CN110658528A - 基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法，在刮板输送机两端进行加工，刮板输送机两端利用自身结构进行掩护安装激光雷达，激光雷达检测刮板输送机两端与巷道壁和煤壁间的距离，并将数据信息实时反馈到计算机控制系统，计算机控制系统对数据进行筛查、处理与分析，实现对工作面成套设备偏移量的实时监测，并将其反馈至控制中心，控制中心根据反馈结果进行调整，该过程具有时效性、准确性，无需在停机状态进行检测，提高工作效率、节约时间、降低成本，解决了原有设备耗费时间长、可靠性差的问题。

Description

基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法

技术领域

本发明属于工作面检测的技术领域，尤其涉及一种基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法。

背景技术

目前，煤矿井下工作面成套设备在煤矿开采工作中非常重要，煤矿开采工作中，存在成套设备的直线度与偏移问题，传统方式在采掘工作完成后再对综采工作面成套设备的直线度与偏移进行调整，但该方式在薄煤层、深井的情况下应用较为困难，薄煤层条件下开采工作面成套设备偏移未及时调整可能会出现采煤机截齿截割岩石的现象，振动异常、磨损加大，导致综采工作面成套设备寿命缩短，延长工期，导致开采成本上升；深井的情况下，长距离输送测量设备难度大、成本高，并且在综采工作结束后长距离运送测量装置对成套设备进行偏移测量时间周期较长，严重降低煤矿开采效率。由于我国采煤技术不断提高，煤矿井下开采速度以及开采效率也随之提高，薄煤层与深井的现象会越来越多，现有技术已经无法满足当今社会的需求。

因此，需要设计一种快速、高效的基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法，以解决上述问题。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法，利用激光雷达输出的信号来进行综采工作面成套设备直线度与偏移的监测，通过监测轮廓曲面与刮板输送机两端的相对位置关系，以达到综采工作面成套设备偏移监测的目的。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法，包括以下步骤：

步骤1：通过安装在刮板输送机两端的激光雷达对巷道壁和煤壁进行扫描，获取巷道壁与煤壁的点云数据；

步骤2：对获取的原始点云数据进行去噪，去除孤立点和噪声；

步骤3：对当前获取的点云数据及已有点云数据进行特征点提取；

步骤4：对提取的特征点进行初始匹配，并采用随机一致性方法剔除误匹配特征点，生成连接点；

步骤5：对已有点云数据和当前实测点云数据进行基于上述匹配特征点的拼接；

步骤6：利用已有点云特征点的全局坐标和当前扫描点云的局部坐标进行坐标转换，采用特征点距离作为权重，通过加权总体最小二乘法进行求解，得到当前点云坐标相对于全局坐标系的旋转和平移量，获取当前成套设备在全局坐标系下的位置；

步骤7：将当前获取的点云数据转换至全局坐标系下，完成点云数据的自动拼接，进而建立巷道与成套设备三维模型；

步骤8：基于激光雷达在全局坐标系下的位置，通过事先标定好的安装位置，经过平移，得到激光雷达在全局坐标系下的位置；

步骤9：结合激光雷达几何结构及最终定位结果，以巷道与煤壁的三维模型为参考，获取当前激光雷达位置与左右侧壁及煤壁间的距离；

步骤10：根据最终全局定位结果给出调整参数。

进一步的，在初始位置时检测激光雷达与两侧巷道壁之间的距离，将其记录为L，实时监测的激光雷达与巷道壁间的距离记为l，系统进行计算偏移量a＝L-l，若右侧输出a值为负，表示成套设备已经向左发生偏移，然而左侧a值并未发生变化，出现输出的a值长期一侧为零另一侧不为零的情况，将这种情况定义为异常情况，说明不为零的一侧在初始位置时巷道壁存在着大面积的平面凹陷，将该侧在推溜过程中的l值重新调取，选择另一侧输出a值为零的情况下，该侧距离l长期处于的数值，定义该数值为L，将新的L重新输入计算机系统进行运算；

在新的运算条件下，两侧输出的a值进行求和，若出现a不为零，求和后结果为零时，则说明成套设备存在上蹿下滑问题，同理，若右端a值为正，然而左侧a值并未发生变化，则说明存在大面积的平面凸起，该情况也定义为异常情况，需重新定义L值进行运算；

