CN105917067B - 采矿车辆以及初始化采矿工作任务的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采矿车辆和方法。采矿车辆包括至少一个扫描装置，该扫描装置用来扫描采矿车辆的周围并生成运行点云数据。采矿车辆包括控制单元，该控制单元设有矿的参考点云数据。控制单元被配置为将运行点云数据与参考点云数据匹配，以确定采矿车辆的位置。控制单元进一步包括采矿工作平面图，该采矿工作平面图连接到所探测到的采矿车辆的位置。

Description

采矿车辆以及初始化采矿工作任务的方法
发明背景
本发明涉及一种采矿车辆，其设有用于扫描采矿车辆的周围以生成用于确定采矿车辆的位置和方位的数据的扫描装置。
本发明进一步涉及一种初始化在采矿工作地点处的采矿车辆的采矿工作任务的方法。
采矿车辆用于不同的矿中，以执行在期望工作地点处的采矿工作操作。采矿车辆的定位可能需要使用大范围的且复杂的定位系统。已知的定位系统和方法也可能需要熟练的操作员并且难以自动化。
发明内容
本发明的目的是提供设有定位系统的新颖且改进的采矿车辆。进一步的目的是提供用于初始化在采矿工作地点处的采矿工作任务的新颖且改进的方法。
所公开的解决方案的思想是，采矿车辆设有一个或多个用来执行矿中的采矿工作任务的采矿工作装置。为了确定采矿车辆的位置和方向，采矿车辆包括一个或多个用来扫描采矿车辆的周围的扫描装置。扫描装置生成周围的3D扫描数据。扫描数据包括点云数据并且点云数据中的所探测到的点的坐标可被探测到。采矿车辆包括至少一个控制单元，该至少一个控制单元接收数据并且在至少一个处理器中处理数据。所述一个或多个控制单元可以被车载定位于采矿车辆上。控制单元设有一个或多个点云匹配程序，该点云匹配程序可在处理器中执行。初始第一点云数据被存储在控制单元中。第一点云数据包括所存储的在矿坐标系中的矿的参考模型。进一步地，由采矿车辆的扫描装置生成的至少一个第二点云数据也被输入到控制单元。第二点云数据包括采矿车辆的当前位置的运行扫描数据。接着，控制单元执行点云匹配程序，以将第二运行点云数据与第一参考点云数据匹配。控制单元可基于所确定的在运行点云数据与参考云数据之间的匹配来确定在矿坐标系中的采矿车辆的位置和方向。控制单元可以在扫描数据中探测在所扫描的位置处的新的或变化的周围点云对象，并且将所述新的点云数据合并到参考点云数据。当比较上述点云时，该解决方案可实施最佳点云拟合方法。此外，为了执行矿中的预先设计的采矿工作操作，控制单元设有至少一个采矿工作平面图，该至少一个采矿工作平面图限定采矿工作地点在矿坐标系中的位置和在采矿工作场点处待执行的采矿工作任务。在初始化在采矿工作场点处的采矿工作任务之前，控制单元被配置为将所确定的采矿车辆的位置和采矿工作平面图的位置连接。
依赖于扫描和点云匹配的所公开的解决方案的优点是，可以执行位置确定，而不需要大范围的勘测和测量基础设施和设备。另外的优点是，过程不需要熟练的工人并且能够容易自动化。可行的进一步的优点是，因为重复扫描和分析处理是容易且快速的，所以所公开的解决方案可获得针对所生成结果的牢固的统计学确定性。
根据实施例，采矿车辆的位置通过利用扫描以及点云处理和匹配技术来确定。为了便于处理点云，控制系统可以在比较处理中仅利用矿的点云数据的某一部分。接着，系统可被配置为确定采矿车辆当前正在运行时所处的矿的区域或区段，并且基于位置数据，系统可以将所生成的点云数据与矿的部分点云数据作比较。因此，不与矿平面图的整个3D模型进行比较。相反地，扫描的点云数据仅与采矿车辆在监视时正在运行时所处的矿的区段作比较，并且比较是对矿的整个3D模型的一个有限部分作出的。这个解决方案的优点是，在比较过程中所处理的数据的量可以是有限的，由此需要较小计算能力并且处理时间可更短。
根据实施例，设有点云匹配和处理特征的控制单元被车载地定位于采矿车辆上。
根据实施例，所公开的定位和导航系统可以实施用于在矿中运行的并且根据采矿工作平面图执行采矿工作任务的任何种类的采矿车辆。采矿车辆可以人工控制或者其可以是可自主运行的装置。人工控制的采矿车辆可以通过操作员远程控制，或者替代地，采矿车辆是载人的。因此，所公开的解决方案适合于任何采矿车辆，而不管其控制系统和自动化的程度如何。此外，采矿车辆在结构上以及运行上可以不同。由此，采矿车辆可以例如是岩石钻机、打锚机、运输车辆、装载车辆或测量车辆。任何种类的采矿车辆可设有能够确定采矿车辆的位置和方向以及隧道和岩石空间的期望表面的扫描模块。当监视和探测采矿车辆的周围时，扫描模块还可用作勘测工具。监视模块可包括一个或多个控制单元，该一个或多个控制单元用来控制模块的扫描装置和系统的运行并且用来处理所生成和所收集的测量结果。此外，监视模块可包括一个或多个数据通信单元，该一个或多个数据通信单元用来生成在车载模块与采矿控制系统的采矿控制单元之间的数据通信连接。数据通信单元还可与采矿车辆的车载控制单元通信并且可将数据传输到一个或多个外部终端装置或服务器。扫描模块可包括快速联接装置，使得扫描模块可容易地安装到任何采矿车辆。
