CN110118550B - 一种综采工作面高精度三维导航地图的生成系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种综采工作面高精度三维导航地图的生成系统及方法，适用于无人化开采技术领域使用。生成系统包括槽波地震仪、激光雷达、组合导航装置、探地雷达和数据处理单元：数据处理单元获取各个传感器采集的数据；对采集数据进行坐标转换、特征融合和一致性处理，生成煤层、断层/褶皱、巷道的Delaunay三角网；绘制三角网的高精度剖面图，计算剖面图拓扑关系，生成剖面图拓扑数据结构，建立基于高精度剖面图的导航信息自动查询数据库平台，构建出综采工作面高精度三维导航地图。本发明生成的高精度三维导航地图可为综采装备提供准确的煤层厚度信息、煤层变化倾角和危险地质构造空间位置，起到高精度定位、信息感知、路径规划等功能。

Description

一种综采工作面高精度三维导航地图的生成系统及方法
技术领域
本发明涉及一种生成系统及方法，尤其适用于无人化开采技术领域使用的一种综采工作面高精度三维导航地图的生成系统及方法。
背景技术
煤矿无人化开采是国际煤炭开采领域共同追求的前沿技术，是减少人员伤亡、保障安全生产的重要手段也是我国煤矿实现安全、高效、绿色开采的有效途径。目前，在地质条件和煤层结构相对简单的工作面可以采用记忆截割和人工远程干预相结合方式来实现无人化开采，但我国大部分工作面的地质条件和煤层结构都非常复杂(如煤层起伏变化大，存在断层、褶皱等危险地质构造)，导致现有技术无法实现无人化开采。
发明内容
技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种步骤简单，适用方便，全自动化且精度高的综采工作面高精度三维导航地图的生成系统及方法。
为实现上述技术目的，本发明的综采工作面高精度三维导航地图的生成系统，包括车载移动测量平台和设置在待开采煤层两侧的槽波地震仪，槽波地震仪包括间隔设置在上巷道中的发射器和间隔设置在下巷道中的接收器，接收器之间通过网线连接并连接有无线发射器；
车载移动测量平台上分别设有数据接收处理器、激光雷达、惯性导航装置和探地雷达，数据接收处理器和探地雷达固定在车载移动测量平台上方，激光雷达固定在数据接收处理器上方，惯性导航装置固定在车载移动测量平台中心位置，激光雷达、惯性导航装置和探地雷达通过网线与数据接收处理器进行数据传输，槽波地震仪的接收器通过无线发射器与数据接收处理器进行数据传输。
所述发射器为槽波地震信号发射器，接收器为槽波地震信号接受器，槽波地震信号接受器通过无线发射器将数据传送给数据接收处理器，槽波地震信号发射器与槽波地震信号接受器对应设置，形成槽波地震信号检波序列。
综采工作面高精度三维导航地图的生成方法，其步骤如下：
a.车载移动测量平台在待开采煤层周围的上巷道、左中切巷、下巷道和右中切巷中以40km/h左右的速度匀速运动：
b.数据接收处理器随着车载移动测量平台移动到无线发射器附近通过无线信号获取槽波地震仪采集的待开采煤层的地质数据：包括待开采煤层煤层厚度信息、煤层变化倾角和危险地质构造空间位置；
激光雷达不间断的向巷道顶板表面发射激光光束，并根据接收到反射回来的激光光束的返回时间差计算出巷道表面与激光雷达之间的距离，形成巷道的三维点云数据；激光雷达通过网线将三维点云数据发送给数据接收处理器；
惯性导航装置通过车载移动测量平台相对于惯性系的旋转角速度和加速度矢量，计算得到车载移动测量平台的位姿和运动轨迹信息，然后通过网线连接传送给数据接收处理器；
探地雷达通过发射单元向巷道顶板煤层中发射电磁波信号，接受单元通过检测电磁波信号在煤层中的传播时间，精确的计算出综采工作面上下巷道顶板的剩留煤厚数据，并通过网线连接传送给数据接收处理器；
c.对车载移动测量平台和槽波地震仪采集的数据进行坐标转换、特征融合和一致性处理；
d.通过数据接收处理器对车载移动测量平台和槽波地震仪采集的数据进行处理，分别生成待开采综采工作面的煤层、断层/褶皱和巷道的Delaunay三角网；
