CN112037317B - 截割煤壁三维图形的绘制方法及绘制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种截割煤壁三维图形的绘制系统及绘制方法，其中绘制系统包括在综采工作面截割煤壁沿线布置沿预设检测路线移动的检测装置，检测路线上间隔地设有RFID标签，检测装置上安装有RFID读卡器、高度计、激光雷达、陀螺仪，每当采煤机完成一次截割煤壁后，检测装置通过截割煤壁三维图形的绘制方法绘制一次截割煤壁的轮廓，并将该轮廓与之前采集的轮廓叠加，形成截割煤壁的三维图形。本发明与现有技术相比的有益效果：通过本发明提供的截割煤壁三维图形的绘制方法，可以精确得到三维空间下已采煤层的空间分布方式；将截割煤壁三维图形与煤层分布三维地质模型叠加观察，可以为调整综采工作面的截割方向提供可视化依据。
Description
技术领域
本发明属于空间测绘技术领域，具体涉及一种适用于煤矿井下综采工作面场景下的截割煤壁三维图形的绘制方法和绘制系统。
背景技术
在矿井生产过程中，工作面煤壁可能会由于防护不挡发生大面积垮塌造成的伤害事故。为了防止此类事故对井下工人造成人身伤害，就需要对工作面煤壁进行及时监测，以便了解煤壁的稳定状况，从而避免此类事故的发生，确保井下工作人员的人身财产安全。
传统的井下环境恶劣，灯光照明等条件较差，监测手段易受电磁干扰和外部环境影响，监测精度不好。国内许多高科技企业采用激光雷达三维成像技术可以辅助汽车自动驾驶。另有许多测绘公司，采用激光雷达扫描山林地表，通过SLAM算法和点云拼接技术，绘制山林地貌，用于统计山林覆盖率，统计树种分布和了解树木成长情况。另外，电力企业可以通过山林地貌，早期识别对电力传输设备的影响情况。因此，采用激光雷达扫描工作面煤壁是一种可行的方式，但井下环境条件差，地面存在坑陷、积水等情况，无法给激光雷达扫描设备提供平整的工作环境，使得目前市场上的激光雷达扫描设备难以精准、有效完成煤矿井下综采工作面的扫描任务。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种截割煤壁三维图形的绘制方法，采用激光雷达绘制煤壁轮廓，并通过煤壁轮廓层层叠加形成三维图像的方法，实现绘制综采工作面截割煤壁可视化三维模型。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种截割煤壁三维图形的绘制系统，包括在综采工作面截割煤壁沿线布置沿预设检测路线移动的检测装置，检测路线上间隔地设有RFID标签，检测装置上安装有RFID读卡器、高度计、激光雷达、陀螺仪，每当采煤机完成一次截割煤壁后，检测装置通过截割煤壁三维图形的绘制方法绘制一次截割煤壁的轮廓，并将该轮廓与之前采集的轮廓叠加，形成截割煤壁的三维图形。
一种截割煤壁三维图形的绘制方法，包括以下步骤：
在工作面中设置S形的检测路线和标识物，检测路线包括沿X轴的待测路段和沿Y轴的连接相邻两段待测路段一端的平移路段；
检测装置沿S形的检测路线移动，并以固定的时间间隔作为采样时刻获取检测装置的位移量并在此作为采样点通过激光雷达扫描煤壁，将扫描结果转换为以激光雷达激光源为源点的极坐标数据；
在三维直角坐标系中绘制检测装置的轨迹，按照采样时刻的时间顺序将极坐标数据的源点与采样点重合，计算煤壁扫描结果在三维直角坐标系中的坐标值，绘制扫描结果的点云图形；
绘制包络线，使用直线段连接相邻拼接图形相同X轴坐标的Z轴坐标值最大点和最小的点；
将点云图形叠加，形成截割煤壁三维图形。
所述检测路线上设有RFID标签，相邻两个RFID标签之间的直线距离在三维直角坐标系中的X或Y轴的投影距离相同，所述检测装置移动并途经RFID标签时，检测装置中的RFID读卡器获取RFID标签信息，校准轨迹数据，消除检测装置计算轨迹的累计误差。
所述绘制扫描结果的点云还包括：绘制标识物中心的坐标，选择采样时刻相邻的点云，计算标识物中心坐标的差值，按照标识物中心坐标的差值修正下一采样时刻的点云的坐标。
所述绘制扫描结果的点云还包括：删除采样时刻在平移路段内的点云数据。
所述绘制包络线前还包括对点云数据去噪，设定激光雷达回波反射强度区间，将回波反射强度不在区间范围内的点云删除。
本发明与现有技术相比的有益效果：通过在工作面设置标识物及RFID技术消除检测装置采集的点云及计算轨迹的累计误差，通过本发明提供的截割煤壁三维图形的绘制方法，可以精确得到三维空间下已采煤层的空间分布方式；将截割煤壁三维图形与煤层分布三维地质模型叠加观察，可以为调整综采工作面的截割方向提供可视化依据；通过截割煤壁三维图形的体积，和煤层分布三维地质模型的体积计算，可以估算煤层的开采率。
附图说明
图1为本发明实施提供的一种截割煤壁三维图形的绘制方法的流程图；
图2为本发明实施提供的一种截割煤壁三维图形的绘制系统使用场景的示意图；
图3为本发明实施提供的一种截割煤壁三维图形的绘制方法得到的截割煤壁三维图形示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图2所示，一种截割煤壁三维图形的绘制系统，包括在煤矿井下综采工作面截割煤壁沿线布置沿预设检测路线22移动的检测装置21，检测路线上间隔地设有RFID(RadioFrequency Identification,射频识别)标签23，检测装置上安装有RFID读卡器、高度计、激光雷达、陀螺仪，每当采煤机完成一次截割煤壁后，检测装置通过截割煤壁三维图形的绘制方法绘制一次截割煤壁的轮廓，并将该轮廓与之前采集的轮廓叠加，形成截割煤壁的三维图形。