根据实施例，采矿车辆是岩石钻机，其设计成用来钻炮眼和/或用于岩石锚杆(rock bolt)和其它加固元件的钻孔。岩石钻机包括至少一个钻臂，该钻臂设有钻孔单元。岩石钻机设有车载控制单元并且/或者与一个或多个外部控制单元通信。控制单元设有至少一个用作采矿工作平面图的钻孔图案。钻孔平面图或图案为在矿中的预定钻孔位置处的待钻的一轮钻孔限定几个钻孔在矿坐标系中的位置和方向。进一步地，控制单元被配置为将所确定的岩石钻机的位置与钻孔图案的位置连接，用来初始化在钻孔位置处的钻孔。因此，扫描技术用来将岩石钻孔的位置和方向与钻孔图案或平面图连接。
根据实施例，采矿车辆布置为在所挖出的岩石空间中运行，该岩石空间包括隧道线和在隧道线的深度方向上的实现的隧道面。岩石空间可以是隧道并且隧道面可位于隧道的末端。当之前的一轮钻孔被爆破并且分离的岩石物料被从隧道的末端移开时，实现的隧道面形成。隧道面的位置和形状可仅因隧道面通过爆破形成并且受到几个采矿工作步骤影响的事实而偏离所计划的位置和形状。为了提高挖掘过程的效率和质量，隧道面的位置被确定。因此，采矿车辆设有用来探测隧道面并且用来确定在深度方向上的隧道面相对于隧道线的位置的装置。控制单元可基于所确定的隧道面的深度位置来限定采矿工作平面图的位置。
根据实施例，采矿车辆可在所挖出的岩石空间中运行，该岩石空间包括隧道线和在隧道线的深度方向上的实现的隧道面。岩石空间可以是隧道或对应空间。隧道的挖掘沿深度方向前进。隧道面可以位于现有隧道的末端。采矿车辆包括测量装置，该测量装置用来确定在隧道线的深度方向上的隧道面的最大深度。控制单元被配置为确定所探测到的最大深度并且基于最大深度来限定隧道面的位置。隧道面的最大深度可以借助于扫描装置或者替代地借助于设有传统传感器和测量装置的钻臂(boom)来确定。
根据实施例，采矿车辆是岩石钻机并且控制单元设有几个预先设计的钻孔图案。钻孔图案或平面图中的每个可以旨在用于在所挖出的岩石空间的隧道线上的专用深度。有时，同一钻孔图案可以实施用于两轮或更多轮具有相同特性特征的钻孔。岩石钻机包括用来确定隧道面的最大深度的扫描装置或其它测量装置，并且基于该数据，控制单元可以确定相对于隧道面的计划位置的隧道面的实现位置。接着，控制单元可为待执行的钻孔图案计算期望位置。换言之，控制单元被配置为基于所确定的最大深度来调整钻孔图案的位置。在这个实施例中，所挖出的隧道面的最大深度相对于所计划的隧道线深度进行探测，并且当将岩石钻机的位置与矿连接时，使用所探测到的隧道面的深度位置。
根据实施例，采矿车辆是根据上面的段落中所公开的岩石钻机。控制单元设有几个预先设计的钻孔图案。进一步地，控制单元被配置为确定所挖出的隧道或岩石空间的隧道面的实现位置并且可基于该隧道面的位置数据来修改钻孔图案。控制单元可以例如延长或缩短钻孔图案。该实施例尤其是当同一钻孔图案用于两轮或更多轮接连的钻孔时可以被利用。
根据实施例，岩石钻机的控制单元设有几个预先设计的钻孔图案，其旨在用于隧道线上的专用深度。控制单元基于扫描和/或测量结果来确定隧道的实现的隧道面的位置。隧道面的位置可以通过探测隧道在隧道线的方向上的最大深度来确定。控制单元被配置为基于隧道面的位置来选择待执行的钻孔图案。
根据实施例，采矿车辆是岩石钻机并且布置用以为隧道或对应岩石空间的每轮钻孔钻出几个钻孔。隧道的挖掘通过钻孔和爆破接连的多轮钻孔前进。一轮钻孔的爆破生成新的隧道面以及限制空间的轮廓表面。岩石钻机包括用来确定之前一轮钻孔的实现的挖掘的扫描装置或其它测量装置。控制单元可以基于所确定的之前一轮钻孔的实现的挖掘来修改接下来一轮钻孔的钻孔图案。由此，能够避免在接下来一轮钻孔中的诸如过挖掘和欠挖掘的质量问题。
根据实施例，采矿车辆设有扫描器装置，其被配置为与控制单元一起确定隧道面的实现位置。隧道面的位置可以相对于矿、相对于诸如钻孔图案的采矿工作平面图、或者相对于采矿车辆的载体来确定。坐标变换可以在控制单元中执行，以生成期望数据。
根据实施例，采矿车辆的扫描装置布置用以向实现的隧道面扫描，由此设有坐标的点云数据由之前面挖出的至少一轮钻孔的实现面生成。控制单元被配置为基于所生成的点云数据来确定实现面的性质。控制单元可将所确定的实现面的实现性质与所述至少一轮钻孔的预定设计性质比较。控制单元可基于所生成的点云数据来确定在矿坐标系中的隧道面的位置、隧道面的隧道轮廓和/或隧道面的地形。替代地，或此外，控制单元可基于所生成的点云数据来确定隧道面相对于隧道线的方向。此外，控制单元可被配置为将所确定的隧道面的实现性质与隧道面的预定设计性质比较，并且其还可被配置为响应于在比较中所探测到的偏差而修改钻孔图案。控制单元可修改例如在钻孔图案中确定的一轮钻孔的孔视角(look out angle)、孔间隔或孔长度。任何其它校正动作可以基于所探测到的质量和状态数据而执行。
