一种井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法
【专利摘要】本发明公开了一种井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法，该设备主要由激光扫描测距模块、无人飞行器、多种传感器、配套软件等组成，其中激光扫描测距模块能够在极短时间内测量巷道某断面所有点到测距仪的距离，无人飞行器携带测距模块，能够在巷道中自动巡航飞行，飞行过程中测距模块将所有经过的巷道断面的点都进行测距，再结合多种传感器的数据，将这些测距结果通过配套软件生成巷道的高精度三维点云图，进一步将点云图进行网格化处理，最终得到巷道的高精度三维模型。该发明利用激光测距能够获得极高的精度且不受光线条件的影响，同时结合无人机能够实现井下巷道模型扫描的自动化、智能化，是一种理想的巷道高精度建模设备与方法。
【专利说明】
一种井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法
技术领域
[0001]本发明涉及真实物体的三维建模技术方法，特别涉及一种通过激光扫描来获取矿井井下巷道的高精度三维模型的设备与方法，属于三维模型自动建立领域。技术背景
[0002]当今的矿井对于高精度的矿山巷道三维模型有着越来越高的需求。一方面，随着国家对矿山行业信息化、数字化的要求越来越高，而矿山整体三维模型是矿山信息化、数字化的最基础数据，因此非常重要，而目前矿山行业使用更多的是二维平面工程图，且主要为人工测量，有可能与现场存在较大差异;另一方面，随着国家与企业对矿山安全工作的越来越重视，将会有更多新的监测类装备、技术应用到现有矿山中，而这些监测类装备、技术必须结合现有的矿山三维模型，才能够直观、有效地展示被监测的矿山信息，进而发挥例如预警等功能。
[0003]同时，一些特定的现场工作也可以通过高精度巷道建模来完成，例如对巷道变形量的监测，传统的测量方法是利用顶板离层仪等类似设备进行检测，每次只能对单一的点进行检测，而通过对巷道的整体模型进行多次扫描，可以得到前后两次扫描得到的巷道模型之间的差别，进而得到巷道整体的变形结果。
[0004]可以看出，获得矿山井下巷道高精度三维模型就变得越来越重要，而传统的人工建模方法不仅费时费力，而且还存在建模精度不高等缺点。因此，一种自动化的矿山井下巷道三维模型建立设备的发明就非常有必要了。
【发明内容】
[0005]如上所述，为了满足矿山对高精度三维模型的需求，本发明公开了一种井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法，包含激光扫描测距模块、无人飞行器、多种传感器、配套软件等组件，通过这些组件可以得到巷道的高精度三维点云图，进一步将点云图进行网格化处理，最终得到巷道的高精度三维模型，适合各种类型的井下巷道。
[0006]本发明是一种井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法，其特征在于:主要由激光扫描测距模块、无人飞行器、多种传感器、配套软件等组成。
[0007]如上所述，该设备的激光扫描测距模块包含激光测距探头、旋转式平面反光镜，其中旋转式平面反光镜所在平面与激光测距探头轴心呈45度夹角，激光测距探头发射的激光经过平面反光镜反射，转弯90度后照射在巷道壁上进行测距，平面反光镜进行高速旋转时， 反射后的激光就会随之旋转对整个巷道截面进行测距。
[0008]如上所述，该设备的无人飞行器包含主机、单个或多个翼片、多种传感器、电池、夕卜壳等部分组成，保证飞行器平稳地在井下飞行并完成预定作业。
[0009]主机需要存储的数据包括:测距模块的探头测得到任意点的距离以及测得该距离的时间与平面反光镜的旋转信息，设备包含的各种传感器获得的所有数据。
[0010]如上所述，该设备包含的传感器包括但不限于:陀螺仪、加速计、距离传感器、重力传感器、电子罗盘等，这些传感器能够实时采集飞行器及周围环境的数据，保证设备的正常平稳运行。
[0011]该设备的激光扫描测距模块是固定在无人飞行器上的，且需要保证激光测距模块射出的激光经快速旋转的平面反光镜反射后不被飞行器遮挡，能够扫描测量整个断面所有点的距离。
[0012]该设备的无人飞行器与激光扫描模块需要满足矿山环境的特点，能够达到防尘、 防水、防爆等相关标准。
[0013]如上所述，该设备的配套软件通过结合激光测距模块的测距信息与各种传感器捕捉的飞行器运动状态信息，将所有的测距点空间位置进行三维还原，进而得到被测巷道的点云图，进一步通过网格化得到航道的三维模型。
[0014]本发明的优点为:
[0015]①本发明的扫描设备能够自动设定最佳飞行路线、自动处理测距数据，最终自动生成巷道的三维模型；
[0016]②本发明的原理是利用激光进行测距，能够克服井下黑暗环境，并得到高精度的测距结果；
[0017]③本发明通过旋转的反光镜组件，能够实现对巷道正面断面所有点进行扫描测距，提尚了扫描效率。【附图说明】
[0018]图1为本发明一种井下高精度三维模型扫描设备的主体结构示意图；
[0019]图2为本发明一种井下高精度三维模型扫描设备在工作时的示意图；
[0020]图3为本发明一种井下高精度三维模型扫描设备的工作流程图。【具体实施方式】
