CN107843208A - 一种矿山巷道轮廓感知方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿山巷道轮廓感知方法，首先无轨设备从初始位置开始移动，移动过程中通过CPU采集线激光测距传感器的点云数据，并控制电机的运行；所述电机驱动所述线激光测距传感器进行旋转，获得待检测矿山巷道的三维点云数据；利用IMU实时获取所述无轨设备的方位和姿态信息，同时与所述线激光测距传感器采集的点云数据进行实时匹配，获得某个时刻巷道的轮廓信息，实现巷道局部地图的创建；采用SLAM技术对获得的不同时刻的点云数据进行匹配，统一到世界坐标系下，实现巷道轮廓数据的关联，并更新巷道轮廓全局地图。利用上述方法及系统可实现矿山井下巷道轮廓快速高效、精确的三维测量。

Description

一种矿山巷道轮廓感知方法及系统

技术领域

本发明涉及矿山设备技术领域，尤其涉及一种矿山巷道轮廓感知方法及系统。

背景技术

目前，地下巷道体的断面表现为梯形和直壁拱形，巷道断面的选取取决于支架类型，而巷道支架类型又取决于岩石稳定性及其使用年限。岩石较稳固、使用年限短，一般多用木材支架，这时断面常为梯形；岩石不稳固或使用年限较长，一般采用混凝土支架，这时断面为直壁拱形。在矿山巷道环境中，无轨设备精确的定位是以环境地图为基础的，然而在环境地图的重建过程中,必须知道设备在各个测量点的精确位置；因此当无轨设备在巷道未知环境中时，就会面临如下两个问题，一方面是为了重建环境地图，必须知道各个时刻的自身位置；另一方面为了实现无轨设备自身的定位，必须知道确切的环境地图信息。为了使得设备在未知环境中有效地进行环境探测,需要同时维护定位和地图重建两个模型，然而在地下矿山无法利用GPS进行定位，而且无法事先获取工作环境的地图，这时设备需要在自身位置不确定的条件下，在完全未知环境中创建地图，即无轨设备的同步定位与地图创建(Simultaneous Localization and Mapping，简称SLAM)问题。

现有技术中，一般通过矿用三维激光扫描仪固定一个位置扫描巷道三维轮廓，由于巷道狭长，三维激光扫描仪无法一次完成所有轮廓测量，需要通过多次测量，最终将多次测量数据拼接成巷道完整三维轮廓。但是每次测量数据都需要通过全站仪标定三维激光扫描仪坐标系，最终多次测量数据需要导入统一矿山坐标系，才能完成数据拼接，因此该方法测量效率低，同时每次测量时三维激光扫描仪不能移动，否则坐标错误，使得测量便携性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种矿山巷道轮廓感知方法及系统，利用该方法及系统可实现矿山井下巷道轮廓快速高效、精确的三维测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种矿山巷道轮廓感知方法，所述方法包括：

步骤1、首先无轨设备从初始位置开始移动，移动过程中通过CPU采集线激光测距传感器的点云数据，并控制电机的运行；

步骤2、所述电机驱动所述线激光测距传感器进行旋转，获得待检测矿山巷道的三维点云数据；

步骤3、利用惯性测量单元IMU实时获取所述无轨设备的方位和姿态信息，同时与所述线激光测距传感器采集的点云数据进行实时匹配，获得某个时刻巷道的轮廓信息，实现巷道局部地图的创建；

步骤4、再提取巷道的轮廓特征，将多个特征进行匹配，实现所述无轨设备的自主定位；

步骤5、采用SLAM技术对获得的不同时刻的点云数据进行匹配，统一到世界坐标系下，实现巷道轮廓数据的关联，并更新巷道轮廓全局地图。

在所述步骤5中，采用SLAM技术对获得的不同时刻的点云数据进行匹配的过程具体为：

将所述IMU获取的数据和线激光测距传感器采集的数据进行实时匹配，获得t时刻巷道三维轮廓信息；

将所获取的t时刻巷道三维轮廓信息当做基准图，对比t时刻与t+1时刻的三维点云数据，从所述基准图中提取具有不变特征或明显特征的子区，并将已知子区作为模板，在t+1时刻测量的数据中搜索与该模板相似的区域；