根据实施例，采矿车辆包括至少一个钻臂，该钻臂设有采矿工作装置，该采矿工作装置位于钻臂的远端部。钻臂被仪器化，并且隧道面相对于载体的位置通过将采矿工作装置布置成与隧道面接触并且借助于包括传感器或测量装置的仪器化的钻臂而确定隧道面的位置来确定。在机器坐标系中的所探测到的采矿工作装置的位置坐标可以借助于在控制单元中执行的坐标变换程序而转换为矿坐标系的矿坐标。
根据实施例，采矿工作装置的位置和方向通过扫描采矿车辆的周围来确定，由此建立采矿工作装置的点云数据。控制单元设有采矿工作装置的参考点云数据。参考数据可以是采矿工作装置的设计数据，或者其可通过采矿工作装置的初始扫描生成。点云处理程序在控制单元中执行，用来将扫描的点云数据与参考点云数据比较，以在扫描的点云数据中搜索并探测采矿工作装置。在采矿工作装置已经从点云数据中找到之后，采矿工作装置的位置和方向可基于点云中的匹配点的坐标而确定。
根据实施例，控制单元被配置为确定并记录受到在矿坐标系中的采矿车辆的采矿工作装置影响的钻孔的位置和方向。采矿车辆可以是岩石钻机或岩石加固钻机，这两者都包括影响钻孔的装置。控制单元可确定钻孔单元的馈送梁(feed beam)的位置和方向，并且当钻孔单元处于钻孔处时，可将所确定的数据记录为钻孔的位置和方向数据。这个解决方案的优点是，钻孔和岩石锚杆的位置和方向可被记录和存储起来，而不需要任何额外装置和测量。
根据实施例，采矿工作装置被配置为也用作勘测工具，由此采矿工作装置可以被定位顶靠在对象上，并且采矿工作装置的位置数据借助于扫描和点云匹配或者借助于设有传感器的仪器化的钻臂来确定。
根据实施例，采矿车辆设有用于生成关于周围表面的点云数据的扫描装置。控制单元设有矿平面图，该矿平面图包括矿的3D模型。矿的3D模型包括在矿坐标系中的点云数据。控制单元被配置为将借助于扫描装置生成的点云数据与矿的3D模型比较。控制单元可包括用于在扫描数据中探测在扫描的位置处的新的或变化的周围点云对象的合适程序、算法、处理器和数据处理装置。由此，矿的新建立的或变化的壁或其它表面被探测到并且被记录。采矿控制单元可以将新的点云数据合并到矿的已实现的3D模型的点云数据。由此，采矿控制单元可基于所接收到的扫描数据而更新矿的3D模型。矿中的变化由于该实施例而被注意到并且可被考虑到。当矿的已实现的3D模型是最新的时，关于矿的可靠信息可用于几个目的。
根据实施例，采矿车辆设有用于生成关于周围表面的点云数据的扫描装置。控制单元被配置为通过提取周围表面的点云数据并且去除所有其它对象的点云数据来处理所接收到的扫描数据，由此建立了周围表面的简化的点云数据。由于简化的点云数据，便于存储和处理数据。简化的点云数据的数据包的大小可以更小并且数据不包括不必要的信息。此外，当勘测隧道的新的或变化的区域时，可以利用简化的点云数据的原理。接着，控制单元可以将新的简化的点云数据与矿的3D模型的点云数据比较。基于点云的比较，采矿控制单元可以通过将简化的点云数据合并到矿的已实现的3D模型来更新矿的3D模型。由于简化的点云数据，没有不相关的点云数据被合并到矿的3D模型。
根据实施例，设有扫描装置的采矿车辆用作移动勘测装置。当执行采矿车辆的专用正常操作时，采矿车辆可连续执行勘测。如果采矿车辆是岩石钻机或加固钻机，则当其停止在工作地点处以执行钻孔或馈送加固元件或物料时，其可以扫描周围。还可以限定的是，每次当采矿车辆不移动时，扫描至少被执行一次。由于这个过程，矿可被重复地并且与正常操作处理并行地勘测，而不需要任何额外资源。因此，矿的3D模型可以是准确的和更新的。
根据实施例，控制单元设有至少一个合并规则，该至少一个合并规则定义在第二扫描数据与参考点云数据之间的所要求的匹配率。控制单元被配置为仅当满足所设定的合并规则时，将新的点云数据合并到矿的参考模型的参考点云数据。
根据实施例，采矿车辆设有扫描模块，该扫描模块包括框架、一个或多个扫描装置以及一个或多个数据传输装置或单元。扫描模块可借助于数据传输装置与一个或多个控制单元通信。扫描模块还可包括一个或多个控制单元，该一个或多个控制单元设有处理器和对于处理所生成的监视数据所需的计算机程序和算法。监视模块可以设计成使得其可安装到任何采矿车辆。扫描模块的紧固单元可包括快速联接装置。
根据实施例，扫描装置是激光扫描仪。
根据实施例，扫描装置包括至少一个摄像机。扫描装置可基于包括至少两个摄像机的立体视觉系统。替代地，扫描可基于公知为对焦深度(depth from focus)系统的技术，其中，使用一个摄像机，并且方法基本上通过取得对象的焦点堆栈(focus stack)并且接着分析每个像素相对于其相邻像素的亮度来工作。控制单元可设有图像处理系统，该图像处理系统用来处理从所述一个或多个摄像机接收的数据。
