视觉测量工程应用1798.3.1掘锚一体机机身位姿视觉测量应用1798.3.2悬臂式掘进机机身位姿视觉测量应用1798.4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1849.1悬臂式掘进机双目视觉机身位姿测量方案1849.1.1双目视觉测量原理1849.1.2悬臂式掘进机双目视觉位姿测量方案1859.2基于红外LED标靶的悬臂式掘进机双目视觉定位1869.2.1基于红外LED的特征点提取与环形匹配策略1869.2.2基于帧间特征的双目视觉运动估计方法1909.2.3双红外标靶交叉移动的连续测量方法1929.3实验验证1939.4小结197第10章基于非合作标靶的井下视觉动态定位技术19810.1基于非合作标靶的井下视觉动态定位技术机理19810.2基于单目视觉的非合作标靶定位技术20010.2.1技术方案20010.2.2技术实现20010.2.3实验验证20410.3基于RGBD的非合作标靶定位技术20610.3.1技术方案20610.3.2技术实现20610.3.3实验验证21810.4本章小结221参考文献222