在煤炭开采的深邃矿井中，移动机器人如同矿工们的得力助手，它们在昏暗、复杂的环境中穿梭，执行着各种任务。然而，在这些机器人背后，隐藏着一项关键技术——激光标靶定位技术。这项技术犹如机器人的“慧眼”，帮助它们在矿井下精确定位，确保安全高效地完成任务。今天，我们通过西安科技大学原副校长马宏伟教授团队发表在《煤炭科学技术》期刊上的论文《煤矿井下移动机器人激光标靶定位方法研究》，来揭开煤矿井下移动机器人激光标靶定位技术的神秘面纱，看看它是如何成为矿山智能化转型的重要推手。
一、煤矿井下移动机器人的挑战
煤矿井下环境复杂多变，巷道狭窄、弯道多、粉尘大，这些因素给移动机器人的定位带来了巨大挑战。传统的定位方法，如视觉定位、三维激光雷达定位、惯性导航定位等，在井下环境中往往难以发挥最佳效果。视觉定位虽然精度高，但易受光污染和粉尘影响；三维激光雷达定位则可能因“多径效应”导致点云地图精度不稳定；惯性导航定位则随着时间推移，误差会逐渐积累。
在这样的背景下，一种基于激光标靶的定位技术应运而生。它以激光标靶作为定位基准，通过激光发射器与激光标靶之间的精确测量，实现移动机器人在巷道中的精确定位。这项技术不仅具有非接触、定位精度高的优点，还能有效避免定位累计误差，成为煤矿井下移动机器人定位的理想选择。
二、激光标靶定位技术的原理
1. 定位系统组成
激光标靶定位系统主要由激光发射器、激光标靶、同步光源、信号处理器和计算机组成。激光发射器安装在移动机器人机身上，发射光信号扫描巷道；激光标靶则安装在巷道壁一侧，接收激光发射器的激光信号和同步光源的基准信号。信号处理器将光信号转换为数字信号后，通过通信模块传输给计算机。计算机则利用激光发射器与激光标靶定位模型，求解出移动机器人的机身位姿信息。
2. 坐标系建立
为了实现精确定位，首先需要建立一系列坐标系。包括巷道坐标系、机身坐标系、激光发射器坐标系和激光标靶坐标系。巷道坐标系以巷道起始点为原点，沿巷道方向、垂直巷道方向和巷道底板向上方向分别为X轴、Y轴和Z轴；机身坐标系以移动机器人中心为原点，沿机身纵轴线向前、垂直机身纵轴线向右和垂直向上方向分别为X轴、Y轴和Z轴；激光发射器坐标系和激光标靶坐标系则分别以激光发射器中心和激光标靶中心为原点，建立相应的三维坐标系。
移动机器人定位系统坐标系
3. 定位原理
当移动机器人在巷道内行驶时，激光发射器会扫描巷道壁上方的激光标靶。激光标靶内部的光电传感器接收到激光信号后，会将其转换为数字信号并传输给计算机。计算机则根据激光标靶在巷道坐标系下的已知位置信息，以及激光发射器与激光标靶之间的实际测量信息，通过EPnP（Efficient Perspective-n-Point）算法求解出移动机器人的机身位姿。同时，为了进一步提高定位精度，还会采用Levenberg-Marquardt（L-M）算法对机身位置误差进行最小化优化。
三、激光标靶的部署与识别
1. 激光标靶网络构建
为了实现全局定位，需要在巷道内构建激光标靶网络。根据巷道空间信息，制定激光标靶的分布式部署策略。在不同巷道中，根据激光发射器与巷道壁的距离，确定激光标靶的部署位置和间距。同时，利用全站仪测量激光标靶在巷道坐标系下的位置信息，并建立激光标靶位置信息数据库。这样，当移动机器人进入巷道时，就能通过识别激光标靶并获取其位置信息，实现初始定位。
激光标靶布署示意
2. 激光标靶的识别方法
激光标靶的识别是定位过程中的关键环节。为了确保激光标靶能有效接收到激光发射器的光信号，需要合理设置激光发射器和激光标靶的安装高度和间距。通过试验发现，激光标靶的识别距离会随着激光发射器与激光标靶的距离增大而增大。因此，在制定激光标靶部署策略时，需要根据移动机器人的行驶速度和巷道宽度等因素，确定合适的激光标靶间距和安装高度。
移动机器人试验环境
四、定位技术的优势与应用
1. 高精度定位
激光标靶定位技术以其高精度著称。通过试验验证，移动机器人在沿巷道方向、宽度方向和高度方向上的位置测量最大误差分别小于11.33mm、8.12mm和8.57mm。在动态轨迹测量试验中，实际位置与理论位置的误差率也分别控制在2.74%、3.14%和2.36%以内。这些数据充分证明了激光标靶定位技术在煤矿井下环境中的高精度特性。
激光标靶接收光信号范围
2. 稳定性强
相较于其他定位方法，激光标靶定位技术具有更强的稳定性。它不受井下环境粉尘、光照等因素的影响，能够持续稳定地为移动机器人提供定位服务。即使在转弯等复杂巷道环境中，也能保证机身定位的稳定测量。
3. 广泛应用
激光标靶定位技术不仅适用于掘进机、采煤机等大型设备，还能为巡检机器人、运输机器人等提供精确定位服务。在智慧矿山的建设中，这项技术将发挥越来越重要的作用。通过精确定位，移动机器人能够更高效地完成巡检、运输、救援等任务，提高矿山作业的安全性和效率。
五、技术展望与未来趋势
随着煤矿智能化转型的加速推进，移动机器人在井下的应用将越来越广泛。作为移动机器人的核心技术之一，激光标靶定位技术也将不断发展和完善。未来，我们可以期待以下几个方面的发展趋势：
1. 更高精度的定位技术
随着传感器技术和算法的不断进步，激光标靶定位技术有望实现更高精度的定位。这将为移动机器人提供更加准确的位姿信息，进一步提高其作业效率和安全性。
2. 多传感器融合定位
为了应对更加复杂的井下环境，未来可能会出现多传感器融合定位技术。通过将激光标靶定位技术与其他定位技术（如视觉定位、惯性导航定位等）相结合，实现优势互补，提高定位系统的鲁棒性和准确性。
3. 智能化升级
随着人工智能技术的不断发展，激光标靶定位技术也将向智能化方向升级。通过引入机器学习、深度学习等算法，对定位数据进行智能处理和分析，实现更加智能化的定位服务。例如，可以根据移动机器人的行驶轨迹和作业需求，自动调整激光标靶的部署位置和间距，优化定位效果。
4. 标准化与规范化
随着激光标靶定位技术在煤矿井下的广泛应用，其标准化和规范化也将成为未来的发展趋势。通过制定统一的技术标准和规范，推动不同厂商和设备之间的互联互通，促进技术的普及和应用。
结语
激光标靶定位技术作为煤矿井下移动机器人的核心技术之一，为智慧矿山的建设提供了有力支撑。通过高精度、稳定性的定位服务，它帮助移动机器人在复杂多变的井下环境中实现自主导航和作业。随着技术的不断发展和完善，我们有理由相信，激光标靶定位技术将在未来发挥更加重要的作用，推动煤矿智能化转型的深入发展。
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