当匹配相似性测度达到最大且超过预先设定的阈值时，则判定为找到了正确的匹配位置，将t时刻、t+1时刻的数据进行匹配，重复区域的点云数据叠加；

重复上述操作，直到完成整个巷道轮廓点云数据的匹配。

在SLAM数据匹配的过程中，采用多信息方差倒数加权、数字滤波技术对多传感器所获取的各种感知信息进行融合，以消除单一数据的不确定性。

所述线激光测距传感器的扫描平面角度范围为180°，能采用1°/0.5°/0.25°三种扫描角解析度。

所述方法还包括：

通过所述无轨设备的移动获取待检测矿山巷道整体轮廓的三维点云信息，并通过无线路由器发送给手持PDA进行展示。

一种矿山巷道轮廓感知系统，所述系统包括处理器CPU、惯性测量单元IMU、线激光测距传感器和电机，所述系统搭载在无轨设备上，其中：

当所述无轨设备从初始位置开始移动时，通过所述处理器CPU采集所述线激光测距传感器的点云数据，并控制所述电机的运行；

所述电机驱动所述线激光测距传感器进行旋转，获得待检测矿山巷道的三维点云数据；

所述IMU实时获取所述无轨设备的方位和姿态信息，同时与所述线激光测距传感器采集的点云数据进行实时匹配，获得某个时刻巷道的轮廓信息，实现巷道局部地图的创建；

再由所述处理器CPU提取巷道的轮廓特征，将多个特征进行匹配，实现所述无轨设备的自主定位；同时采用SLAM技术对获得的不同时刻的点云数据进行匹配，统一到世界坐标系下，实现巷道轮廓数据的关联，并更新巷道轮廓全局地图。

所述系统能由测量人员手持，由所述测量人员手持所述系统在待检测矿山巷道中移动并连续测量。

所述系统还包括无线路由器和手持PDA，通过所述无线路由器将获取的待检测矿山巷道整体轮廓的三维点云信息发送给所述手持PDA进行展示。

所述系统还包括锂电池，通过所述锂电池实现自主供电。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用上述方法及系统可实现矿山井下巷道轮廓快速高效、精确的三维测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的矿山巷道轮廓感知方法流程示意图；

图2为本发明实施例所提供系统的整体框架图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的矿山巷道轮廓感知方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、首先无轨设备从初始位置开始移动，移动过程中通过CPU采集线激光测距传感器的点云数据，并控制电机的运行；

步骤2、所述电机驱动所述线激光测距传感器进行旋转，获得待检测矿山巷道的三维点云数据；

步骤3、利用惯性测量单元IMU实时获取所述无轨设备的方位和姿态信息，同时与所述线激光测距传感器采集的点云数据进行实时匹配，获得某个时刻巷道的轮廓信息，实现巷道局部地图的创建；

步骤4、再提取巷道的轮廓特征，将多个特征进行匹配，实现所述无轨设备的自主定位；

步骤5、采用同步定位与地图创建SLAM技术对获得的不同时刻的点云数据进行匹配，统一到世界坐标系下，实现巷道轮廓数据的关联，并更新巷道轮廓全局地图。

在该步骤中，采用SLAM技术对获得的不同时刻的点云数据进行匹配的过程具体为：

将所述IMU获取的数据和线激光测距传感器采集的数据进行实时匹配，获得t时刻巷道三维轮廓信息；

将所获取的t时刻巷道三维轮廓信息当做基准图，对比t时刻与t+1时刻的三维点云数据，从所述基准图中提取具有不变特征或明显特征的子区，并将已知子区作为模板，在t+1时刻测量的数据中搜索与该模板相似的区域；

当匹配相似性测度达到最大且超过预先设定的阈值时，则判定为找到了正确的匹配位置，将t时刻、t+1时刻的数据进行匹配，重复区域的点云数据叠加；

重复上述操作，直到完成整个巷道轮廓点云数据的匹配。

另外，在SLAM数据匹配的过程中，可以采用多信息方差倒数加权、数字滤波技术对多传感器所获取的各种感知信息进行融合，以消除单一数据的不确定性。

上述线激光测距传感器的扫描平面角度范围为180°，能采用1°/0.5°/0.25°三种扫描角解析度。当以0.5°解析度完成一次180°范围内的平面扫描，耗时大约为27毫秒，根据测量分辨率不同，该系统同时具有厘米和毫米两种距离测量模式，最大测距范围分别为81米和8.1米。如激光测量系统设定扫描范围为180°，角分辨率为0.5°，扫描一次可以得到361个数据，激光测量系统以数据包形式发送数据，加上起始字节、校验位以及工作模式的说明，数据包的大小为723字节。

具体实现过程中，还可以通过所述无轨设备的移动获取待检测矿山巷道整体轮廓的三维点云信息，并通过无线路由器发送给手持PDA进行展示。

基于上述的方法，本发明实施例还提供了一种矿山巷道轮廓感知系统，如图2所示为本发明实施例所提供系统的整体框架图，所述系统主要包括处理器CPU、惯性测量单元IMU、线激光测距传感器和电机，所述系统搭载在无轨设备上，其中：

当所述无轨设备从初始位置开始移动时，通过所述处理器CPU采集所述线激光测距传感器的点云数据，并控制所述电机的运行；

所述电机驱动所述线激光测距传感器进行旋转，获得待检测矿山巷道的三维点云数据；

所述IMU实时获取所述无轨设备的方位和姿态信息，同时与所述线激光测距传感器采集的点云数据进行实时匹配，获得某个时刻巷道的轮廓信息，实现巷道局部地图的创建；

再由所述处理器CPU提取巷道的轮廓特征，将多个特征进行匹配，实现所述无轨设备的自主定位；同时采用SLAM技术对获得的不同时刻的点云数据进行匹配，统一到世界坐标系下，实现巷道轮廓数据的关联，并更新巷道轮廓全局地图。