根据实施例，除了扫描单元外，扫描装置还包括至少一个摄像机，该至少一个摄像机用来记录所扫描的障碍物的颜色信息。所记录的颜色信息可连接到所扫描的点云数据。这样，额外信息可被收集。
根据实施例，3D扫描数据通过扫过被测量的表面或对象的激光的飞行的往返时间来获得。这种类型的远程感测技术也公知为LiDAR(光探测和测距)。
根据实施例，3D扫描数据通过单一(调制)光源的飞行的往返时间和从被测量的表面或对象的不同部分的反射的返回时间来获得。这种类型的远程感测技术也公知为ToF(飞行时间)。在该实施例中，可以使用ToF摄像机。
根据实施例，3D扫描数据通过在一个或多个摄像机图像中所示的投射到被测量的表面或对象的光的已知图案的几何尺寸来获得。这种类型的3D扫描也公知为结构光3D扫描技术。
根据实施例，3D扫描数据通过从不同视点分析取自同一目标的多个图像来获得。在该实施例中，可利用立体摄像机系统。控制单元可设有图像处理系统，该图像处理系统用来处理从两个或更多个摄像机接收的图像数据。
根据实施例，采矿车辆包括至少一个数据通信装置，该至少一个数据通信装置允许在车载控制单元与一个或多个外部控制单元之间的数据通信。数据通信可基于任何无线数据传输技术。矿可设有利用无线电波信号的无线网络。数据传输可基于例如无线局域网络(WLAN)。
根据实施例，控制系统包括一个或多个在矿和采矿车辆外部的计算机或控制单元。替代地，控制系统可包括一个或多个服务器，该一个或多个服务器允许访问用来检索从扫描数据在被分析时所在的控制单元传输的数据的电子终端装置。控制单元还可被认为是意指允许访问所处理的数据的其它数据通信和分配装置。
根据实施例，设有至少一个处理器和至少一个点云匹配程序的控制单元位于采矿车辆中。因此，采矿车辆设有用以从周围收集数据并在车上处理该数据的全部所需资源。该实施例也可在矿系统的数据连接丢失或未正确运行的情况下运行。最新版本的矿的参考模型可在适当情况下下载到车载控制单元并且可存储在车载存储介质中。所下载的矿模型可由原始矿模型组成，或者其可被过滤成仅包含描述的图案和特征。仅下载采矿车辆目前运行时所处的矿的区段的有限点云数据集也是可能的。
根据实施例，设有至少一个处理器和至少一个点云匹配程序的控制单元位于采矿车辆的外部。扫描数据可以经由例如无线数据传输连接而传输到外部控制单元。控制单元可以处理所接收的扫描数据并且可将处理后的数据发送回位于采矿车辆中的控制单元。分析和处理服务可以实现为在诸如采矿服务器的外部服务器中的云服务，由此采矿车辆的控制单元不需要设有计算能力。
根据实施例，用于确定采矿车辆的位置和方向的控制单元包括：连接装置，该连接装置用于与包括至少一个扫描装置的采矿车辆操作通信；接收装置，该接收装置用于从采矿车辆接收采矿车辆的当前位置的运行扫描数据，扫描数据包括由所述至少一个扫描装置生成的第二运行点云数据；以及处理装置，该处理装置用来处理所接收到的运行扫描数据；并且控制单元设有允许在处理器中执行的至少一个点云匹配程序以及包括所存储的在矿坐标系中的矿的参考模型的第一初始点云数据，控制单元被配置为执行点云匹配程序，以将所接收的第二运行点云数据与第一参考点云数据匹配，并且基于所确定的在运行点云数据与参考云数据之间的匹配而确定在矿坐标系中的采矿车辆的位置和方向，控制单元设有至少一个采矿工作平面图，该至少一个采矿工作平面图限定在矿坐标系中的采矿工作地点的位置以及在采矿工作地点处的待执行的采矿工作任务，并且控制单元被配置为将所确定的采矿车辆的位置和采矿工作平面图的位置连接，用来初始化在采矿工作地点处的采矿工作任务。
所公开的与采矿车辆相关的详细实施例也涉及方法，反之亦然。
包括扫描装置、点云匹配程序和控制单元的相同设备可用于采矿工作装置的导航、位置探测以及钻孔、矿勘测、防止碰撞，而且还可用于为采矿控制和车队管理系统提供信息。
能够组合上面所公开的实施例，以形成设有所公开的必要特征的适当解决方案。
附图说明
在附图中更详细描述某些实施例，其中：
图1是设有扫描和监视装置的岩石钻机的侧视图，
图2示意地示出了扫描包围采矿车辆的表面和物理障碍物的原理，
图3是布置在采矿车辆的载体上的扫描模块的示意侧视图，
图4是当处理扫描结果时所使用的点云匹配的基本原理的示意图，
图5是探测矿的新的或变化表面的并在扫描数据与参考数据匹配之后合并所探测到的偏离点云数据的处理的示意且强烈简化的视图，
图6是合并所探测到的新扫描的点的更新后的参考点云数据的示意且强烈简化的视图，
图7是示出能够处理点云数据的控制单元的相关元件、处理装置和特征的示意图，
图8是隧道面钻孔方法的示意俯视图，其中，岩石钻机定位于钻孔地点，用来根据钻孔图案将钻孔钻到隧道的末端隧道面，
图9是扇形钻孔方法的示意俯视图，其中，岩石钻机定位于钻孔地点，用来根据钻孔图案将钻孔钻到先导隧道的内轮廓表面，
图10是扇形钻孔方法的示意侧视图，
图11是钻孔图案的示意图，
图12是示出岩石钻机的定位以及待钻孔的钻孔图案的示意俯视图，并且