最终，利用a值进一步判断偏移的方向，若a为正值说明该侧正在靠近巷道壁，若a值为负说明该侧正在远离巷道壁，通过a值正负合理的进行调整，消除成套设备的偏移。

由上，本发明的基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法通过在刮板输送机两端进行加工，加工后在刮板输送机两端各安装两个激光雷达，分别负责采集刮板输送机两端与巷道壁和煤壁间的相对位置关系，利用激光雷达输出的信号来进行综采工作面成套设备直线度与偏移的监测，激光雷达所检测的信号与三维激光扫描大体相似，得到的信号是巷道壁与煤壁的轮廓曲面，通过监测轮廓曲面与刮板输送机两端的相对位置关系，以达到综采工作面成套设备偏移监测的目的。

本发明在刮板输送机两端安装激光雷达，监测刮板输送机两端与巷道壁和煤壁间相对位置关系，采用基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法对工作面成套设备的直线度与偏移量进行监测，由于当今煤矿开采技术飞速发展，煤矿开采速度与效率快速提高，薄煤层与深井的情况越来越多，基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法，解决了原有方式周期长、局限性大，并且原有方式很难做到实时反馈，在薄煤层条件下存在截割岩石的可能，影响设备工作寿命，存在安全隐患，采用基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法可以大幅度的缩短周期，降低成本提高效率并且利用激光雷达向巷道壁与煤壁发射波信号，实时监测刮板输送机两端与巷道壁和煤壁之间的位置关系，防止由于综采工作面成套设备发生偏移而导致井下设备在工作过程中发生截割岩石现象，对综采工作面设备的安全防护具有积极作用。

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，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明的基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测的总体结构示意图；

图2为本发明的激光雷达检测过程存在异常状态示意图；

图3为本发明计算机检测过程程序框图；

图4为本发明计算机二次处理程序框图；

图5为本发明计算机处理前方激光雷达数据程序框图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

本发明在刮板输送机两端进行加工以安装激光雷达，刮板输送机两端激光雷达分别输出两侧巷道壁与煤壁的曲面轮廓，计算机分别判断刮板输送机两端与巷道壁和煤壁之间的位置关系，并且利用计算机对输出的曲面信号进行处理，去除部分不合理位置区间，确定成套设备与巷道壁和煤壁之间的位置关系，所述刮板输送机两端结构在安装激光雷达后不影响工作可靠性，所述激光雷达可快速、准确反馈巷道壁和煤壁与刮板输送机两端之间的情况并测量刮板输送机两端与巷道壁和煤壁间的位置关系，保证监测系统的快速、稳定与可靠。所述刮板输送机两端进行加工固定激光雷达后刮板输送机两端结构强度仍满足工作需要，对应的，所述激光雷达可固定于刮板输送机两端，进行巷道壁和煤壁与刮板输送机两端相对位置关系的测量。刮板输送机两端设置于工作区间内，其外侧与前方安装激光雷达实现对工作面情况进行实时监测与反馈。

本发明的基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法，包括在刮板输送机两端进行加工，将激光雷达置于刮板输送机两端；使用计算机控制系统对输出的曲面信号进行处理，去除部分不合理位置区间，确定成套设备与巷道壁和煤壁之间的位置关系，确保数据的实时性、可靠性。

如图1和图2所示，本发明提供一种基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法，包括刮板输送机，在刮板输送机两端进行加工，刮板输送机两端安装激光雷达，激光雷达通过输出巷道壁与煤壁表面的扫描情况，监测刮板输送机两端与巷道壁和煤壁之间的位置关系，因此在综采工作面成套设备工作过程中，通过监测两侧刮板输送机两端激光雷达与巷道壁和煤壁间的相对位置关系，即可检测成套设备是否发生偏移。该方法同原有测量方式相比，降低人工成本，节约时间，解决了原有方式在薄煤层、深井等条件下存在的局限性，使综采工作面成套设备偏移监测更加可靠。

采用上述基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法过程如下：

如图1所示，激光雷达中包含激光发射器的功能与普通雷达的功能，但是在本发明的距离检测方案中激光雷达的检测原理与激光发射器和普通雷达比较有很大的区别。激光雷达输出信号为曲面图像，这样的方法更加直观，其检测方法与三维激光扫描类似，并且可将巷道壁和煤壁上的凹坑与凸起以及煤矿井下诸多复杂的不可预估的情况通过输出图像直观的展现出来，更为准确，最大可能降低误差，保证监测工作的准确性、可靠性。