e.利用步骤d中生成的煤层、断层/褶皱和巷道的Delaunay三角网，绘制Delaunay三角网的高精度剖面图，计算剖面图拓扑关系，生成剖面图拓扑数据结构；
f.根据车载移动测量平台和槽波地震仪采集的数据，以及构建的综采工作面的煤层、断层/褶皱、巷道的Delaunay三角网和高精度剖面图，建立待开采综采工作面的导航信息自动查询数据库，包括煤层厚度、煤层倾角、断层/褶皱空间位置和巷道空间位置的查询，构建出综采工作面高精度三维导航地图。
车载移动测量平台和槽波地震仪采集的数据进行坐标转换、特征融合和一致性处理方法为：首先，通过综采工作面特征不变的特性对采集的数据要素分类分级和特征属性映射，列出相同或相似的属性特征，通过最小二乘法进行整理表达，建立属性特征转换表，消除不同分类分级标准导致的属性特征差异，实现采集数据在特征表达上的一致性；然后，采用基于同名实体匹配方法实现采集数据属性特征合并；
具体坐标转换采用七参数坐标转换法：
Figure BDA0002058560100000021
式中，(X,Y,Z)T是待开采煤层的三维坐标，(X',Y',Z')T是激光扫描巷道的三维坐标；ΔX，ΔY，ΔZ是两个坐标原点之间的平移参数，εX，εY，εZ是3个坐标轴旋转参数，m是尺度参数；
其中，车载移动测量平台(1)和槽波地震仪采集数据的特征融合方法采用参数模板法、特征压缩和聚类算法、K阶最近邻近法、人工神经网络和模糊积分法中的至少一种进行融合。
生成待开采综采工作面的煤层、断层/褶皱、巷道的Delaunay三角网步骤包括：
d1先将所有参与构网的数据包括煤层、断层/褶皱、巷道激光扫描和探地雷达探测顶板数据，由小到大按照先坐标X后Y再Z的顺序进行排序，存入到一个点数据链表中；
d2根据点数据链表创建点数据格网索引，将点数据分块管理，并将约束边存入线链表中；
d3从线链表中依次取出约束边作为基边，应用夹角最大准则生成左右三角形作为初始三角网，若约束边为边界，则生成一个三角形，将三角形存入初始三角网中；
d4以步骤d3新生成的一层三角形的三条边为基边，按照一步生长法生成新的三角网：取出基边，按约束Delaunay三角网的约束圆准则，找出与基线构成三角形的第三点，基线的两个端点与第三点相连，构成新的三角形，同时将该新三角形存入三角网，直到该新的三角形扩展边为边界边或已使用两次；
d5重复步骤d4，直到最后一层三角形不能扩展，并用LOP(Local OptimizationProcedure)算法对除初始三角网以外的其它所有三角网进行优化。
生成剖面图拓扑数据结构步骤包括：
e1将步骤d5生成的三角网中所有直线段集合生成线链表数据库，并将所有直线段的左右区域码初始化为有效信息的-1；
e2从线链表中任选i个直线段组成多边形，搜索该多边形边界，如果当前直线段的左码和右码都不是-1，选取下一条直线段，继续本步骤；如果所有直线段左码、右码都不是-1，表明所有直线段的左右两侧都已经被搜索，结束本步骤并继续下一步骤；如当前直线段的左码或右码不为-1，则可以将其终点或起点作为当前的结点，从线链表，按逆时针方向寻找下一直线段，把下一直线段的另一个端点设为当前结点，重复寻找，直到返回到起始直线段，形成Delaunay三角网的高精度剖面图的拓扑数据结构。
有益效果：本发明能为综采装备提供高精度导航信息，是实现地下无人开采的前提和基础，具有的主要优点有：
1)本发明可为综采装备提供准确的煤层厚度信息、煤层变化倾角和危险地质构造空间位置，起到高精度定位、信息感知、路径规划等功能，为无人化开采提供基准化的决策依据；
2)本发明可快速融合槽波地震仪、激光雷达、组合导航装置和探地雷达采集的数据，自动生成综采工作面高精度三维导航地图‘’
3)本发明采集数据的获取方法简单，操作方便、速度快，且所获取的实测数据准确。
附图说明
图1是本发明的综采工作面高精度三维导航地图的生成系统布置图
图2是本发明的车载移动测量系统布置图
图3是本发明的综采工作面高精度三维导航地图的生成方法流程图
