CN111583302A - 一种基于三维激光点云的割煤顶板线提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于三维激光点云的割煤顶板线提取方法，涉及煤矿智能开采领域。利用激光扫描仪，实时感知获取煤矿井下综采工作面激光点云数据，采取点云滤波、切片和基于空间形态提取特征点等技术手段，提取激光点云综采工作面采煤机当前刀的割煤顶板线，为优化下一刀或几刀的采煤机的截割线和采煤机滚筒的自适应调高提供依据。

Description

一种基于三维激光点云的割煤顶板线提取方法

技术领域

本发明涉及煤矿智能开采领域，尤其涉及一种基于三维激光点云的割煤顶板线提取方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展以及煤矿安全生产要求的提高，煤矿生产正在朝着自动化以及智能化方向发展，采煤机调高也逐渐由人工就地控制方式向采煤机自动截割控制方式进行转变。

目前，煤矿生产中，控制采煤机自动截割轨迹的方法主要是根据反馈或记忆信息来调整采煤机截割轨迹。通常为，司机操纵采煤机沿工作面煤层先割一刀，通过传感器获取当前刀采煤机的位置、牵引方向、牵引速度、左截割摇臂位置、右截割摇臂位置、采煤机横向倾角、采煤机纵向倾角等具体参数存入计算机，从而为下一刀或下几刀采煤机截割行程提供数据依据。如煤层条件发生变化，则需要通过多种传感器监测和采集信号，进行数据融合后得到煤岩界面信息，采煤机根据此信息自动调高，同时记忆调整过的设备运行参数，作为下一刀或下几刀采煤机调高的依据。

激光扫描技术，作为监测采煤机截割轨迹的重要手段，因其非接触、精度高、受烟尘影响小等特点日益受到国内外煤矿领域专家学者重视，但由于激光点云数据存在的海量性、离散性、冗余多的特点，目前煤矿生产中，往往只能将激光扫描仪作为一种监测设备，远程获取工作面三维场景信息，无法利用激光点云数据的空间特征直接提取采煤机割煤顶板线，即无法提供当前刀采煤机截割轨迹的反馈信息。

发明内容

基于上述技术问题，本发明充分利用激光扫描仪优势提出了一种基于三维激光点云的割煤顶板线提取方法。利用本发明的割煤顶板线提取技术，基于三维激光点云数据生成当前刀割煤顶板线，为优化下一刀或几刀的采煤机的截割线和自适应调高提供依据。

一种基于三维激光点云的割煤顶板线提取方法，包括以下步骤：

如图1所示，x轴为激光扫描仪沿工作面运动的方向(前进方向为正)；y轴沿水平方向且垂直于x轴，左侧为正；z轴沿垂直方向且垂直于x轴，上为正；ABB′A′表示煤壁，AA′D′D表示割煤顶板，AA′表示需要提取的割煤顶板线。

步骤1：利用激光扫描仪沿综采工作面方向获取当前刀工作面围岩三维激光点云数据和激光扫描仪的运动轨迹数据；

步骤2：读取激光点云，利用体素法进行滤波，移除点云中明显的噪声点和冗余点，保证工作面空间特征的前提下，精简点云数据；

步骤3：沿激光扫描仪运动方向，按照预设厚度对工作面点云进行切片，利用投影法，将每个点云切片附近的点都投影到该点云切片上，得到一组反映工作面特征的切片集合，从而将工作面三维激光点云数据转化为二维点云切片集合；

步骤4：循环遍历每个二维点云切片。

1)根据约束条件，控制y轴、z轴方向上的阈值，剔除冗余点，从而减少计算量；2)循环遍历二维点云切片每个点，求取该切片上距离激光扫描仪最远的点，即为该切片的特征点；

步骤5：连接每个二维点云切片得到的特征点，拟合出相应的割煤顶板线；

步骤6：所获割煤顶板线，导入透明工作面地质模型生成截割曲线输入采煤机，实现采煤机滚筒的自适应调高和智能化控制。

进一步地，步骤3沿激光扫描仪运动轨迹x轴方向，取一定的厚度x_δ，对激光点云进行切片，利用投影法，每个切片点云定义每层的中间位置为该层的投影参考面，按照如下公式，将该层内所有的点投影至该平面。

x_i＝x_min+x_δ·(2i-1)/2,i＝1,2,…,n

式中，x_i(i＝1,2,…,n)是一组平行于yoz平面、法矢指向x轴正向的平面集，x_i表示第i切片的参考投影面，x_min表示激光扫描仪运动的起始位置，x_δ表示预设厚度，得到一组反映工作面特征的切片集合，从而实现三维到二维的降维处理，避免了在庞大的数据上进行复杂的计算，并且将从空间和时间两方面简化后续的运算。

进一步地，步骤4为提取割煤顶板线，需在每个切片为x_i的点集中提取A_i这一特征点，原始切片的点云数据量大，每层切片点云在表示剖切面轮廓时呈现冗余密集的状态，为减少数据冗余、提高运算效率，本发明基于空间形态逐层对切片点云进行约束：

