煤矿井下掘进巷道的轮廓标示方法

本发明涉及智能煤矿，尤其涉及一种煤矿井下掘进巷道的轮廓标示方法。

背景技术：

1、掘进机在进行掘进作业时，很多场景都需要对掘进巷道的轮廓进行标示，以实现掘进巷道的三维展示，从而便于观察掘进机的作业情况。例如，通过标示掘进巷道的轮廓，可以对掘进巷道进行实时的超挖和欠挖检测。

2、传统在进行煤矿井下掘进巷道轮廓的标示时，主要通过经纬仪、全站仪等测量仪器，每隔5-10m进行断面测量，并基于测量数据绘制出断面图。然而，断面图仅仅反映出了掘进巷道的局部信息。另外，传统的掘进巷道轮廓标示方法需要耗费大量人力物力，还存在安全隐患，这也与煤矿智能化的发展相悖。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种煤矿井下掘进巷道的轮廓标示方法。本发明的技术方案如下：

2、一种煤矿井下掘进巷道的轮廓标示方法，其包括：

3、s1，掘进机在掘进作业完成后，掘进机机身静止并开始进行支护作业时，激光雷达在第一位置对掘进机所在方向的作业区域进行三维激光扫描，得到t时刻和t+1时刻采集的初始点云并发送至服务器；所述激光雷达固定在巷道顶板正下方；

4、s2，服务器对t时刻和t+1时刻采集的初始点云进行滤波，并采用ransac算法分别从t时刻和t+1时刻滤波后的点云中提取掘进巷道点云；

5、s3，服务器对t时刻和t+1时刻对应的掘进巷道点云进行配准，得到t时刻和t+1时刻之间掘进机的位姿变化，并根据t时刻和t+1时刻之间掘进机的位姿变化建立第一局部点云地图；

6、s4，随着掘进机的前移，移动激光雷达至第二位置，激光雷达在第二位置对掘进机所在方向的作业区域进行三维激光扫描，服务器根据激光雷达的扫描结果建立第二局部点云地图；

7、s5，服务器拼接第一局部点云地图和第二局部点云地图，得到掘进巷道的全局轮廓地图。

8、可选地，所述s2中，服务器在对t时刻采集的初始点云进行滤波时，包括：

9、s21，对于t时刻采集的初始点云中的任一激光点，服务器判断任一激光点是否是激光雷达的视野边缘点；如果是，则滤除所述任一激光点。

10、可选地，所述s21中，服务器在判断任一激光点是否是激光雷达的视野边缘点时，包括：

11、s211，服务器通过如下公式（1）计算任一激光点的角度；

12、（1）

13、公式（1）中，i表示t时刻采集的初始点云中的第i个激光点，φi表示激光点i的角度，(xi，yi，zi)表示激光点i的坐标；

14、s212，如果任一激光点的角度大于所述激光雷达的预设视场角，则确定任一激光点是激光雷达的视野边缘点。

15、可选地，所述s2中，服务器在对t时刻采集的初始点云进行滤波时，包括：

16、s22，服务器从t时刻采集的初始点云中剔除激光强度ii在[imin，imax]区间外的激光点，其中，i表示t时刻采集的初始点云中的第i个激光点，ii表示激光点i的激光强度。

17、可选地，所述s2中，服务器在对t时刻采集的初始点云进行滤波时，包括：

18、s23，服务器从t时刻采集的初始点云中剔除入射角小于预设阈值的激光点。

19、可选地，所述s23中，服务器在从t时刻采集的初始点云中剔除入射角小于预设阈值的激光点时，包括：

20、s231，对于t时刻采集的初始点云中的任一激光点，获取与其最近的n个激光点；

21、s232，使用最小二乘法将任一激光点及其最近的n个激光点拟合成一个平面，并计算出所述平面的过所述任一激光点的平面法向量，计算平面法向量与原点和所述任一激光点连成的向量之间的夹角θ°，且如果|θ-90|≤20，则剔除所述任一激光点。

22、可选地，所述s3，服务器在对t时刻和t+1时刻对应的掘进巷道点云进行配准，得到t时刻和t+1时刻之间掘进机的位姿变化，并根据t时刻和t+1时刻之间掘进机的位姿变化建立第一局部点云地图时，包括：