图中：1-车载移动测量平台；2-数据接受处理器；3-激光雷达；4-惯性导航装置；5-探地雷达。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
如图1所示，本发明的综采工作面高精度三维导航地图的生成系统，包括车载移动测量平台1和设置在待开采煤层两侧的槽波地震仪，槽波地震仪包括间隔设置在上巷道中的发射器和间隔设置在下巷道中的接收器，接收器之间通过网线连接并连接有无线发射器；所述发射器为槽波地震信号发射器，接收器为槽波地震信号接受器，槽波地震信号接受器通过无线发射器将数据传送给数据接收处理器2，槽波地震信号发射器与槽波地震信号接受器对应设置，形成槽波地震信号检波序列；
如图2所示，车载移动测量平台1上分别设有数据接收处理器2、激光雷达3、惯性导航装置4和探地雷达5，数据接收处理器2和探地雷达5固定在车载移动测量平台1上方，激光雷达3固定在数据接收处理器2上方，惯性导航装置4固定在车载移动测量平台1中心位置，激光雷达、3惯性导航装置4和探地雷达5通过网线与数据接收处理器2进行数据传输，槽波地震仪的接收器通过无线发射器与数据接收处理器2进行数据传输。
如图3所示，一种综采工作面高精度三维导航地图的生成方法，其步骤如下：
a.车载移动测量平台1在待开采煤层周围的上巷道、左中切巷、下巷道和右中切巷中以40km/h左右的速度匀速运动：
b.数据接收处理器2随着车载移动测量平台1移动到无线发射器附近通过无线信号获取槽波地震仪采集的待开采煤层的地质数据：包括待开采煤层煤层厚度信息、煤层变化倾角和危险地质构造空间位置；
激光雷达3不间断的向巷道顶板表面发射激光光束，并根据接收到反射回来的激光光束的返回时间差计算出巷道表面与激光雷达之间的距离，形成巷道的三维点云数据；激光雷达3通过网线将三维点云数据发送给数据接收处理器2；
惯性导航装置4通过车载移动测量平台1相对于惯性系的旋转角速度和加速度矢量，计算得到车载移动测量平台1的位姿和运动轨迹信息，然后通过网线连接传送给数据接收处理器2；
探地雷达5通过发射单元向巷道顶板煤层中发射电磁波信号，接受单元通过检测电磁波信号在煤层中的传播时间，精确的计算出综采工作面上下巷道顶板的剩留煤厚数据，并通过网线连接传送给数据接收处理器2；
c.对车载移动测量平台1和槽波地震仪采集的数据进行坐标转换、特征融合和一致性处理；车载移动测量平台1和槽波地震仪采集的数据进行坐标转换、特征融合和一致性处理方法为：首先，通过综采工作面特征不变的特性对采集的数据要素分类分级和特征属性映射，列出相同或相似的属性特征，通过最小二乘法进行整理表达，建立属性特征转换表，消除不同分类分级标准导致的属性特征差异，实现采集数据在特征表达上的一致性；然后，采用基于同名实体匹配方法实现采集数据属性特征合并；
具体坐标转换采用七参数坐标转换法：
Figure BDA0002058560100000051
式中，(X,Y,Z)T是待开采煤层的三维坐标，(X',Y',Z')T是激光扫描巷道的三维坐标；ΔX，ΔY，ΔZ是两个坐标原点之间的平移参数，εX，εY，εZ是3个坐标轴旋转参数，m是尺度参数；
其中，车载移动测量平台1和槽波地震仪采集数据的特征融合方法采用参数模板法、特征压缩和聚类算法、K阶最近邻近法、人工神经网络和模糊积分法中的至少一种进行融合；
d.通过数据接收处理器2对车载移动测量平台1和槽波地震仪采集的数据进行处理，分别生成待开采综采工作面的煤层、断层/褶皱和巷道的Delaunay三角网；生成待开采综采工作面的煤层、断层/褶皱、巷道的Delaunay三角网步骤包括：
d1先将所有参与构网的数据包括煤层、断层/褶皱、巷道激光扫描和探地雷达探测顶板数据，由小到大按照先坐标X后Y再Z的顺序进行排序，存入到一个点数据链表中；
d2根据点数据链表创建点数据格网索引，将点数据分块管理，并将约束边存入线链表中；
d3从线链表中依次取出约束边作为基边，应用夹角最大准则生成左右三角形作为初始三角网，若约束边为边界，则生成一个三角形，将三角形存入初始三角网中；