[0021]本发明公开了一种井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法，通过该发明的多种组件共同配合，能够实现对井下巷道高精度三维模型的自动、快速扫描与生成。同时本发明内的无人飞行器包含多种传感器，能够保证飞行器能够在自动飞行的状态下，能够避免与其他物体相撞，同时保证在井下巷道中以最优化路径进行飞行。由于该发明的建模是基于巷道所有断面的激光测距结果结合飞行器的飞行状态，因此能够实现巷道高精度模型的自动建立，减少了人工干预，即降低了建模的误差，同时也能够提高建模的精度与效率，同时还能实现例如巷道整体变形监测等功能，同时该发明满足煤矿等各类矿山对于防爆等安全的要求，可适合于各种矿井井下巷道。[〇〇22]本发明的一种井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法，其设备主要包括激光测距模块、无人飞行器、多种传感器、配套软件等。[〇〇23]其中，激光测距模块包含激光测距探头与可高速旋转的平面反光镜组成，平面反光镜与激光探头射出的激光成45度角，因此测距激光经平面反光镜反射后与入射激光成90 度角，且激光会随着平面镜的旋转一周而对巷道某断面进行扫描测距。
[0024]无人飞行器为四轴或多轴飞行器，包含与轴数相同的旋转叶片，运行时能够产生向上的升力进而实现飞行，且通过调整不同叶片的旋转速度实现飞行器的倾斜、转向等功能。无人飞行器的主机还包括其他组件，例如电池、处理器、内存等运行必备的电子元件。为了能够进行自动飞行并记录飞行过程的各种状态，飞行器表面及内部还有许多传感器，包括:测距传感器、陀螺仪、加速计、重力传感器、电子罗盘等。其中测距传感器位于飞行器四周，能够实时感应飞行器与外界物体的距离，实现飞行器对障碍物的自动躲避;陀螺仪、加速计、重力传感器、电子罗盘等可以实现对飞行器的飞行状态进行实时记录。
[0025]激光测距模块能够测量飞行器在某一位置时巷道某一段面的所有点进行测距，飞行器前进一小段距离后，传感器能够记录飞行器的运行距离，同时激光测距模块能够记录飞行器运动后所在位置的巷道断面所有点的测距结果。通过激光测距模块、无人飞行器、多种传感器的共同运行，能够将飞行器运行状态、所经过的所有断面的测距结果都获得。
[0026]配套软件能够将飞行器的运行状态、传感器数据、激光测距模块的数据整合在一起，通过适当的计算，得到该设备经过的断面的任意点到飞行器上测距探头的距离，将这些所有距离进行空间排列，就能够得到了飞行器所经过的巷道的三维点云图。配套软件再将得到的巷道点云图进行网格化处理，就能够得到巷道的高精度三维模型。[〇〇27]为了能够在矿井运行，该发明的无人飞行器、激光测距模块等组件还需要满足各种矿井的特殊要求，例如防尘、防爆等。
[0028]为了更加清晰地描述该发明的【具体实施方式】，结合示意图对其进行描述。
[0029]图1展示了本发明一种井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法中的无人飞行器与激光测距模块的主体结构示意图，该设备主要包括:激光测距探头11、旋转式平面反光镜 12、测距激光13、无人飞行器机身14、飞行叶片15、飞行器主机16。
[0030]其中:激光测距探头11与旋转式平面反光镜12共同组成了激光测距模块，激光测距探头11直射出测距激光13与平面反光镜12成45度夹角，因此测距激光13射出后经平面反光镜12反射，最终与激光测距探头11的出射方向成90度直角，实现测距激光13向待测点的直射；飞行器机身14与飞行器主机16、激光测距模块11和12相连接，提供飞行器的整体强度，且机身14四周与上下面安置有多个距离传感器，能够感知飞行器与所在环境物体之间的距离，实现飞行器对四周环境的自主躲避功能，保证飞行器的飞行安全，而飞行叶片15有多个，飞行器能够通过调节不同叶片15的旋转速度，进而使每个叶片产生不同的提升力，以实现飞行器的起飞、降落、悬停、旋转、朝各个方向飞行等动作，飞行器主机16中包含陀螺仪、加速计、重力传感器、电子罗盘等多种传感器，以实时感知并记录飞行器的飞行状态数据，同时主机16内还含有处理器、内存、电池等运行必备组件。[〇〇31]图2展示了本发明一种井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法中的扫描设备在井下巷道中正常运作时的示意图，包括本发明的模型扫描设备21、发射出来的测距激光22、 巷道23。其中:扫描设备21处于正常飞行状态，能够感应周围环境物体的距离以保证位于巷道23内切不触碰到巷道表面，同时从激光测距探头11射出的测距激光经过旋转式平面反光镜12反射并旋转，最终在实际使用中能够达到类似测距激光22的效果，即测距激光会随着旋转式反光镜12的转动而进行测距扫描，反光镜12转动一圈后，测距激光22也会旋转360度而对该位置的整个断面进行测距；随着扫描设备21的飞行器前进飞行，就能够对巷道的所有断面进行测距扫描。[〇〇32]图3展示了本发明一种井下高精度三维模型扫描设备的工作流程。其中:
[0033]步骤S31，将设备开启，系统进行自动检查后，无人飞行器自动起飞并进入稳定飞行状态;激光测距模块的快速旋转式平面反光镜组件也开始运行并快速旋转，同时旋转速度、每旋转一圈的起始时间、旋转总周数等信息也开始被记录;设备的各种传感器开始工作，实时感知无人飞行器的飞行状态，例如倾斜角度、飞行速度与方向、加速度大小与方向、 飞tx尚度等等。
[0034]步骤S32,激光测距探头开始工作，朝平面反光镜射出测距激光;平面反光镜在任意时刻都与测距激光呈45度夹角，因此测距激光经平面反光镜反射后，反射光线与入射光线之间呈90度夹角，这样激光测距模块就能够测得被探测点到测距模块的距离;于此同时， 平面反光镜在快速旋转，因此会带动测距激光以同样的速度旋转，这样平面反光镜旋转一周后，测距激光就会将某一段面的所有点到测距模块的距离扫描出来。
[0035]步骤S33，无人飞行器通过自动计算最佳前进路径，开始前进飞行，而无人飞行器内部的距离传感器、陀螺仪、加速计、重力传感器、电子罗盘等传感器也开始工作，将飞行器的各种飞行状态按时间顺序记录下来；与此同时，无人飞行器前进过程也会带动激光测距模块前进，而平面反光镜也在快速旋转，因此激光测距模块在飞行器的前进和平面反光镜旋转的共同作用下，将会对经过的所有巷道断面点进行测距扫描，扫描的精度与速度与激光测距探头的频率、平面反光镜的旋转速度、以及无人飞行器的飞行速度有关。[〇〇36]步骤S34,在测距过程中，该设备能够同时记录所有的激光测距结果、快速旋转式平面反光镜的旋转信息、以及无人飞行器的详细飞行状态，且这些数据都是同时按照时间顺序记录的，因此可以知道任意一个激光测距结果所对应的测点的位置，进而得到所有的激光测距结果之间在三维空间内的角度关系，随后将测距结果按照角度关系进行空间排列，就可以得到所经过的被测巷道的三维点云图，进一步通过软件将这些点云图进行网格化，将这些点都连接起来，最终就得到了整个巷道的高精度三维模型。
[0037]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本方法的技术人员在本发明披露的方法范围内，可轻易想到的改动或变化，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1.一种井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法，其特征在于:主要由激光扫描测距 模块、无人飞行器、多种传感器、配套软件等组成。2.如权利要求1所述的井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法，其特征在于:该设备 的激光扫描测距模块包含激光测距探头、旋转式平面反光镜，其中旋转式平面反光镜所在 平面与激光测距探头轴心呈45度夹角，激光测距探头发射的激光经过平面反光镜反射，转 弯90度后照射在巷道壁上进行测距，平面反光镜进行高速旋转时，反射后的激光就会随之 旋转对整个巷道截面进行测距。3.如权利要求1所述的井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法，其特征在于:该设备 的无人飞行器包含主机、单个或多个翼片、多种传感器、电池、外壳等部分组成，保证飞行器 平稳地在井下飞行并完成预定作业。4.如权利要求1、3所述的井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法，其特征在于飞行 器的主机需要存储的数据包括:测距模块的探头测得到任意点的距离以及测得该距离的时 间与平面反光镜的旋转信息，设备包含的各种传感器获得的所有数据。5.如权利要求1、3所述的井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法，其特征在于:该设 备包含的传感器包括但不限于:陀螺仪、加速计、距离传感器、重力传感器、电子罗盘等，这 些传感器能够实时采集飞行器及周围环境的数据，保证设备的正常平稳运行。6.如权利要求1、2、3所述的井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法，其特征在于:该 设备的激光扫描测距模块是固定在无人飞行器上的，且需要保证激光测距模块射出的激光 经快速旋转的平面反光镜反射后不被飞行器遮挡，能够扫描测量整个断面所有点的距离。7.如权利要求1、2、3所述的井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法，其特征在于:无 人飞行器与激光扫描模块需要满足矿山环境的特点，能够达到防尘、防水、防爆等相关标 准。8.如权利要求1所述的井下巷道高精度三维模型扫描设备与方法，其特征在于:该设备 的配套软件通过结合激光测距模块的测距信息与各种传感器捕捉的飞行器运动状态信息， 将所有的测距点空间位置进行三维还原，进而得到被测巷道的点云图，进一步通过网格化 得到航道的三维模型。
【文档编号】G01C7/06GK106005383SQ201610384423
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】聂百胜, 张辉, 何学秋, 李祥春, 孟筠青, 柳先锋
【申请人】中国矿业大学(北京)