CN107990876A - 基于无人飞行器的地下矿山采空区快速扫描装置及方法 - Google Patents

基于无人飞行器的地下矿山采空区快速扫描装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于无人飞行器的地下矿山采空区快速扫描装置及方法，属于矿山测量及安全技术领域。该方法涉及智能无人飞行系统、机载三维激光扫描系统、LED照明系统、配套软件与终端无线传输模块等。本方法采用改进的SLAM及空间覆盖算法，通过融合无人机内置的传感器数据及三维激光扫描数据，可实现无人飞行器的自主避障飞行及扫描路径的自主规划，通过无线传输与终端连接，实现采空区三维点云模型的实时生成及可视化。该发明方法扫描速度快、精度高，各种传感器、激光扫描仪和配套软件的相互配合，可实现地下采空区的自动化、智能化扫描，是一种理想的扫描方法，也是未来发展的方向。

Description

基于无人飞行器的地下矿山采空区快速扫描装置及方法
技术领域
本发明涉及矿山测量及安全技术领域，特别是指一种基于无人飞行器的地下矿山采空区快速扫描装置及方法。
背景技术
地下开采是矿产资源开采的主要方式。自20世纪末以来，我国矿业开采秩序较为混乱，非法无序的乱采滥挖在一些矿山及其周边留下了大量的采空区，目前已成为矿山安全生产的主要危害源之一。采空区的稳定性直接关系到深部矿山的生产安全，因此，对深部采场采空区稳定性进行研究，并及时进行处理具有重要意义。由于地下开采的复杂性，采空区形态各异，而采空区的形态是影响采空区稳定性的关键因素之一，因此准确获得采空区空间形态是进行稳定性分析的基础。
目前通常采用激光扫描技术获得采空区的三维空间模型，但传统的激光扫描测量技术设备仍有较大的不足。传统的激光扫描设备测量时要固定在某一位置对，极易产生阻挡，造成数据的损失。当采空区较大时，需要在不同位置固定设备进行测量，造成后期建模时要进行点云的拼接，极易造成测量的失真。另外，传统设备的设置时间较长，且扫描时间较长。
设计的基于无人飞行器的地下矿山采空区快速智能化扫描方法特别适合地下金属矿采空区快速准确的三维扫描，该方法提供一个高度灵活的扫描方法，速度快、准确性高，智能化程度高，可大大提高采空区扫描的速度和精度。
发明内容
本发明针对地下矿山采空区三维激光探测具有扫描效率低、设备易被阻挡、后期数据处理复杂、适应性差等问题，提供一种基于无人飞行器的地下矿山采空区快速扫描装置及方法，既能提高扫描效率、缩短扫描时间，又能提高扫描精度，降低后期建模处理难度。本发明所述方法适合各种类型的地下矿山采空区。
本发明装置包括智能无人飞行系统、机载三维激光扫描系统、LED照明系统、配套软件和终端无线传输模块，其中，智能无人飞行系统包括无人飞行器、LDS激光测距雷达传感器、超声雷达传感器、碰撞传感器、三轴陀螺仪、三轴加速度计、里程计、无线传输模块，另外同时布置三颗独立的处理器，用于数据的采集及处理，同时还包括电池、内存等必备的元器件；机载三维激光扫描系统布置在无人飞行器上部，包括三维激光扫描仪和高分辨率摄像传感器，三维激光扫描仪用于获得采空区空间边界三维点云数据，根据探测需要，可开启摄像传感器，并配合LED照明系统可获得采空区两帮及顶板的影像；LED照明系统设置在无人飞行器上。
其中，无人飞行器为强化型四轴无人飞行器，该无人飞行器包括碰撞传感器、飞行器配重、电池仓、旋翼、向上激光雷达传感器、向上超声雷达传感器、缓冲器、机载三维激光扫描仪、固定底座、向上LED灯、向下激光雷达传感器、向下超声雷达传感器、旋转激光测距雷达、飞控系统中心、固定底座连接器、向前LED灯、向下LED灯和着陆架。