图13是包括几个隧道的矿以及在隧道中运行的并与采矿控制系统通信的不同类型的采矿车辆的示意图。
为了清楚起见，附图以简化的方式示出了所公开的解决方案的某些实施例。在附图中，相同的附图标记标识相同的元件。
具体实施方式
图1示出了作为采矿车辆的示例的岩石钻机1。岩石打锚机(bolting rig)、装药钻机(charging rig)、测量车辆、运输车辆和装载车辆也是采矿车辆。因此，如图12所示，采矿车辆可以设有诸如岩石钻孔单元、打锚单元、装药单元、装载单元和负荷运载单元的采矿工作装置。所公开的解决方案可应用于所有类型的采矿车辆。
岩石钻机1可包括可移动载体2和连接到载体2的一个或多个钻臂3。钻孔单元4可处于钻臂3的远端部分。钻孔单元4可包括馈送梁5和支承在其上的岩石钻孔机6。岩石钻孔机6可包括在岩石钻孔机6的前端处的柄部，其用来连接钻具7。除了钻孔单元外，至少一个钻臂3还可包括采矿工作装置。因此，采矿工作装置可以例如是岩石打锚单元或装药单元。
在图1中，岩石钻机1在地下矿井空间8中运行，矿井空间8可以例如是隧道、存储过道(hall)或通道(corridor)。矿井空间8可包括端面表面9、壁表面10和顶表面11。岩石钻机1设有一个或多个扫描装置S，该扫描装置S用来测量岩石钻机1的周围。扫描装置S可以扫描360°并且因此可以测量周围表面以及在岩石钻机1周围的其它障碍物并且生成系统的扫描数据。扫描装置S可包括激光扫描仪、摄像机或能够生成点云数据的任何其它装置。扫描装置S可以放置在载体2上。
扫描装置S可以放置在采矿车辆上的已知位置上。那么，扫描装置的坐标在采矿车辆的机器坐标系12中是已知的。扫描装置观看四周并且也因此可以探测到采矿车辆的一个或多个对象、零件或部件。
替代地，当所公开的系统利用点云匹配技术时，不需精确地预先确定并校准扫描装置S的位置。那么，岩石钻机的至少一个参考部件或对象在扫描数据中被探测到并且所探测到的对象的所生成的点云数据用于确定扫描装置S在载体2上的相对位置。
岩石钻机1具有机器坐标系12，而矿井具有矿井坐标系13。一个或多个控制单元14a可以车载在岩石钻机1上，用来接收扫描数据、执行点云匹配和搜索测量、生成位置数据并根据本专利申请中所公开的原理来执行所需的坐标变换。控制单元还可以设有一个或多个采矿工作平面图，在该情况中是钻孔图案，根据该采矿工作平面图，在工作地点执行采矿工作操作。
扫描装置S可以是扫描模块SM的组成部分，扫描模块SM包括：框架30，该框架30设有安装装置；以及控制单元CU，该控制单元CU设有处理器和执行上述位置确定过程所需的程序。
钻臂3可以没有任何传感器，因为所需位置和方向数据可通过扫描来生成。然而，钻臂3和采矿工作装置可以可替代地包括用于位置和方向确定的传统传感器或测量装置31。
在矿井坐标系中的采矿车辆1的位置和方向可以通过利用扫描和点云匹配技术来确定。扫描装置也可用来确定端面9的位置、矿井空间8的轮廓、以及端面和空间8的内表面的地形。
图1进一步公开了，采矿车辆1可与一个或多个外部采矿控制单元MCU通信，该外部采矿控制单元MCU可以是采矿控制系统的组成部分。
图2示出了围绕采矿车辆1的矿井空间8的表面的扫描。因此，点云数据15可由壁表面10a、10b和顶表面11生成。同样地，空间8的最大深度，即端面可被扫描到。如在简化的图2放大地公开的，壁表面10a、10b和顶表面11的表面因岩石物料通过爆破分离而具有各种单独的形状。表面的地形可以被认为是一种矿井的指印。可生成矿井空间8的实现的表面的3D扫描数据。因此，矿井的3D模型可基于扫描的点云数据进行更新。
图2还公开了，借助于扫描，所监视对象MO也可被探测到并且可生成所监视对象的点云。所监视对象MO的点云数据包括如下的点，所述点是所监视对象的特征。基于点建立的形状，所监视对象MO可在扫描过程的搜索步骤中被识别。控制单元14a可接着为限定在点云中的所监视对象的所识别的点而确定坐标并可确定所监视对象在机器坐标系12中的位置和方向。当采矿车辆1的位置已知时，控制单元14a可将所监视对象MO的位置和方向数据转换成矿井坐标系13的坐标。采矿车辆1在矿井中的位置可借助于扫描技术来确定。采矿车辆1和所监视对象MO的位置、以及关于所扫描的矿井空间8的实现的表面地形和端面表面的位置的信息可被确定。
在图2中，以及在图4中，其中扫描装置S的射线遇到物理目标并引起探测的点用黑圆点17示出。点云数据15包括由扫描建立的几个点17。点17示出为黑圆点。能够认为，点云数据表示扫描所看到的信息。每个点17具有在机器坐标系12中的坐标x、y和z，由此所监视对象MO的位置和方向可在机器坐标系12中相对于扫描装置S来确定。所监视对象MO可基于输入到控制单元14a或CU的参考数据而从点云数据中找到。
同样地，当采矿车辆的位置已知并且利用坐标变换时，在矿井空间8的底部的端面表面以及其它表面的位置、方向和地形可在矿井坐标系13中确定。
