矿井多智体减灾/救灾协同作业的自主相对导航算法研究

Muti-agents cooperation can minimize the effect of mine geologic hazard, and it is a valid way for disaster reduction and relief. Autonomous relative navigation, as the key technology of mine muti-agents cooperation, need to be resolved firstly. .On the theories of mathematical morphology and dual quaternion, the vision autonomous relative navigation algorithm for mine muti-agents is proposed. The main contents of this project including: (1) according to the attributes of mine muti-agents and mine environment, extraction algorithm based on mathematical morphology for mine muti-agents or object (such as miner, mine car etc) will be studied; (2) looking at feature line as observation value, vision vector equation will be built, and the relative navigation algorithm based on dual quaternion for mine muti-agents will be studied ulteriorly; (3) combining the information of feature extraction based-on mathematical morphology with the relative position & attitude of mine muti-agents, stereo vision relative navigation algorithm based on dual quaternion for mine muti-agents and object will be studied chiefly. And the relative position & attitude between mine muti-agents and the operated object are determined..The researches of this project will endeavour to provide the theoretical support and technical reserve for the applications of the intellectualized cooperation rescuing or mining in our country.

多智体协同作业模式可应用到矿井自动化开采/救援等工作中，有效降低矿井地质灾害的影响，达到减灾/救灾的目的。自主相对导航作为矿井多智体（即多个矿井智能机器人）协同工作的关键技术亟待解决。.本项目以数学形态学与对偶四元数为理论基础，研究矿井多智体视觉自主相对导航算法。主要研究：（1）结合矿井多智体/被操作目标（如矿工、矿车等）的外形特征及其工作环境，进行基于数学形态学的矿井多智体/被操作目标的快速特征提取、匹配算法研究；（2）以特征线为观测基元，构建矢量视觉方程，研究基于对偶四元数理论的矿井多智体之间的相对导航算法,确定矿井多智体间相对位置和姿态；（3）融合形态学特征提取与矿井多智体间的相对位姿信息，重点研究基于对偶四元数的矿井多智体与被操作目标的立体视觉相对导航融合算法，确定矿井多智体与被操作目标的相对位置和姿态。.该研究将为我国的矿井智能救援、自动化开采/装卸等工作提供理论支持和技术储备。

矿井自动化开采/救援可有效降低矿井地质灾害的影响，是工业4.0的重要组成部分。本项目主要以解决矿井多智体（即多个矿井智能机器人）协同工作的自主相对导航关键技术为研究目标，主要研究内容和取得的研究成果如下：.（1）提出了矿井多智体自主相对导航算法的方案，完成了矿井多智体视觉自主相对导航算法研究的总体方案规划，细化了课题研究内容，完成了平台坐标测定的基础理论研究。针对BDS MEO卫星全周期精密定轨难的问题，项目组提出了基于天基测控站的定轨方案，推导并给出了基于三频技术的MEO精密定轨模型，该方法实现了BDS MEO星的全周期定轨，绝大多数时间定轨精度优于4m，水平方向的精度优于2.5m，垂直方向的精度优于3.5m；.（2）提出了基于数学形态学的矿井多智体及被操作目标的特征提取、匹配算法。初步解决了目标形态结构与运动的视觉云台相对运动情况下，如何通过事先测绘手段测量的先验信息，拟合出视觉云台与目标之间相对运动的规律，动态地构造形态学特征提取算子，从而实现对目标影像的快速特征提取与匹配；.（3）推导并建立了基于对偶四元数的矿井多智体相对位姿动态估计模型，并进行了仿真计算和地面实验验证。实验结果表明：该算法的相对偏航角误差曲线分布在-0.1度和0.15度左右，相对俯仰角误差曲线分布在-0.52度以内和-0.2度以内；相对滚转角误差曲线分布在-0.4度以内和0.34度以内，相对滚转角误差曲线分布在-0.3度和0.4度以内，相对x轴误差曲线最初分布在±0.003米之间；相对y轴误差曲线分布在-0.0005米和0.001米左右；相对z轴误差曲线分布在-0.001米和0.002米之间；.（4）在矿井开采中，为了确保安全，对地质灾害的监测预测是十分必要的。推导并建立了基于综合优化GM(1,1)的形变预测模型、灰线性加权非等距GM(1,1)形变预测模型、基于Markov理论的GM(1,1)形变预测优化模型，实验计算表明，这些预测模型均可为矿井的安全生产提供理论和技术支持。