该基于无人飞行器的地下矿山采空区快速扫描装置的方法，采用基于SLAM的动态启发式路径搜索算法，配合Morse Decompositions空间覆盖算法，实现采空区扫描的自主全局路径规划及实时的局部路径规划，且避免重复扫描。实时构建三维点云模型时，首先通过内嵌算法对三维激光扫描原始数据进行优化，获得局部采空区三维扫描的点云数据；然后基于ICP算法，与激光雷达距离数据、三轴陀螺仪数据、里程计数据及加速度计数据等环境数据进行匹配，实现局部点云数据和全局三维空间的拼接；最后，进行三维空间数据融合，将这一轮来自激光扫描仪的新数据拼接到原始三维空间当中，最终完成空间数据的更新，即实现采空区三维空间点云模型的实时构建。另外，可根据需要，进行采空区边界的影像采集，进行贴图操作，实现采空区三维空间真实情况的可视化。
具体步骤如下：
S1将三维激光扫描仪通过固定底座固定在无人飞行器上部靠前位置；
S2对整个装置进行调试，确定各模块工作正常，然后设定无人飞行器和三维激光扫描仪参数；
S3将无人飞行器放置于测量起始点，打开开关，准备测量；
S4在无人飞行器上设置标定点，采用全站仪，测定标定点坐标，将坐标标定在矿山全局坐标系中；
S5通过终端无线传输模块与终端进行无线连接，通过终端操纵开始测量；
S6无人飞行器上传感器和三维激光扫描仪同时进行数据采集，并实时存储进入数据控制中心，进行数据的筛选、融合及匹配，生成点云模型及无人飞行器在模型中的位置点，通过实时数据反馈，实现无人飞行器的自主避障及路径的自主规划；
S7所述S6中点云模型生成过程中，通过无线传输将数据实时传送至手机或电脑终端，通过配套软件，生成三维点云模型，并实时更新；
S8扫描完毕后，通过扫描得到的点云模型数据，无人飞行器自动返回到出发地点，并自主降落。
其中，S2中设定的无人飞行器和三维激光扫描仪参数包括飞行速度、扫描精度、传感器数据清零。
S7中数据包括实时生成的采空区三维点云模型、无人机空间位置图像、无人机飞行速度、倾斜度以及无人飞行器与周边障碍物的距离。
该方法中使用的设备需要满足地下矿山的环境，达到防尘、防水及防爆等要求。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
①扫描方式灵活、快速，可对各种采空区进行扫描探测，克服了采空区传统三维激光扫描方法探测范围小、效率低、数据易丢失、后续数据处理复杂等缺点；
②本方法所述设备内置了多种传感器，可有效的保证无人飞行器的自主避障飞行，并保证设备的安全飞行；
③本方法所述设备采用了先进的SLAM算法，融合各种传感器及激光探测系统数据，可实现扫描路径的自主规划，并实时构建采空区三维点云模型，并可获得采空区边界的实时图像。
附图说明
图1为本发明的基于无人飞行器的地下矿山采空区快速扫描方法原理框图；
图2为本发明的基于无人飞行器的地下采空区快速智能化扫描方法工作流程图；
图3为本发明的无人飞行器自主避障及路径规划示意图；
图4为本发明的无人飞行器及激光扫描设备简易结构示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为仰视图，(c)为正视图。
其中：1-碰撞传感器；2-飞行器配重；3-电池仓；4-旋翼；5-向上激光雷达传感器；6-向上超声雷达传感器；7-缓冲器；8-机载三维激光扫描仪；9-固定底座；10-向上LED灯；11-向下激光雷达传感器；12-向下超声雷达传感器；13-旋转激光测距雷达；14-飞控系统中心；15-固定底座连接器；16-向前LED灯；17-向下LED灯；18-着陆架。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种基于无人飞行器的地下矿山采空区快速扫描装置及方法。该装置及方法包含多种组件和传感器，可实现对地下矿山采空区快速高精度的扫描，并实现点云模型的实时生成。在无人飞行器不同位置布置LDS激光测距雷达和超声测距雷达，可实现全方位的扫描测距，有效实现避障飞行，内置的各种传感器可有效的保证无人飞行器路径有序平稳飞行。同时，内嵌即时定位与地图构建(SLAM)算法，融合内部传感器运行数据及三维探测数据，实时构建采空区三维点云模型，并通过无线传输技术与PC端或手机端连接，实现三维点云模型的可视化。同时，该发明满足地下矿山对防爆等安全的要求，可适合于各种矿井井下巷道。
