CN114972970A - 一种煤矿机械手扫描观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤矿机械手扫描观测系统，属于煤矿机器人领域。该系统包括地理信息系统、在线感知模块、建模系统、激光雷达、红外相机、动静态信息识别模块和井下环境模块；所述地理信息系统与在线感知模块分别与建模系统信号连接；所述激光雷达与红外相机分别与动静态信息识别模块信号连接；所述建模系统与动静态信息识别模块分别与井下环境模块信号连接；本发明利用激光扫描仪构建高精度井巷环境模型，结合地理信息系统构建井巷环境的高精度地图描述；利用激光实时建图方法更新变化的环境模型和地图，实现大范围煤矿巷道场景模型的动态更新。
Description
技术领域
本发明属于煤矿机器人领域，涉及一种煤矿机械手扫描观测系统。
背景技术
煤矿测量是煤矿建设和生产时期的关键步骤。由于煤矿测量工作涉及地面和井下，不但要为煤矿生产建设服务，也要为安全生产提供信息，以供规划出项目安全生产方案。煤矿生产测量，对数据精确度提出了更高的要求，任何疏忽或数据偏差都可能导致严重的事故发生。
在煤矿建设和采矿过程中，为煤矿的规划设计、开采生产、勘探建设、运营管理以及日后报废等工作中承担十分重要的责任与作用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤矿机械手扫描观测系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种煤矿机械手扫描观测系统，该系统包括地理信息系统、在线感知模块、建模系统、激光雷达、红外相机、动静态信息识别模块和井下环境模块；
所述地理信息系统与在线感知模块分别与建模系统信号连接；
所述激光雷达与红外相机分别与动静态信息识别模块信号连接；
所述建模系统与动静态信息识别模块分别与井下环境模块信号连接；
所述地理信息系统通过三维激光扫描，构建井巷环境模型以及井巷环境的地图描述；
所述在线感知模块通过激光和视觉采集的感知方式，进行SLAM建模更新环境地图；
所述激光雷达通过点云配准，结合所述红外相机的视觉语义，将图像信号传输至动静态信息识别模块；
所述建模系统和动静态信息识别模块联合数据传至井下环境模块；利用激光雷达与视觉的动态配准结果，确定地图更新区域，确认是否为长期变化区域；在原有地图基础上，利用结合多传感器的激光SLAM技术更新环境地图；利用回环检测和图优化方法优化地图质量，保证更新后的地图与原始地图的一致性。
可选的，所述井巷环境模型的建模过程包括点云数据的获取、点云数据的预处理和三维环境建模；
点云数据的获取受井下巷道特殊环境的影响，选用激光扫描仪对井下巷道进行扫描，获取高精度三维点云数据；获取的三维点云数据受各种因素的影响存在误差，需要进行点云数据的预处理，为进行得到井下巷道环境的高精度模型提供数据。
可选的，所述通过三维激光扫描，构建井巷环境模型以及井巷环境的地图描述具体为：
录制相关区域带有GNSS信息的bag；
进行hdl_slam slam构图；
把map绕x轴旋转180，同时z轴方向提高2m；
把map绕z轴旋转90，使机机械手车头与朝向地图上前进的方向；
map已经进行ndt定位，运行bag及ndt定位生成ndt与gnss的对应点表，点的轨迹是一条折线，不能是直线；
利用生成的点表ndt或gnss进行再次转换，使地图方位与gps结合且方位一致；
把地图转换到gps坐标系下，如果选择本次bag第一帧gps作为原点，则地图的ndt原点与gps原点重合；
如果选择某一给定gps坐标作为原点，第一个bag第一帧的gps，则转换完成后，则本地图在第一个bag第一帧的gps为原点的坐标系下，如果所有的submap都选择同一gps原点，则所有的submap在同一坐标系下，完成地图拼接。
可选的，所述进行SLAM建模更新环境地图具体为：
S11：预测机器人状态：基于运动模型，预测机器人当前位置状态；
S12：预测测量量：基于得到的预测位置，预测应该得到哪些测量量；
S13：测量：测量当前真实环境信息；
S14：数据融合：利用EKF将S12和S13中的信息融合；
S15：更新机器人状态：根据S14的结果，更新机器人位置状态，收敛误差；
S16：更新地图：根据S14和S15更新地图数据。
可选的，所述环境地图包括：
栅格图grid maps：将地图分为m*n的栅格，每个栅格内的数值代表是否被占用；
地标图landmark-based maps：基于地标建图，已知某些标志物在地图中的确定位置。