(1)循环遍历每个二维点云切片，由于激光扫描仪的导轨与工作面近似平行，设定激光扫描仪距煤壁水平距离为y₀，距顶板距离为z₀，通过设定y轴y_μ和z轴方向上的阈值z_μ，约束点云切片在yoz平面的范围，从而判断给定的阈值与点云坐标值大小决定点是被删除或保留，进而达到减少数据冗余、提高运算效率的目的。

(2)循环遍历二维点云切片每个点，假设该二维点云切片上任意一点用P_j表示，d_j表示点P_j到激光扫描仪轨道在yoz平面上的距离。当d_j取最大值dmax时，此时的点P_j＝＝A_i(A_i为二维点云切片x_i与割煤顶板线交点)即为特征点，保留该点；当d_j非最大值时，则认为该点处非特征点，删除该点。最后，将所有保留的点A_i连接到一起，形成新的点集合，即为割煤顶板线。

本发明的有益效果是：

1、本发明方法针对煤矿井下三维激光点云数据存在信息量大、数据离散、冗余多的特点，对海量点云数据进行精简，减少运算量，加快运行效率；

2、从点云特征信息提取的角度出发，获取了割煤顶板线，为采煤机自适应调高和控制提供基础数据。

附图说明

图1示出综采工作面当前刀的激光点云数据示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的割煤顶板线提取的示意框图；

图3示出了沿综采工作面方向的二维点云切片示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例

图1示出了综采工作面的激光点云数据示意图。图2示出了根据本发明的一个实施例的割煤顶板线提取的示意框图；根据本发明的一个实施例的割煤顶板线提取方法,包括：

S1：如图1所示，x轴为激光扫描仪沿工作面运动的方向(前进方向为正)；y轴沿水平方向且垂直于x轴，左侧为正；z轴沿垂直方向且垂直于x轴，上为正；ABB′A′表示煤壁，AA′D′D表示割煤顶板，AA′表示需要提取的割煤顶板线。中间虚线表示激光扫描仪沿综采工作面x轴的正方向运动的轨迹数据，用(x,0,0)表示，方框x_i表示激光扫描仪运动至x_i处沿垂直于运动轨迹方向进行切片获取的二维点云切片；

S2：读取激光点云，利用体素法进行滤波，移除点云中明显的噪声点，保证工作面空间特征的前提下，精简点云数据；

S3：沿激光扫描仪运动轨迹x轴，按照预设厚度x_δ对散乱点云进行切片，利用投影法，每个切片后的点云定义为该层的投影参考面，对切片附近的点利用投影法，按照如下公式，将该层内所有的点投影至该平面。

x_i＝x_min+x_δ·(2i-1)/2,i＝1,2,…,n

式中，x_i(i＝1,2,…,n)是一组平行于yoz平面、法矢指向x轴正向的平面集，x_i表示第i切片的参考投影面，表示得到一组反映工作面特征的切片集合，x_min表示激光扫描仪运动的起始位置，x_δ表示预设厚度；

S4：循环遍历每个二维切片，设定激光扫描仪距煤壁水平距离为y₀，距顶板距离为z₀，通过设定y轴y_μ和z轴方向上的阈值z_μ控制y轴、z轴方向上的阈值，剔除冗余点，从而减少计算量；然后，如图3所示沿综采工作面方向的二维点云切片示意图，O_i表示激光扫描仪位置，A_i表示该切片与当前刀割煤顶板线交点，即为该切片的特征点，循环遍历约束后的二维点云切片中每个点，求取d_max，其中，d_max为该切片上距离激光扫描仪最远的点与激光扫描仪的距离，从而获得该切片上距离激光扫描仪最远的点，即每个切片的特征点A_i；

S5：连接每个二维点云切片得到的特征点A_i，得到当前刀的割煤顶板线。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于三维激光点云的割煤顶板线提取方法，其特征在于，步骤如下：

a.利用激光扫描仪沿综采工作面方向获取当前刀工作面激光点云数据和激光扫描仪的运动轨迹数据；

b.利用体素法进行滤波，移除三维激光点云数据中噪声点和冗余点；

c.沿激光扫描仪运动轨迹，按照预设厚度对三维激光点云数据进行切片，得到一组反映工作面特征的切片集合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将三维激光点云数据，转化为二维的点云切片集合，然后基于形态学提取距离激光扫描仪运动轨迹最远的点，作为割煤顶板线特征点；

其中，基于形态学提取距离激光扫描仪运动轨迹最远的点，作为割煤顶板线特征点的具体步骤为：

a.循环遍历每个二维点云切片；

1)根据约束条件，控制y轴、z轴方向上的阈值，剔除冗余点；

2)循环遍历二维点云切片每个点，将在该切片上距离激光扫描仪最远的点，作为该切片的特征点；

b.连接每个二维点云切片得到的特征点，获取当前刀的割煤顶板线。

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