d4以步骤d3新生成的一层三角形的三条边为基边，按照一步生长法生成新的三角网：取出基边，按约束Delaunay三角网的约束圆准则，找出与基线构成三角形的第三点，基线的两个端点与第三点相连，构成新的三角形，同时将该新三角形存入三角网，直到该新的三角形扩展边为边界边或已使用两次；
d5重复步骤d4，直到最后一层三角形不能扩展，并用LOP(Local OptimizationProcedure)算法对除初始三角网以外的其它所有三角网进行优化；
e.利用步骤d中生成的煤层、断层/褶皱和巷道的Delaunay三角网，绘制Delaunay三角网的高精度剖面图，计算剖面图拓扑关系，生成剖面图拓扑数据结构；生成剖面图拓扑数据结构步骤包括：
e1将步骤d5生成的三角网中所有直线段集合生成线链表数据库，并将所有直线段的左右区域码初始化为有效信息的-1；
e2从线链表中任选i个直线段组成多边形，搜索该多边形边界，如果当前直线段的左码和右码都不是-1，选取下一条直线段，继续本步骤；如果所有直线段左码、右码都不是-1，表明所有直线段的左右两侧都已经被搜索，结束本步骤并继续下一步骤；如当前直线段的左码(右码)不为-1，则可以将其终点或起点作为当前的结点，从线链表，按逆时针方向寻找下一直线段，把下一直线段的另一个端点设为当前结点，重复寻找，直到返回到起始直线段，形成Delaunay三角网的高精度剖面图的拓扑数据结构；
f.根据车载移动测量平台1和槽波地震仪采集的数据，以及构建的综采工作面的煤层、断层/褶皱、巷道的Delaunay三角网和高精度剖面图，建立待开采综采工作面的导航信息自动查询数据库，包括煤层厚度、煤层倾角、断层/褶皱空间位置和巷道空间位置的查询，构建出综采工作面高精度三维导航地图。

Claims (6)

1.一种综采工作面高精度三维导航地图的生成系统，其特征在于：包括车载移动测量平台(1)和设置在待开采煤层两侧的槽波地震仪，槽波地震仪包括间隔设置在上巷道中的发射器和间隔设置在下巷道中的接收器，接收器之间通过网线连接并连接有无线发射器；
车载移动测量平台(1)上分别设有数据接收处理器(2)、激光雷达(3)、惯性导航装置(4)和探地雷达(5)，数据接收处理器(2)和探地雷达(5)固定在车载移动测量平台(1)上方，激光雷达(3)固定在数据接收处理器(2)上方，惯性导航装置(4)固定在车载移动测量平台(1)中心位置，激光雷达(3)、惯性导航装置(4)和探地雷达(5)通过网线与数据接收处理器(2)进行数据传输，槽波地震仪的接收器通过无线发射器与数据接收处理器(2)进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的综采工作面高精度三维导航地图的生成系统，其特征在于：所述发射器为槽波地震信号发射器，接收器为槽波地震信号接受器，槽波地震信号接受器通过无线发射器将数据传送给数据接收处理器(2)，槽波地震信号发射器与槽波地震信号接受器对应设置，形成槽波地震信号检波序列。
3.一种使用权利要求1所述综采工作面高精度三维导航地图的生成系统的综采工作面高精度三维导航地图的生成方法，其特征在于步骤如下：
a.车载移动测量平台(1)在待开采煤层周围的上巷道、左中切巷、下巷道和右中切巷中以40km/h左右的速度匀速运动：
b.数据接收处理器(2)随着车载移动测量平台(1)移动到无线发射器附近通过无线信号获取槽波地震仪采集的待开采煤层的地质数据：包括待开采煤层煤层厚度信息、煤层变化倾角和危险地质构造空间位置；
激光雷达(3)不间断的向巷道顶板表面发射激光光束，并根据接收到反射回来的激光光束的返回时间差计算出巷道表面与激光雷达之间的距离，形成巷道的三维点云数据；激光雷达(3)通过网线将三维点云数据发送给数据接收处理器(2)；
惯性导航装置(4)通过车载移动测量平台(1)相对于惯性系的旋转角速度和加速度矢量，计算得到车载移动测量平台(1)的位姿和运动轨迹信息，然后通过网线连接传送给数据接收处理器(2)；
探地雷达(5)通过发射单元向巷道顶板煤层中发射电磁波信号，接受单元通过检测电磁波信号在煤层中的传播时间，精确的计算出综采工作面上下巷道顶板的剩留煤厚数据，并通过网线连接传送给数据接收处理器(2)；