在图3中，扫描模块SM布置在采矿车辆1的载体2上。扫描模块SM包括扫描装置S、框架18和控制单元CU。控制单元CU可布置为处理从扫描装置S和测量装置接收的测量数据并且可借助于数据通信单元DCU仅将处理过的数据和数据元素发送到采矿控制单元MCU或任何其它外部控制单元。此外，扫描装置S或扫描模块可包括快速联接装置，由此其能够容易安装到采矿车辆1。
图4公开了借助于扫描和点云匹配来确定采矿车辆1的位置和方位的基本原理。采矿车辆1的周围被扫描并且生成第二点云数据21。第一初始点云数据22可事先被建立并且其可存储到车载在采矿车辆1上的控制单元14a或外部控制单元14c。控制单元14a、14c可设有处理器以及用于将第二点云数据21与第一点云数据22匹配的点云匹配程序或算法。因此，第一点云数据22用作参考点云数据，而第二点云数据21用作运行点云数据。在图4中，匹配23以强烈简化的方式示出。基于匹配23，控制单元14a或14b可确定采矿车辆1在矿井坐标系13中的位置和朝向。点云数据的每个点17具有x坐标、y坐标和z坐标。在图4的简化示例中，第二点云数据21与参考点云数据22完全拟合。
上述点云匹配分析的原理和点云的最佳拟合过程还可用于搜索和探测诸如采矿车辆的钻臂或采矿工作装置的所监视对象的位置和方向。在图案匹配过程中，系统搜索所监视对象并为其计算位置和方向数据。
图5公开了探测新的或变化的矿井表面。设有扫描装置的采矿车辆可用作移动勘测装置。因此，采矿车辆当其停止在工作地点以执行钻孔或任何其它限定的采矿操作时可扫描周围。控制单元被配置为执行点云匹配分析并且将第二运行扫描数据21与存储在控制单元中的或在其中检索到的参考扫描数据22进行比较。在图案匹配过程中，系统探测第二运行扫描数据21是否包括不存在于参考点云数据22中的一个或多个新的周围点17a。这些新点17a在图5中示出为具有白色填充的圆点。控制单元可设有一个或多个合并规则，该规则定义在第二扫描点云数据21与参考点云数据22之间的所需的匹配率。合并规则可定义例如50％匹配的需求。如果满足所设定的合并规则，则新点17a合并到参考点云数据22。因此，采矿车辆允许新建立的壁或变化的表面被探测到到并被记录。图6公开了合并所探测到的新扫描点的更新后的新参考点云数据22a。
图7示出了可行控制单元以及可在控制单元的处理器中执行用来处理所生成的点云数据的所需的程序。控制单元生成位置数据，该位置数据可用于采矿车辆的运行控制并用来确定采矿车辆的位置和采矿工作平面图。
所公开的控制单元可以车载在采矿车辆上，由此其可以预处理扫描数据并且可借助于数据传输装置而仅将结果传输到采矿控制单元。
图8示出了隧道面钻孔方法，其中，岩石钻机定位于钻孔地点，用来根据钻孔图案而将钻孔钻到隧道的端面。替代地，一轮钻孔(round)R的钻孔可以根据任何其它类型的挖掘平面图来控制。隧道的深度随着挖掘前进而增大。因此，隧道的深度逐轮地增加。深度的方向DD借助于箭头示出。
隧道面钻机1运行时所处的所挖出的岩石空间8包括隧道线TL以及在隧道线TL的深度方向DD上的实现的隧道面9。隧道面9位于隧道8的末端。当之前一轮钻孔R被爆破时，隧道面9形成。隧道面的位置和形状可能偏离用虚线9a表示的所计划的位置和形状。隧道面钻机1设有用来确定钻机在矿井中的位置的扫描装置SD或模块。扫描技术还可用来确定在深度方向DD上的隧道面9相对于隧道线TL的位置。系统可确定在隧道线TL的深度方向DD上的隧道面9的最大深度并且可基于最大深度来精确地限定隧道面的位置。此外，所生成的扫描数据还可用来确定隧道面9的隧道轮廓、隧道面9相对于隧道线TL的方向以及隧道面9的地形。
图9和10示出了扇形钻孔方法的原理，其中，岩石钻机1定位于钻孔地点，用来根据钻孔图案将钻孔钻到先导隧道8b的内轮廓表面IS。在扇形钻孔中，可使用限定钻孔的位置和方向的扇形钻孔图案。扇形钻机1设有用来确定钻机在矿井中的位置的扫描装置SD或模块。扫描技术还可用来确定在深度方向DD上的隧道面9相对于隧道线TL的位置。所挖出的隧道8的表面S和隧道轮廓也可被扫描并探测到。
在隧道面钻孔和扇形钻孔中，也能够将预先设计的隧道线TL而不是钻孔图案用作采矿工作平面图。进一步地，沿隧道线的隧道的内部轮廓也可以被预先确定并输入到控制单元。采矿工作平面图也可为期望隧道部分限定最小轮廓和最大轮廓。
图11示出了隧道面钻孔的钻孔图案32的xz投影。钻孔图案32限定布置在多个嵌套(nested)行34a-34c上的多个钻孔33。此外，钻孔图案32可包括放置在最里面的钻孔行34c与切口36之间的区段中的现场孔(field hole)35a至35c。在钻孔图案34中，钻孔33可被表示为圆。此外，各个钻孔33的方向可用钻孔图案32中的方向线37表示。在钻孔33之间的距离被称为孔间隔38。钻孔图案32的性质和参数可通过在控制单元的处理器中执行钻孔图案设计程序或对应的采矿工作平面图处理程序来修改。当修改接下来一个钻孔图案时，之前轮的钻孔的监视和感测结果可被考虑进来。