23、服务器使用迭代最近点算法匹配t时刻对应的掘进巷道点云和t+1时刻对应的掘进巷道点云，得到t时刻和t+1时刻之间掘进机的旋转矩阵r和平移向量t，并根据掘进机的旋转矩阵r和平移向量t将t+1时刻对应的掘进巷道点云投影到t时刻对应的掘进巷道点云下，得到第一局部点云地图。

24、可选地，所述s5中，服务器在拼接第一局部点云地图和第二局部点云地图，得到掘进巷道的全局轮廓地图时，包括：

25、服务器以第一局部点云地图和第二局部点云地图的巷道迎头处作为匹配的初值，通过迭代最近点算法拼接第一局部点云地图和第二局部点云地图，得到掘进巷道的全局轮廓地图。

26、可选地，所述激光雷达为类固态式激光雷达。

27、上述所有可选技术方案均可任意组合，本发明不对一一组合后的结构进行详细说明。

28、借由上述方案，本发明的有益效果如下：

29、通过设置激光雷达对掘进机所在方向的作业区域进行三维激光扫描，并根据激光雷达在不同位置（第一位置和第二位置）的扫描结果生成局部点云地图后，对局部点云地图进行拼接得到掘进巷道的全局轮廓地图，提供了一种能够反映掘进巷道全局信息的轮廓标示方法，该方法耗费的人力资源少，能够节省人力成本和减小安全隐患，具有实时性、非接触式、人力需求小等优点。

30、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

技术特征：

1.一种煤矿井下掘进巷道的轮廓标示方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的煤矿井下掘进巷道的轮廓标示方法，其特征在于，所述s2中，服务器在对t时刻采集的初始点云进行滤波时，包括：

3.根据权利要求2所述的煤矿井下掘进巷道的轮廓标示方法，其特征在于，所述s21中，服务器在判断任一激光点是否是激光雷达的视野边缘点时，包括：

4.根据权利要求1所述的煤矿井下掘进巷道的轮廓标示方法，其特征在于，所述s2中，服务器在对t时刻采集的初始点云进行滤波时，包括：

5.根据权利要求1所述的煤矿井下掘进巷道的轮廓标示方法，其特征在于，所述s2中，服务器在对t时刻采集的初始点云进行滤波时，包括：

6.根据权利要求5所述的煤矿井下掘进巷道的轮廓标示方法，其特征在于，所述s23中，服务器在从t时刻采集的初始点云中剔除入射角小于预设阈值的激光点时，包括：

7.根据权利要求1所述的煤矿井下掘进巷道的轮廓标示方法，其特征在于，所述s3，服务器在对t时刻和t+1时刻对应的掘进巷道点云进行配准，得到t时刻和t+1时刻之间掘进机的位姿变化，并根据t时刻和t+1时刻之间掘进机的位姿变化建立第一局部点云地图时，包括：

8.根据权利要求1所述的煤矿井下掘进巷道的轮廓标示方法，其特征在于，所述s5中，服务器在拼接第一局部点云地图和第二局部点云地图，得到掘进巷道的全局轮廓地图时，包括：

9.根据权利要求1所述的煤矿井下掘进巷道的轮廓标示方法，其特征在于，所述激光雷达为类固态式激光雷达。

技术总结
本发明涉及一种煤矿井下掘进巷道的轮廓标示方法，属于智能煤矿技术领域。包括：激光雷达在第一位置对掘进机所在方向的作业区域进行三维激光扫描，得到t时刻和t+1时刻采集的初始点云并发送至服务器；服务器对t时刻和t+1时刻采集的初始点云进行滤波并提取掘进巷道点云后，进行掘进巷道点云配准，得到t时刻和t+1时刻之间掘进机的位姿变化，并根据位姿变化建立第一局部点云地图；激光雷达在第二位置对掘进机所在方向的作业区域进行三维激光扫描，服务器根据激光雷达的扫描结果建立第二局部点云地图；服务器拼接第一局部点云地图和第二局部点云地图，得到掘进巷道的全局轮廓地图。本发明具有实时性、非接触式、人力需求小等优点。

技术研发人员：王宏伟,王浩然,胡韧,杨彦群,李丽绒,董志勇,曹文艳,吴卓然
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8