c.对车载移动测量平台(1)和槽波地震仪采集的数据进行坐标转换、特征融合和一致性处理；
d.通过数据接收处理器(2)对车载移动测量平台(1)和槽波地震仪采集的数据进行处理，分别生成待开采综采工作面的煤层、断层或褶皱和巷道的Delaunay三角网；
e.利用步骤d中生成的煤层、断层或褶皱和巷道的Delaunay三角网，绘制Delaunay三角网的高精度剖面图，计算剖面图拓扑关系，生成剖面图拓扑数据结构；
f.根据车载移动测量平台(1)和槽波地震仪采集的数据，以及构建的综采工作面的煤层、断层或褶皱、巷道的Delaunay三角网和高精度剖面图，建立待开采综采工作面的导航信息自动查询数据库，包括煤层厚度、煤层倾角、断层或褶皱空间位置和巷道空间位置的查询，构建出综采工作面高精度三维导航地图。
4.根据权利要求3所述的综采工作面高精度三维导航地图的生成方法，其特征在于车载移动测量平台(1)和槽波地震仪采集的数据进行坐标转换、特征融合和一致性处理方法为：首先，通过综采工作面特征不变的特性对采集的数据要素分类分级和特征属性映射，列出相同或相似的属性特征，通过最小二乘法进行整理表达，建立属性特征转换表，消除不同分类分级标准导致的属性特征差异，实现采集数据在特征表达上的一致性；然后，采用基于同名实体匹配方法实现采集数据属性特征合并；
具体坐标转换采用七参数坐标转换法：
Figure FDA0002746602420000021
式中，(X,Y,Z)T是待开采煤层的三维坐标，(X',Y',Z')T是激光扫描巷道的三维坐标；ΔX，ΔY，ΔZ是两个坐标原点之间的平移参数，εX，εY，εZ是3个坐标轴旋转参数，m是尺度参数；
其中，车载移动测量平台(1)和槽波地震仪采集数据的特征融合方法采用参数模板法、特征压缩和聚类算法、K阶最近邻近法、人工神经网络和模糊积分法中的至少一种进行融合。
5.根据权利要求3所述的综采工作面高精度三维导航地图的生成方法，其特征在于生成待开采综采工作面的煤层、断层或褶皱、巷道的Delaunay三角网步骤包括：
d1先将所有参与构网的数据包括煤层、断层或褶皱、巷道激光扫描和探地雷达探测顶板数据，由小到大按照先坐标X后Y再Z的顺序进行排序，存入到一个点数据链表中；
d2根据点数据链表创建点数据格网索引，将点数据分块管理，并将约束边存入线链表中；
d3从线链表中依次取出约束边作为基边，应用夹角最大准则生成左右三角形作为初始三角网，若约束边为边界，则生成一个三角形，将三角形存入初始三角网中；
d4以步骤d3新生成的一层三角形的三条边为基边，按照一步生长法生成新的三角网：取出基边，按约束Delaunay三角网的约束圆准则，找出与基线构成三角形的第三点，基线的两个端点与第三点相连，构成新的三角形，同时将该新三角形存入三角网，直到该新的三角形扩展边为边界边或已使用两次；
d5重复步骤d4，直到最后一层三角形不能扩展，并用LOP(Local OptimizationProcedure)算法对除初始三角网以外的其它所有三角网进行优化。
6.根据权利要求5所述的综采工作面高精度三维导航地图的生成方法，其特征在于生成剖面图拓扑数据结构步骤包括：
e1将步骤d5生成的三角网中所有直线段集合生成线链表数据库，并将所有直线段的左右区域码初始化为有效信息的-1；
e2从线链表中任选i个直线段组成多边形，搜索该多边形边界，如果当前直线段的左码和右码都不是-1，选取下一条直线段，继续本步骤；如果所有直线段左码、右码都不是-1，表明所有直线段的左右两侧都已经被搜索，结束本步骤并继续下一步骤；如当前直线段的左码或右码不为-1，则可以将其终点或起点作为当前的结点，从线链表，按逆时针方向寻找下一直线段，把下一直线段的另一个端点设为当前结点，重复寻找，直到返回到起始直线段，形成Delaunay三角网的高精度剖面图的拓扑数据结构。
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