其工作过程如下：第一步，通过安装在刮板输送机两端的激光雷达对巷道壁和煤壁进行扫描，获取巷道壁与煤壁的点云数据；第二步，对获取的原始点云数据进行去噪，去除孤立点和噪声；第三步，对当前获取的点云数据及已有点云数据进行特征点提取；第四步，对提取的特征点进行初始匹配，并采用随机一致性方法剔除误匹配特征点，生成连接点；第五步，对已有点云数据和当前实测点云数据进行基于上述匹配特征点的拼接；第六步，利用已有点云特征点的全局坐标和当前扫描点云的局部坐标进行坐标转换，采用特征点距离作为权重，通过加权总体最小二乘法进行求解，得到当前点云坐标相对于全局坐标系的旋转和平移量，获取当前成套设备在全局坐标系下的位置；第七步，将当前获取的点云数据转换至全局坐标系下，完成点云数据的自动拼接，进而建立巷道与成套设备三维模型；第八步，基于激光雷达在全局坐标系下的位置，通过事先标定好的安装位置，经过平移，得到激光雷达在全局坐标系下的位置；第九步，结合激光雷达几何结构及最终定位结果，以巷道与煤壁的三维模型为参考，获取当前激光雷达位置与左右侧壁及煤壁间的距离；第十步，根据最终全局定位结果给出调整参数；最后，针对巷道两侧与煤壁可能存在凹陷、凸起等不平整点云影响测距、定位定姿的情况，设计自适应阈值的点云测距算法，利用周边较为平整的点云拟合小曲率的曲面，对凹陷区域进行填补，对凸起区域进行平滑，使之点云符合连续、较为平整的条件。

因此，采用激光雷达对成套设备的上蹿下滑进行监测更加准确、可靠。

如图1所示，刮板输送机两端分别安装激光雷达，激光雷达采用成像的方式检测距离，两侧分别设置一个激光雷达进行距离检测就能够满足测量所需，采用打孔的方式将雷达安装于刮板输送机两端，可保证工作过程中激光雷达不受损伤，测量结果可靠，在刮板输送机如图1所示推进方向进行推移时，刮板输送机两端的激光雷达也随之产生推移。成套设备偏移的监测过程采用监测刮板输送机两端与巷道壁和煤壁之间的距离，若刮板输送机两端与外侧巷道之间的距离不发生变化，则表明成套设备未发生上蹿下滑，工作过程稳定、可靠。

利用激光雷达监测成套设备偏移，在初始位置时激光雷达开启，记录两侧激光雷达与两侧巷道壁和煤壁间的距离。成套设备开始推溜动作时，刮板输送机两端上设置的激光雷达开始记录两侧巷道壁与前方煤壁的情况，并将结果反馈到计算机中，由于激光雷达的检测数据为图像数据，巷道壁与煤壁中的凹坑、凸起等特殊状态都准确直观的反馈到计算机上，计算机通过系统对图像进行识别，将凹坑、凸起等特殊情况时的偏差进行处理，去除特殊情况下的偏差，再进一步的对成套设备的偏移进行判断，并将分析结果反馈到上级计算机系统中，计算机系统根据实际情况对成套设备的上蹿下滑与直线度偏移等情况进行判断，判断后将结果反馈至控制系统，控制系统根据反馈结果对成套设备进行控制与调整，消除成套设备在工作面上的偏移。该方式准确直观，由于输出结果为图像信息，可将巷道壁与煤壁的异常体现出来，尽可能降低检测过程中的误差。

即使在激光雷达检测方法中引入了误差分析模块，并且计算机对结果已经进行二次处理，但仍然存在误差可能，并且在某些情况下依然存在发生偏差的可能。如图2所示，在此类异常情况的条件下，虽然刮板输送机实际上并未发生偏移，但是测量结果可能存在偏差。

实际工作过程中，在初始位置时检测激光雷达与两侧巷道壁之间的距离，将其记录为L，在刮板输送机两端激光雷达随刮板输送机推溜过程中激光雷达与巷道壁间的距离要实时监测与反馈，将实时监测的雷达与巷道壁间的距离记为l，系统进行计算偏移量a＝L-l，若右侧输出a值为负，表示成套设备已经向左发生偏移，然而左侧a值并未发生变化，出现输出的a值长期一侧为零另一侧不为零的情况，将这种情况定义为异常情况，说明不为零的一侧在初始位置时巷道壁存在着大面积的平面凹陷，将该侧在推溜过程中的l值重新调取，选择另一侧输出a值为零的情况下，该侧距离l长期处于的数值，定义该数值为L，将新的L重新输入计算机系统进行运算，在新的运算条件下，两侧输出的a值进行求和，若出现a不为零，求和后结果为零时，则说明成套设备存在上蹿下滑问题，同理，若右端a值为正，然而左侧a值并未发生变化，则说明存在大面积的平面凸起，该情况也定义为异常情况，需重新定义L值进行运算，最终，利用a值进一步判断偏移的方向，若a为正值说明该侧正在靠近巷道壁，若a值为负说明该侧正在远离巷道壁，通过a值正负合理的进行调整，消除成套设备的偏移，突出解决成套设备的上蹿下滑问题。