该装置包括智能无人飞行系统、机载三维激光扫描系统、LED照明系统、配套软件和终端无线传输模块，其中，智能无人飞行系统包括无人飞行器、LDS激光测距雷达传感器、超声雷达传感器、碰撞传感器、三轴陀螺仪、三轴加速度计、里程计、无线传输模块，由于数据量较大，同时布置高性能应用处理器、数字信号处理器及微控制器，三者互相协作，同步采集并处理传感器信息。同时还包括电池、内存等必备的元器件；机载三维激光扫描系统布置在无人飞行器上部，包括三维激光扫描仪和高分辨率摄像传感器，任意一次探测的范围均可越过无人机的遮挡，探测采空区前方360°范围的采空区空间形态，通过无人飞行器的自主飞行，实现采空区全范围的探测扫描；LED照明系统设置在无人飞行器上。
运行过程中，LDS激光测距雷达传感器要进行高速的360°扫描，获取周围障碍物到激光测距传感器中心的距离信息，同时，配合内置的超声雷达传感器，有效的躲避地下水等无法反射激光的物体，保证无人飞行器的安全避障飞行。
三轴陀螺仪用于实时监测滚动角、俯仰角和水平角的变化情况，从而判断机器朝向，三轴加速度计可实时监测无人飞行器x，y和z三个方向的加速度，用来判定机器是否倾斜或有无突然的碰撞等状况。
无人飞行器周围布置碰撞传感器和缓冲，当无人飞行器周边与边壁发生碰触后，缓冲器会发生形变，压迫内侧按钮，碰撞传感器通过按钮判断是否处于压迫状态，以及碰撞的具体位置，从而控制无人飞行器及时转向。顶部和底部均匀布置激光雷达距离探测器，实时探测无人飞行器与顶板和底板的距离大小，及时调整飞行高度，保证设备安全。
里程计可用来记录无人飞行器的行驶距离，转速传感器通过脉冲检测旋翼转速，实时监测旋翼转速，并对转速形成记录。
其中，无人飞行器为强化型四轴无人飞行器，如图4所示，该无人飞行器包括碰撞传感器1、飞行器配重2、电池仓3、旋翼4、向上激光雷达传感器5、向上超声雷达传感器6、缓冲器7、机载三维激光扫描仪8、固定底座9、向上LED灯10、向下激光雷达传感器11、向下超声雷达传感器12、旋转激光测距雷达13、飞控系统中心14、固定底座连接器15、向前LED灯16、向下LED灯17和着陆架18。
本发明方法采用基于SLAM的动态启发式路径搜索算法，无需预先知道采空区内部情况，配合Morse Decompositions空间覆盖算法，实现采空区扫描的自主全局路径规划及实时的局部路径规划，且避免重复扫描。实时构建三维点云模型时，首先通过内嵌软件对三维激光扫描原始数据进行优化，剔除有问题数据，获得局部采空区三维扫描的点云数据；然后基于ICP算法，与激光雷达距离数据、三轴陀螺仪数据、里程计数据及加速度计数据等环境数据进行匹配，实现局部点云数据和全局三维空间的拼接；最后，进行三维空间数据融合，也就是将这一轮来自激光扫描仪的新数据拼接到原始三维空间当中，最终完成空间数据的更新，即实现采空区三维空间点云模型的实时构建。另外，可根据需要，进行采空区边界的影像采集，进行贴图操作，实现采空区三维空间真实情况的可视化。
采用无线传输的方式与PC终端或手机终端建立联系并传递数据，数据包括实时生成的采空区三维点云模型、无人机空间位置图像、无人机飞行速度、倾斜度等飞行数据以及无人飞行器与周边障碍物的距离等。
下面结合本发明所附示意图进行描述。
本发明所采用的基于无人飞行器的地下采空区快速智能化扫描方法原理如图1所示。通过传感器、三维激光扫描仪的配合，在中心控制系统中进行数据融合、匹配、反馈，控制无人飞行器的自主避障及自动规划路径，并实现三维点云模型的实时更新与构建。
图2展示了本发明中基于无人飞行器的地下采空区快速智能化扫描方法工作流程图，其中：