图12示出了与待钻的一轮钻孔R相关联的钻孔图案32的原理。待挖掘隧道8的隧道面9可设有导航平面N，钻孔图案32的坐标系可附连到导航平面N。导航平面N可位于隧道面9的前面。钻孔图案32可包括岩石钻机1在坐标系中的所确定的位置和方向，在这种情况下，岩石钻机1在钻孔开始之前根据坐标系导航。一轮钻孔R的底部可进一步包括在与图案的长度对应的离开导航平面N的距离处的爆破平面39。
图13示出了包括几个隧道8a-8d的矿井以及在隧道中运行的不同采矿车辆1a-1d。在最低的隧道8a处，有用来将炮眼(blast hole)钻到隧道的端面的隧道面钻机1a。扇形钻机1b将扇形状钻孔图案钻到第二隧道8b中。在第三隧道8c中，装载车辆1c运载分离下来的岩石物料，并且进一步地，装药车辆1d在第四隧道8d中运行。所有这些在矿井中运行的采矿车辆可设有上面所公开的采矿工作平面图和扫描模块，由此它们可在该专利申请中公开的载人情况下被定位和运行。采矿车辆还可为采矿控制单元MCU提供勘测和监视数据。采矿控制单元MCU可位于控制室中并可连接到一个或多个终端装置或显示单元DU，其用来给操作员提供关于当前状态的信息并且用来显示情况报告。
当扇形钻机1b用于挖隧道时，其可在先导隧道中运行并可将炮眼钻到先导隧道的隧道壁和隧道顶上。在使钻孔爆破之后，先导隧道被扩大。两个接连的钻孔扇形限定一轮钻孔R的长度。在隧道面钻孔中，隧道面钻机1a将钻孔钻到端表面、即隧道8a的隧道面。在开发挖掘之后，所形成的矿井空间可以借助于采矿车辆的监视模块来勘测。监视模块可包括用来扫描隧道8a-8d的隧道面及其它表面的扫描装置。
附图及相关描述仅旨在说明本发明的思想。在其细节上，本发明可在权利要求书的范围内变化。

Claims (12)

1.一种采矿车辆，包括：
可移动载体；
至少一个采矿工作装置，所述至少一个采矿工作装置用来在矿中执行采矿工作任务；
至少一个扫描装置，所述至少一个扫描装置用来扫描所述采矿车辆的周围并生成周围的3D扫描数据；
至少一个控制单元，所述至少一个控制单元被配置为接收数据并且在至少一个处理器中处理所述数据，并且设有允许在所述处理器中执行的至少一个点云匹配程序；
初始第一点云数据被储存在所述控制单元中，所述第一点云数据包括所存储的所述矿在矿坐标系中的参考模型；
由所述采矿车辆的所述扫描装置生成的至少一个第二点云数据被输入到所述控制单元，所述第二点云数据包括所述采矿车辆的当前位置的运行扫描数据；
所述控制单元被配置为执行所述点云匹配程序，以将所述第二点云数据与所述第一点云数据匹配；
所述控制单元被配置为基于所确定的在所述第二点云数据与所述第一点云数据之间的匹配来确定在所述矿坐标系中的所述采矿车辆的位置和方向；
所述控制单元被构造成在运行扫描数据中探测在所扫描的位置处的新的或变化的周围点云对象，探测新建立的或变化的壁的点云数据，并且将新的点云数据合并到所述矿的参考模型的点云数据，由此所述控制单元被构造成基于所述扫描数据更新所述矿的参考模型；
所述控制单元设有至少一个采矿工作平面图，所述至少一个采矿工作平面图限定在所述矿坐标系中的采矿工作地点的位置以及在所述采矿工作地点上待执行的采矿工作任务；并且
所述控制单元被配置为将所确定的所述采矿车辆的位置和所述采矿工作平面图的位置连接，用来初始化在所述采矿工作地点上的所述采矿工作任务。
2.如权利要求1所述的采矿车辆，其中，
所述控制单元被配置为确定所述采矿车辆在运行时所在的矿的区域或区段，并且基于位置数据，所述控制单元被配置为将所述扫描的第二点云数据与所述矿的部分的点云数据进行比较，由此专用且有限的点云数据用作所述比较中的参考数据。
3.如权利要求1或2所述的采矿车辆，其中，
所述采矿车辆是岩石钻机，所述岩石钻机包括至少一个设有钻孔单元的钻臂；
所述控制单元设有至少一个钻孔图案，所述至少一个钻孔图案用作所述采矿工作平面图并为在所述矿中的预定钻孔位置处的待钻的一轮钻孔限定在所述矿坐标系中的几个钻孔的位置和方向；并且
所述控制单元被配置为将所确定的所述岩石钻机的位置与所述钻孔图案的位置连接，用来初始化在所述钻孔位置处的钻孔。
4.如权利要求1或2所述的采矿车辆，其中，
所述采矿车辆能够在所挖出的岩石空间中运行，所述岩石空间包括隧道线和在所述隧道线的深度方向上的实现的隧道面；
所述采矿车辆设有用来探测所述隧道面并且用来确定在深度方向上的所述隧道面相对于所述隧道线的位置的装置；并且
所述控制单元被配置为基于所确定的所述实现的隧道面的深度位置来限定所述采矿工作平面图的位置。
5.如权利要求4所述的采矿车辆，其中，
所述采矿车辆包括测量装置，所述测量装置用来确定在所述隧道线的深度方向上的所述隧道面的最大深度；并且
所述控制单元被配置为确定所探测到的所述最大深度，以限定所述隧道面的位置。