可选的，所述环境地图包括：
占用图occupancy maps：对于每个栅格单元，代表是否被占用；
反射图reflection maps：对于每个单元，表示传感器束反射的概率。
本发明的有益效果在于：本发明利用激光扫描仪构建高精度井巷环境模型，结合地理信息系统构建井巷环境的高精度地图描述；利用激光雷达和红外相机进行动态配准，实现场景信息的识别与估测；利用激光实时建图方法更新变化的环境模型和地图，实现大范围煤矿巷道场景模型的动态更新。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明技术路线图；
图2为本发明系统模块图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1和图2，为一种煤矿机械手扫描观测系统，该系统包括地理信息系统、在线感知模块、建模系统、激光雷达、红外相机、动静态信息识别模块和井下环境模块；
所述地理信息系统与在线感知模块分别与建模系统信号连接；
所述激光雷达与红外相机分别与动静态信息识别模块信号连接；
所述建模系统与动静态信息识别模块分别与井下环境模块信号连接；
所述地理信息系统通过三维激光扫描，构建井巷环境模型以及井巷环境的地图描述；
所述在线感知模块通过激光和视觉采集的感知方式，进行SLAM建模更新环境地图；
所述激光雷达通过点云配准，结合所述红外相机的视觉语义，将图像信号传输至动静态信息识别模块；
所述建模系统和动静态信息识别模块联合数据传至井下环境模块；利用激光雷达与视觉的动态配准结果，确定地图更新区域，确认是否为长期变化区域；在原有地图基础上，利用结合多传感器的激光SLAM技术更新环境地图；利用回环检测和图优化方法优化地图质量，保证更新后的地图与原始地图的一致性。
可选的，所述井巷环境模型的建模过程包括点云数据的获取、点云数据的预处理和三维环境建模；
点云数据的获取受井下巷道特殊环境的影响，选用激光扫描仪对井下巷道进行扫描，获取高精度三维点云数据；获取的三维点云数据受各种因素的影响存在误差，需要进行点云数据的预处理，为进行得到井下巷道环境的高精度模型提供数据。
可选的，所述通过三维激光扫描，构建井巷环境模型以及井巷环境的地图描述具体为：
录制相关区域带有GNSS信息的bag；
进行hdl_slam slam构图；
把map绕x轴旋转180，同时z轴方向提高2m；
把map绕z轴旋转90，使机机械手车头与朝向地图上前进的方向；
map已经进行ndt定位，运行bag及ndt定位生成ndt与gnss的对应点表，点的轨迹是一条折线，不能是直线；
利用生成的点表ndt或gnss进行再次转换，使地图方位与gps结合且方位一致；
把地图转换到gps坐标系下，如果选择本次bag第一帧gps作为原点，则地图的ndt原点与gps原点重合；
如果选择某一给定gps坐标作为原点，第一个bag第一帧的gps，则转换完成后，则本地图在第一个bag第一帧的gps为原点的坐标系下，如果所有的submap都选择同一gps原点，则所有的submap在同一坐标系下，完成地图拼接。
可选的，所述进行SLAM建模更新环境地图具体为：
S11：预测机器人状态：基于运动模型，预测机器人当前位置状态；
S12：预测测量量：基于得到的预测位置，预测应该得到哪些测量量；
S13：测量：测量当前真实环境信息；
S14：数据融合：利用EKF将S12和S13中的信息融合；
S15：更新机器人状态：根据S14的结果，更新机器人位置状态，收敛误差；
S16：更新地图：根据S14和S15更新地图数据。
可选的，所述环境地图包括：
栅格图grid maps：将地图分为m*n的栅格，每个栅格内的数值代表是否被占用；
地标图landmark-based maps：基于地标建图，已知某些标志物在地图中的确定位置。
可选的，所述环境地图包括：
占用图occupancy maps：对于每个栅格单元，代表是否被占用；
反射图reflection maps：对于每个单元，表示传感器束反射的概率。
研究井巷环境高精度建模技术，利用激光扫描仪构建高精度井巷环境模型，结合地理信息系统构建井巷环境的高精度地图描述。环境建模是喷浆机器人在复杂动态环境下的全场景精确定位与路径规划的重要前提，对喷浆定位精度及路径规划具有重要影响。其环境高精度建模过程一般为点云数据的获取、点云数据的预处理和三维环境建模三个阶段。点云数据的获取受井下巷道特殊环境的影响，选用激光扫描仪对井下巷道进行扫描，获取高精度三维点云数据。获取的三维点云数据受各种因素的影响会存在一定的误差，需要进行点云数据的预处理，为进行得到井下巷道环境的高精度模型提供数据。