本发明计算机数据处理过程如图3、图4及图5所示，首先，通过两侧激光雷达数据判别成套设备是否发生偏移，若发生偏移则需判断偏移量与偏移情况；接着，要根据两侧巷道壁的情况判断检测数据是否可靠，若数据可靠，则以该数据作为结果，传输至控制中心，由控制中心处理，若巷道壁情况较为复杂，需进行进一步判断；然后，根据巷道壁变化的类型，若为简单的单侧出现凹坑凸起等较为简单的变化则重新定义l将其代入检测程序重新输出结果即可，若变化较为复杂，则需利用前方激光雷达扫描数据进行分析与判断；最后，利用前方激光雷达数据进行判断，确保成套设备的运动与偏移得到有效的控制与识别，将结果反馈至控制中心，由控制中心发出指令，对成套设备进行调节，保证全系统工作的安全可靠。

本发明利用刮板输送机两端自身结构的掩护安装激光雷达，利用激光雷达对巷道曲面成像，确定刮板输送机两端与巷道壁和煤壁间的距离，所述方法有利用刮板输送机两端进行机械加工并利用刮板输送机两端自身结构保护激光雷达，避免激光雷达在工作过程中受到损伤，所述激光雷达于两刮板输送机两端对称布置，两端均为一个朝向巷道壁一个朝向煤壁，所述控制系统可筛查异常值，保证数据可靠，所述监测方法执行过程中工作面可照常工作，不影响煤矿井下的正常作业。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过安装在刮板输送机两端的激光雷达对巷道壁和煤壁进行扫描，获取巷道壁与煤壁的点云数据；

步骤2：对获取的原始点云数据进行去噪，去除孤立点和噪声；

步骤3：对当前获取的点云数据及已有点云数据进行特征点提取；

步骤4：对提取的特征点进行初始匹配，并采用随机一致性方法剔除误匹配特征点，生成连接点；

步骤5：对已有点云数据和当前实测点云数据进行基于上述匹配特征点的拼接；

步骤6：利用已有点云特征点的全局坐标和当前扫描点云的局部坐标进行坐标转换，采用特征点距离作为权重，通过加权总体最小二乘法进行求解，得到当前点云坐标相对于全局坐标系的旋转和平移量，获取当前成套设备在全局坐标系下的位置；

步骤7：将当前获取的点云数据转换至全局坐标系下，完成点云数据的自动拼接，进而建立巷道与成套设备三维模型；

步骤8：基于激光雷达在全局坐标系下的位置，通过事先标定好的安装位置，经过平移，得到激光雷达在全局坐标系下的位置；

步骤9：结合激光雷达几何结构及最终定位结果，以巷道与煤壁的三维模型为参考，获取当前激光雷达位置与左右侧壁及煤壁间的距离；

步骤10：根据最终全局定位结果给出调整参数。

2.如权利要求1所述的基于激光雷达的综采工作面成套设备偏移监测方法，其特征在于，在初始位置时检测激光雷达与两侧巷道壁之间的距离，将其记录为L，实时监测的激光雷达与巷道壁间的距离记为l，系统进行计算偏移量a＝L-l，若右侧输出a值为负，表示成套设备已经向左发生偏移，然而左侧a值并未发生变化，出现输出的a值长期一侧为零另一侧不为零的情况，将这种情况定义为异常情况，说明不为零的一侧在初始位置时巷道壁存在着大面积的平面凹陷，将该侧在推溜过程中的l值重新调取，选择另一侧输出a值为零的情况下，该侧距离l长期处于的数值，定义该数值为L，将新的L重新输入计算机系统进行运算；

在新的运算条件下，两侧输出的a值进行求和，若出现a不为零，求和后结果为零时，则说明成套设备存在上蹿下滑问题，同理，若右端a值为正，然而左侧a值并未发生变化，则说明存在大面积的平面凸起，该情况也定义为异常情况，需重新定义L值进行运算；

最终，利用a值进一步判断偏移的方向，若a为正值说明该侧正在靠近巷道壁，若a值为负说明该侧正在远离巷道壁，通过a值正负合理的进行调整，消除成套设备的偏移。

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