S1将三维激光扫描仪通过固定底座9固定在无人飞行器上部靠前位置；
S2对整个装置进行调试，确定各模块工作正常，然后设定无人飞行器和三维激光扫描仪参数；
S3将无人飞行器放置于测量起始点，打开开关，准备测量；
S4在无人飞行器上设置标定点，采用全站仪，测定标定点坐标，将坐标标定在矿山全局坐标系中；
S5通过终端无线传输模块与终端进行无线连接，通过终端操纵开始测量；
S6无人飞行器上传感器和三维激光扫描仪同时进行数据采集，并实时存储进入数据控制中心，进行数据的筛选、融合及匹配，生成点云模型及无人飞行器在模型中的位置点，通过实时数据反馈，实现无人飞行器的自主避障及路径的自主规划；
S7所述S6中点云模型生成过程中，通过无线传输将数据实时传送至手机或电脑终端，通过配套软件，生成三维点云模型，并实时更新；
S8扫描完毕后，通过扫描得到的点云模型数据，无人飞行器自动返回到出发地点，并自主降落。
图3展示了无人飞行器自主避障及路径规划原理示意图。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于无人飞行器的地下矿山采空区快速扫描装置，其特征在于：包括智能无人飞行系统、机载三维激光扫描系统、LED照明系统、配套软件和终端无线传输模块，其中，智能无人飞行系统包括无人飞行器、LDS激光测距雷达传感器、超声雷达传感器、碰撞传感器、三轴陀螺仪、三轴加速度计、里程计、无线传输模块；机载三维激光扫描系统布置在无人飞行器上部，包括三维激光扫描仪和高分辨率摄像传感器；LED照明系统设置在无人飞行器上。
2.根据权利要求1所述的基于无人飞行器的地下矿山采空区快速扫描装置，其特征在于：所述无人飞行器为强化型四轴无人飞行器，该无人飞行器包括碰撞传感器(1)、飞行器配重(2)、电池仓(3)、旋翼(4)、向上激光雷达传感器(5)、向上超声雷达传感器(6)、缓冲器(7)、机载三维激光扫描仪(8)、固定底座(9)、向上LED灯(10)、向下激光雷达传感器(11)、向下超声雷达传感器(12)、旋转激光测距雷达(13)、飞控系统中心(14)、固定底座连接器(15)、向前LED灯(16)、向下LED灯(17)和着陆架(18)。
3.根据权利要求1所述的基于无人飞行器的地下矿山采空区快速扫描装置的方法，其特征在于：该方法步骤如下：
S1将三维激光扫描仪通过固定底座(9)固定在无人飞行器上部靠前位置；
S2对整个装置进行调试，确定各模块工作正常，然后设定无人飞行器和三维激光扫描仪参数；
S3将无人飞行器放置于测量起始点，打开开关，准备测量；
S4在无人飞行器上设置标定点，采用全站仪，测定标定点坐标，将坐标标定在矿山全局坐标系中；
S5通过终端无线传输模块与终端进行无线连接，通过终端操纵开始测量；
S6无人飞行器上传感器和三维激光扫描仪同时进行数据采集，并实时存储进入数据控制中心，进行数据的筛选、融合及匹配，生成点云模型及无人飞行器在模型中的位置点，通过实时数据反馈，实现无人飞行器的自主避障及路径的自主规划；
S7所述S6中点云模型生成过程中，通过无线传输将数据实时传送至手机或电脑终端，通过配套软件，生成三维点云模型，并实时更新；
S8扫描完毕后，通过扫描得到的点云模型数据，无人飞行器自动返回到出发地点，并自主降落。
4.根据权利要求3所述的基于无人飞行器的地下矿山采空区快速扫描装置的方法，其特征在于：所述S2中设定的无人飞行器和三维激光扫描仪参数包括飞行速度、扫描精度、传感器数据清零。
5.根据权利要求3所述的基于无人飞行器的地下矿山采空区快速扫描装置的方法，其特征在于：所述S7中数据包括实时生成的采空区三维点云模型、无人机空间位置图像、无人机飞行速度、倾斜度以及无人飞行器与周边障碍物的距离。
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