研究环境模型动态更新技术，利用激光实时建图方法更新变化的环境模型和地图，实现大范围煤矿巷道场景模型的动态更新。其步骤包括：
①利用激光雷达与视觉的动态配准结果，确定地图更新区域，确认是否为长期变化区域；
②在原有高精度地图基础上，利用结合多传感器的激光SLAM技术更新环境地图；
③利用回环检测和图优化方法进一步优化地图质量，保证更新后的地图与原始地图的一致性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种煤矿机械手扫描观测系统，其特征在于：该系统包括地理信息系统、在线感知模块、建模系统、激光雷达、红外相机、动静态信息识别模块和井下环境模块；
所述地理信息系统与在线感知模块分别与建模系统信号连接；
所述激光雷达与红外相机分别与动静态信息识别模块信号连接；
所述建模系统与动静态信息识别模块分别与井下环境模块信号连接；
所述地理信息系统通过三维激光扫描，构建井巷环境模型以及井巷环境的地图描述；
所述在线感知模块通过激光和视觉采集的感知方式，进行SLAM建模更新环境地图；
所述激光雷达通过点云配准，结合所述红外相机的视觉语义，将图像信号传输至动静态信息识别模块；
所述建模系统和动静态信息识别模块联合数据传至井下环境模块；利用激光雷达与视觉的动态配准结果，确定地图更新区域，确认是否为长期变化区域；在原有地图基础上，利用结合多传感器的激光SLAM技术更新环境地图；利用回环检测和图优化方法优化地图质量，保证更新后的地图与原始地图的一致性。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿机械手扫描观测系统，其特征在于：所述井巷环境模型的建模过程包括点云数据的获取、点云数据的预处理和三维环境建模；
点云数据的获取受井下巷道特殊环境的影响，选用激光扫描仪对井下巷道进行扫描，获取高精度三维点云数据；获取的三维点云数据受各种因素的影响存在误差，需要进行点云数据的预处理，为进行得到井下巷道环境的高精度模型提供数据。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿机械手扫描观测系统，其特征在于：所述通过三维激光扫描，构建井巷环境模型以及井巷环境的地图描述具体为：
录制相关区域带有GNSS信息的bag；
进行hdl_slam slam构图；
把map绕x轴旋转180，同时z轴方向提高2m；
把map绕z轴旋转90，使机机械手车头与朝向地图上前进的方向；
map已经进行ndt定位，运行bag及ndt定位生成ndt与gnss的对应点表，点的轨迹是一条折线，不能是直线；
利用生成的点表ndt或gnss进行再次转换，使地图方位与gps结合且方位一致；
把地图转换到gps坐标系下，如果选择本次bag第一帧gps作为原点，则地图的ndt原点与gps原点重合；
如果选择某一给定gps坐标作为原点，第一个bag第一帧的gps，则转换完成后，则本地图在第一个bag第一帧的gps为原点的坐标系下，如果所有的submap都选择同一gps原点，则所有的submap在同一坐标系下，完成地图拼接。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿机械手扫描观测系统，其特征在于：所述进行SLAM建模更新环境地图具体为：
S11：预测机器人状态：基于运动模型，预测机器人当前位置状态；
S12：预测测量量：基于得到的预测位置，预测应该得到哪些测量量；
S13：测量：测量当前真实环境信息；
S14：数据融合：利用EKF将S12和S13中的信息融合；
S15：更新机器人状态：根据S14的结果，更新机器人位置状态，收敛误差；
S16：更新地图：根据S14和S15更新地图数据。
5.根据权利要求4所述的一种煤矿机械手扫描观测系统，其特征在于：所述环境地图包括：
栅格图grid maps：将地图分为m*n的栅格，每个栅格内的数值代表是否被占用；
地标图landmark-based maps：基于地标建图，已知某些标志物在地图中的确定位置。
6.根据权利要求4所述的一种煤矿机械手扫描观测系统，其特征在于：所述环境地图包括：
占用图occupancy maps：对于每个栅格单元，代表是否被占用；
反射图reflection maps：对于每个单元，表示传感器束反射的概率。
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