具体实现中，该系统能由测量人员手持，由所述测量人员手持所述系统在待检测矿山巷道中移动并连续测量。测量人员一次测量即可测量出巷道整体三维轮廓，测量效率高、便携性好、测量精度高。

另外，该系统还包括无线路由器和手持PDA，通过所述无线路由器将获取的待检测矿山巷道整体轮廓的三维点云信息发送给所述手持PDA进行展示。

同时，该系统还包括锂电池，通过所述锂电池实现自主供电。无需外部供电，提高井下移动便携性。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述方法及系统具有如下优点：

(1)巷道三维轮廓感知过程简单，通过无轨设备在巷道环境中移动即可测量出巷道整体三维轮廓信息，只需一次测量，不需要多站测量、数据拼接，测量效率高；

(2)测量的巷道点云数据达几十万、上百万个点，点云密度大，测量分辨率高，可更全面、细致反映巷道三维轮廓，因此系统测量精度高；

(3)测量过程中，不同时刻测量数据通过SLAM算法实现实时匹配，设备可移动，测量便携性好。

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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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。

Claims (9)

1.一种矿山巷道轮廓感知方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、首先无轨设备从初始位置开始移动，移动过程中通过CPU采集线激光测距传感器的点云数据，并控制电机的运行；

步骤2、所述电机驱动所述线激光测距传感器进行旋转，获得待检测矿山巷道的三维点云数据；

步骤3、利用惯性测量单元IMU实时获取所述无轨设备的方位和姿态信息，同时与所述线激光测距传感器采集的点云数据进行实时匹配，获得某个时刻巷道的轮廓信息，实现巷道局部地图的创建；

步骤4、再提取巷道的轮廓特征，将多个特征进行匹配，实现所述无轨设备的自主定位；

步骤5、采用同步定位与地图创建SLAM技术对获得的不同时刻的点云数据进行匹配，统一到世界坐标系下，实现巷道轮廓数据的关联，并更新巷道轮廓全局地图。

2.根据权利要求1所述的矿山巷道轮廓感知方法，其特征在于，在所述步骤5中，采用SLAM技术对获得的不同时刻的点云数据进行匹配的过程具体为：

将所述IMU获取的数据和线激光测距传感器采集的数据进行实时匹配，获得t时刻巷道三维轮廓信息；

将所获取的t时刻巷道三维轮廓信息当做基准图，对比t时刻与t+1时刻的三维点云数据，从所述基准图中提取具有不变特征或明显特征的子区，并将已知子区作为模板，在t+1时刻测量的数据中搜索与该模板相似的区域；

当匹配相似性测度达到最大且超过预先设定的阈值时，则判定为找到了正确的匹配位置，将t时刻、t+1时刻的数据进行匹配，重复区域的点云数据叠加；

重复上述操作，直到完成整个巷道轮廓点云数据的匹配。

3.根据权利要求2所述的矿山巷道轮廓感知方法，其特征在于，在SLAM数据匹配的过程中，采用多信息方差倒数加权、数字滤波技术对多传感器所获取的各种感知信息进行融合，以消除单一数据的不确定性。

4.根据权利要求1所述的矿山巷道轮廓感知方法，其特征在于，

所述线激光测距传感器的扫描平面角度范围为180°，能采用1°/0.5°/0.25°三种扫描角解析度。

5.根据权利要求1所述的矿山巷道轮廓感知方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过所述无轨设备的移动获取待检测矿山巷道整体轮廓的三维点云信息，并通过无线路由器发送给手持PDA进行展示。

6.一种矿山巷道轮廓感知系统，其特征在于，所述系统包括处理器CPU、惯性测量单元IMU、线激光测距传感器和电机，所述系统搭载在无轨设备上，其中：

当所述无轨设备从初始位置开始移动时，通过所述处理器CPU采集所述线激光测距传感器的点云数据，并控制所述电机的运行；

所述电机驱动所述线激光测距传感器进行旋转，获得待检测矿山巷道的三维点云数据；

所述IMU实时获取所述无轨设备的方位和姿态信息，同时与所述线激光测距传感器采集的点云数据进行实时匹配，获得某个时刻巷道的轮廓信息，实现巷道局部地图的创建；

再由所述处理器CPU提取巷道的轮廓特征，将多个特征进行匹配，实现所述无轨设备的自主定位；同时采用SLAM技术对获得的不同时刻的点云数据进行匹配，统一到世界坐标系下，实现巷道轮廓数据的关联，并更新巷道轮廓全局地图。

7.如权利要求6所述的矿山巷道轮廓感知系统，其特征在于，

所述系统能由测量人员手持，由所述测量人员手持所述系统在待检测矿山巷道中移动并连续测量。

8.如权利要求6所述的矿山巷道轮廓感知系统，其特征在于，

所述系统还包括无线路由器和手持PDA，通过所述无线路由器将获取的待检测矿山巷道整体轮廓的三维点云信息发送给所述手持PDA进行展示。

9.如权利要求6所述的矿山巷道轮廓感知系统，其特征在于，

所述系统还包括锂电池，通过所述锂电池实现自主供电。