6.如权利要求4所述的采矿车辆，其中，
所述扫描装置被布置用以向所述实现的隧道面扫描，由此设有坐标的点云数据由之前挖出的至少一轮钻孔的实现的隧道面生成；并且
所述控制单元被配置为基于所生成的点云数据而确定所述实现的隧道面的性质。
7.如权利要求5所述的采矿车辆，其中，
所述采矿车辆包括至少一个钻臂并且所述采矿工作装置位于所述钻臂的远端部分；并且
所述钻臂被仪器化，并且所述隧道面相对于所述载体的位置通过将所述采矿工作装置布置成与所述隧道面接触并借助于包括测量装置的仪器化的所述钻臂确定所述隧道面的位置来确定。
8.如权利要求1或2所述的采矿车辆，其中，
所述采矿工作装置的位置和方向通过扫描所述采矿车辆的周围来确定，由此建立所述采矿工作装置的点云数据；
所述至少一个控制单元设有所述采矿工作装置的参考点云数据；并且
至少一个点云处理程序在所述至少一个控制单元中执行，用来将所述扫描的点云数据与所述参考点云数据进行比较，以在所述扫描的点云数据中搜索并探测所述采矿工作装置并且确定所述采矿工作装置的位置和方向。
9.如权利要求1或2所述的采矿车辆，其中，
所述控制单元设置有采矿平面图，所述采矿平面图包括所述矿的3D模型；
所述矿的3D模型包括在矿坐标系中的点云数据；
所述控制单元被配置为将借助于所述扫描装置生成的所述点云数据在所探测到的位置方面与所述矿的3D模型进行比较，并且被配置为在所述扫描数据中探测在所述扫描的位置处的新的或变化的周围点云对象，从而允许新建立的或变化的壁被探测并被记录；并且
所述控制单元被配置为将所述新的点云数据合并到所述矿的3D模型的所述点云数据，由此所述控制单元被配置为基于所述扫描数据来更新所述矿的3D模型。
10.如权利要求9所述的采矿车辆，其中
所述控制单元被配置为通过提取周围表面的点云数据并且去除所有其它对象的点云数据来处理接收到的所述扫描数据，由此建立所述周围表面的简化的点云数据。
11.一种用来确定矿中的设有至少一个扫描装置的采矿车辆的位置和方向的采矿车辆中的控制单元，所述控制单元包括：
连接装置，所述连接装置用于与所述至少一个扫描装置操作通信；
接收装置，所述接收装置用于从所述至少一个扫描装置接收所述采矿车辆的当前位置的运行扫描数据，所述扫描数据包括由所述至少一个扫描装置生成的第二运行点云数据；
处理装置，所述处理装置用于处理所接收到的所述运行扫描数据；其中，
所述控制单元设有允许在所述处理装置中执行的至少一个点云匹配程序；
所述控制单元设有初始第一点云数据，所述初始第一点云数据包括所存储的在矿坐标系中的所述矿的参考模型；
所述控制单元被配置为执行所述点云匹配程序，以将所接收的所述第二运行点云数据与所述初始第一点云数据匹配；
所述控制单元被配置为基于所确定的在所述第二运行点云数据与所述初始第一点云数据之间的匹配来确定在所述矿坐标系中的所述采矿车辆的位置和方向；
所述控制单元被构造成在运行扫描数据中探测在所扫描的位置处的新的或变化的周围点云对象，探测新建立的或变化的壁的点云数据，并且将新的点云数据合并到所述矿的参考模型的点云数据，由此所述控制单元被构造成基于所述扫描数据更新所述矿的参考模型；所述控制单元设有至少一个采矿工作平面图，所述至少一个采矿工作平面图限定在所述矿坐标系中的采矿工作地点的位置以及在所述采矿工作地点上待执行的采矿工作任务；并且
所述控制单元被配置为将所确定的所述采矿车辆的位置和所述采矿工作平面图的位置连接，用来初始化在所述采矿工作地点处的所述采矿工作任务。
12.一种初始化在采矿工作地点处的采矿工作任务的方法，
所述方法包括：
定位在矿中的采矿车辆；
借助于所述采矿车辆的至少一个车载扫描装置来执行所述采矿车辆的周围的至少一个运行扫描；
将所述周围的所述运行扫描的所生成的至少一个运行点云数据输入到设有点云匹配程序的至少一个控制单元；
将3D矿模型的点云数据储存在所述控制单元中并且将其用作所述矿的参考点云数据，其中，所述参考点云数据包括在矿坐标系中的所述参考点云数据的坐标；
在所述控制单元的处理器中执行所述点云匹配程序，用来搜索在所述运行点云数据与所述参考点云数据之间的匹配点；
利用匹配处理的结果来确定在所述矿坐标系中的所述采矿车辆的位置和方向；
利用匹配处理的结果来在运行扫描数据中探测在所扫描的位置处的新的或变化的周围点云对象，探测新建立的或变化的壁的点云数据，并且将新的点云数据合并到所述矿的参考模型的点云数据，由此所述控制单元被构造成基于所述扫描数据更新所述矿的参考模型；
使所述控制单元也设有至少一个采矿工作平面图，所述至少一个采矿工作平面图限定在所述矿坐标系中的采矿工作地点的位置以及在所述采矿工作地点处待执行的采矿工作任务；以及
将所确定的所述采矿车辆的位置和所述采矿工作平面图的位置连接，用来初始化在所述采矿工作地点处的所述采矿工作任务。
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