如图1所示，一种截割煤壁三维图形的绘制方法，包括以下步骤：
S11:在工作面中设置S形的检测路线和标识物，检测路线包括沿X轴的待测路段和沿Y轴的连接相邻两段待测路段一端的平移路段；
S12:检测装置沿S形的检测路线移动，并以固定的时间间隔作为采样时刻获取检测装置的位移量并在此作为采样点通过激光雷达扫描煤壁，将扫描结果转换为以激光雷达激光源为源点的极坐标数据；
S13:在三维直角坐标系中绘制检测装置的轨迹，按照采样时刻的时间顺序将极坐标数据的源点与采样点重合，计算煤壁扫描结果在三维直角坐标系中的坐标值，绘制扫描结果的点云图形；
S14:绘制包络线，使用直线段连接相邻拼接图形相同X轴坐标的Z轴坐标值最大点和最小的点；
S15:将点云图形叠加，形成如图3所示的截割煤壁三维图形。
所述标识物为表面反光的金属球面体，沿着检测路线间隔设置在煤壁上。
所述检测路线上设有RFID标签，RFID标签中记录有RFID标签编号及位置信息，的待测路段上的相邻两个RFID标签之间的直线距离在三维直角坐标系中的X轴的投影距离相同，平移路段上的相邻两个RFID标签之间的直线距离在三维直角坐标系中的Y轴的投影距离相同，所述检测装置移动并途经RFID标签时，检测装置中的RFID读卡器获取RFID标签信息，校准轨迹数据，消除检测装置计算轨迹的累计误差，克服井下环境复杂、由于地面不平整导致轨迹数据误差大的问题。
步骤S13所述绘制扫描结果的点云还包括：绘制标识物中心的坐标，选择采样时刻相邻的点云，计算标识物中心坐标的差值，按照标识物中心坐标的差值修正下一采样时刻的点云的坐标。
步骤S13所述绘制扫描结果的点云还包括：删除采样时刻在平移路段内的点云数据。
步骤S14所述绘制包络线前还包括对点云数据去噪，设定激光雷达回波反射强度区间，将回波反射强度不在区间范围内的点云删除。
上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种截割煤壁三维图形的绘制系统，其特征在于，包括：
在综采工作面截割煤壁沿线布置沿预设检测路线移动的检测装置，检测路线上间隔地设有RFID标签，所述检测装置上安装有RFID读卡器、高度计、激光雷达、陀螺仪；
每当采煤机完成一次截割煤壁后，所述检测装置通过截割煤壁三维图形的绘制方法绘制一次截割煤壁的轮廓，包括：在所述综采工作面中设置S形的检测路线；所述检测装置沿所述S形的检测路线移动，并以固定的时间间隔获取所述检测装置的位移量，和获取以激光雷达激光源为源点的极坐标数据；根据所述位移量和极坐标数据在三维直角坐标系中绘制所述检测装置的轨迹；根据所述轨迹计算煤壁扫描结果在三维直角坐标系中的坐标值；根据所述坐标值绘制扫描结果的点云图形；根据所述点云图形绘制包络线；
将所述包络线的轮廓与之前采集的轮廓叠加，形成截割煤壁的三维图形；
其中，相邻两个RFID标签之间的直线距离在三维直角坐标系中的X或Y轴的投影距离相同，所述检测装置移动并途经RFID标签时，检测装置中的RFID读卡器获取RFID标签信息，校准轨迹数据，消除检测装置计算轨迹的累计误差。
2.一种截割煤壁三维图形的绘制方法，其特征在于，包括以下步骤：
在工作面中设置S形的检测路线和标识物，检测路线包括沿X轴的待测路段和沿Y轴的连接相邻两段待测路段一端的平移路段；检测装置沿S形的检测路线移动，并以固定的时间间隔作为采样时刻获取检测装置的位移量并在此作为采样点通过激光雷达扫描煤壁，将扫描结果转换为以激光雷达激光源为源点的极坐标数据；在三维直角坐标系中绘制检测装置的轨迹，按照采样时刻的时间顺序将极坐标数据的源点与采样点重合，计算煤壁扫描结果在三维直角坐标系中的坐标值，绘制扫描结果的点云图形，所述绘制扫描结果的点云图形包括绘制标识物中心的坐标，选择采样时刻相邻的点云，计算标识物中心坐标的差值，按照标识物中心坐标的差值修正下一采样时刻的点云的坐标；删除采样时刻在平移路段内的点云数据；绘制包络线，使用直线段连接相邻拼接图形相同X轴坐标的Z轴坐标值最大点和最小的点；将点云图形叠加，形成截割煤壁三维图形。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述检测路线上设有RFID标签，相邻两个RFID标签之间的直线距离在三维直角坐标系中的X或Y轴的投影距离相同，所述检测装置移动并途经RFID标签时，检测装置中的RFID读卡器获取RFID标签信息，校准轨迹数据，消除检测装置计算轨迹的累计误差。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述绘制扫描结果的点云还包括：绘制标识物中心的坐标，选择采样时刻相邻的点云，计算标识物中心坐标的差值，按照标识物中心坐标的差值修正下一采样时刻的点云的坐标。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述绘制扫描结果的点云还包括：删除采样时刻在平移路段内的点云数据。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述绘制包络线前还包括对点云数据去噪，设定激光雷达回波反射强度区间，将回波反射强度不在区间范围内的点云删除。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述标识物为表面反光的金属球面体。
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