(1. 西安科技大学 机械工程学院，陕西 西安 710054；2. 陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室，陕西 西安 710054)

（1）针对煤矿井下掘进工作面环境复杂、设备种类繁多、设备间相对定位难，碰撞预警难等问题，提出了掘锚设备跟踪定位与碰撞检测系统，建立了基于合作标靶方法的掘锚设备相对位姿视觉测量方法，结合数字孪生技术，实现了掘进工作面掘锚设备的精确跟踪定位与碰撞检测。

（2）以多点红外LED特征为视觉定位合作标靶，利用Hough轮廓检测与质心法提取光斑中心并通过二进制编码识别标靶ID，建立了基于PNP的掘锚设备位姿解算模型，通过改进稀疏光流算法对标靶进行跟踪，解决了煤矿井下杂光干扰和物体遮挡影响视觉定位精度问题。实现了掘锚设备交替作业过程的精确跟踪定位。

（3）以Unity3D平台为掘锚设备相对定位与碰撞检测的虚拟空间平台，通过Socket建立物理空间与虚拟空间的实时数据通信，结合任意多边形OBB碰撞检测算法，实现了精确的虚拟空间和物理空间与掘锚设备交替作业过程的实时映射、虚实交互，解决了掘锚设备虚拟空间的碰撞检测与预警。

1     掘锚设备跟踪定位与碰撞检测系统总体方案

2    红外标靶特征提取与 ID 映射

2.1    图像预处理

2.2    光斑中心提取与标靶 ID 映射

3基于改进稀疏光流的掘锚设备跟踪定位方法

3.1    Shi-Tomasi 角点检测 

3.2    稀疏光流原理 

3.3    掘锚设备相对位姿解算模型

4 掘锚设备间的碰撞检测

4.1    数字孪生体构建

4.2    孪生数据传输

4.3    模型驱动与碰撞检测

5 实验验证

5.1    实验平台搭建

5.2    掘锚设备跟踪定位实验

5.3    掘锚设备动态碰撞检测实验

图 1 掘锚设备跟踪定位与碰撞检测系统总体方案

表 2    掘锚设备视觉相对位姿测量结果

表 3    掘锚设备视觉相对位姿测量结果误差分析

表 4    掘锚设备运动虚实位置坐标对比

图 16 掘锚设备位姿测量误差

杨文娟，博士，副教授，主要从事智能机电系统、煤矿井下视觉测量与智能导航、采掘工作面异常状态识别方面等方面基础理论和关键技术应用研究。主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后基金面上项目、陕西省重点研发计划项目、陕西省教育厅科学研究计划等项目，参与完成国家绿色制造集成计划“矿山采掘装备绿色设计平台建设”，2022年申请获批陕西省秦创原智能掘进技术及装备“科学家+工程师”队伍，近年来聚焦煤矿井下开展视觉精确定位与导航基础理论及关键技术，开展矿用相机成像机理、视觉位姿测量、自主视觉监控等方面研究。以第一作者或通讯作者在Scientific Data（Nature 子刊）、IEEE Transactions On Industrial Electronics、Optics and Lasers in Engineering、煤炭学报等行业顶刊发表论文20余篇，授权发明专利16件，省级以上鉴定成果6项，已获中国煤炭工业协会科学技术二等奖2项，参编教材专著2部。

杨文娟，赵典，张旭辉，等. 数字孪生驱动的掘锚设备跟踪定位与碰撞检测方法研究[J]. 煤田地质与勘探，2024，52(5)：

160−173. doi: 10.12363/issn.1001-1986.24.02.0097