CN114998212A - 基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔的定位方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于锚杆机器人钻孔定位技术领域，具体是一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位系统及方法，方法包括以下步骤：S1、通过激光扫描仪对巷道顶板钢带进行采样得到采样云点信息；S2、利用kd树法对采样云点信息进行边界提取得到边界云点；S3、根据欧式距离聚类分割算法对边界云点进行分类后通过椭圆拟合提取锚孔边界云点，剔除钢带边界云点，并计算锚孔边界云点对应的拟合椭圆的中心坐标、长轴和短轴；S4、通过拟合椭圆的中心附近的云点计算得到钻孔平面，并将椭圆中心转化到钻孔平面得到钻孔中心三维坐标；S5、根据钻孔中心三维坐标，控制钻臂进行锚杆支护作业。本发明定位精度高，可以实现锚护机器人作业自动化。

Description

基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔的定位方法和系统

技术领域

本发明属于锚杆机器人钻孔定位技术领域，具体是一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位系统及方法。

背景技术

随着工业化和科技水平的提高，矿井井下减人化，无人化智能开采成为一种趋势。但是锚杆支护作为巷道在服务期内稳定可靠的重要保障，其作业模式仍需要人工手动操作，尤其体现在巷道顶板钢带锚孔作业中。由于井下工作环境差，光照有限，顶板锚孔孔径小，工人在操作过程中不能快速准确的对锚孔定位，延长了锚杆支护的工作时间，甚至影响了巷道的稳定性。为了实现锚杆支护作业的自动化，机器视觉在这方面也有应用。在专利号CN202110084689.0提供了一种系统及方法，这种系统和方法存在以下不足：(1)这种方法需要在锚护机器工作前期建立样本库，成像结果与样本库进行比对。这样一方面会增加了任务流程，另一方面对出现的特殊锚孔无法识别，造成空锚的情况，(2)这个系统依靠相机，矿井下的光照条件严重影响了成像效果，削弱了锚孔定位精度。

随着激光扫描技术的发展，激光扫描仪器应用越来越广泛。由于其矿山环境的适应力和高精度，因此，如何利用激光扫描仪来识别钻孔，成为本领域急需要解决的问题。

发明内容

为了帮助实现井下减人化、无人化作业，解决在锚护机器人方面，机器视觉技术受亮度影响较大，不适用于矿井环境的问题，本发明提供了一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，包括以下步骤：

S1、通过激光扫描仪对巷道顶板钢带进行采样得到采样云点信息；

S2、利用kd树法对采样云点信息进行边界提取得到边界云点；

S3、根据欧式距离聚类分割算法对边界云点进行分类后通过椭圆拟合提取锚孔边界云点，剔除钢带边界云点，并计算锚孔边界云点对应的拟合椭圆的中心坐标、长轴和短轴；

S4、通过拟合椭圆中心附近的云点确定钻孔平面，并将椭圆中心转化到钻孔平面得到钻孔中心三维坐标；

S5、根据钻孔中心三维坐标，控制钻臂进行锚杆支护作业。

所述步骤S2中，进行边界提取的具体方法为：

S201、从采样云点中选取一个云点a，设定k邻域，找到云点a周围最近的k个点的集合作为第一邻域集合，记为N_j(j＝0,1,2,…,k-1)，对点a和第一邻域集合N_j内的所有点云进行最小二乘法拟合得到云点a的局部切平面；

S202、在云点a的局部切平面上建立平面坐标系，以云点a到切平面投影a₁为坐标原点，a₁与N₀在平面上的投影N_0,1组成的向量为x轴，局部切平面的法向量与x轴的叉乘为y轴建立第一平面坐标系，将云点a和第一邻域集合N_j内的点全部投影到第一平面坐标系中；

S203、在第一平面坐标系中，以云点a的投影a1为顶点，向第一邻域集合N_j内的各个点在第一平面坐标系中的投影作向量，计算任意相邻两个向量之间的夹角θ_j，若maxθ_j>θ，则表示云点a为边界点，若maxθ_j<θ，则表示云点a不是边界，θ表示最大夹角阈值；

S204、从采样云点中选取下一个点，重复步骤S201～S203，对所有云点进行判定，得到所有的边界云点集合a_i。

所述步骤S203中，最大夹角阈值的取值范围为：

所述步骤S3中，对边界云点进行分类的具体方法为：

S301、选取边界云点集合中的任意一点p放入聚类集Q₁，利用kd树找到边界云点集合a_i中距离云点p最近的k个点作为第二k邻域合集，记作p_i(i＝0,…,k-1)；计算云点p到第二k邻域集合p_i中的各个点的欧氏距离r，将欧式距离小于聚类分割阈值r_s的点放入聚类集Q₁；

S302、选取聚类集Q_t中的一个云点q，利用kd树找到边界云点集合a_i的剩余云点中，距离云点q最近的k个点作为第三k邻域集合，计算云点q到第三k邻域集合中的各个点的欧氏距离，将欧式距离小于聚类分割阈值的点放入聚类集Q₁；

S303、选取聚类集Q₁中的下一个云点，重复步骤S303，直到聚类集Q₁中的点不再增加；

S304、在边界云点集合a_i的剩余云点中继续选取任意一点放入聚类集Q₂，重复步骤S301～S304，直到聚类集Q₂中的点不再增加；

S305、重复步骤S304、直至所有边界云点都放入聚类集，最终得到聚类集Q₁、Q₂、……Q_T，T表示聚类集的个数。

所述步骤S3中，利用椭圆拟合提取锚孔边界，剔除钢带边界的具体方法为：

S306、对其中一个聚类集Q₁中的所有云点通过最小二乘法拟合得到第一拟合平面，以第一拟合平面上任意一点为原点，在原点任意向量作为坐标系x轴，平面法向量与x轴叉乘作为y轴建立第二平面坐标系，将Q_t中的所有云点投影到拟合平面上得到第二平面坐标系下的坐标集

S307、对坐标集

进行平面椭圆拟合，计算拟合误差G；

S308、对其它聚类集重复步骤S306～S307；

S309、判断各个聚类集Q₁、Q₂、……Q_T是否为钻孔边界云点集，判断依据为：若

则该聚类集不是钻孔边界云点集，剔除，若

则该聚类集是钻孔边界云点集，保留，其中，G₀表示拟合误差阈值，N表示聚类集内的点云个数；

S310、对保留的聚类集，通过拟合椭圆表达式计算拟合椭圆的椭圆中心、长轴和短轴。

所述步骤S307中，拟合椭圆表达式为：

A₀x²+B₀xy+C₀y²+D₀x+E₀y+F₀＝0；

式中，A₀，B₀，C₀，D₀，F₀，F₀为椭圆参数，4A₀C₀-B₀ ²>0，x，y分别表示横纵坐标；

拟合优化函数表达式为：

拟合误差G的计算公式为：

其中，

表示坐标集

中第n个云点的坐标，N表示聚类集Q₁中的云点个数。

所述步骤S4具体包括以下步骤：

S401、以拟合椭圆的中心为搜索中心，以拟合椭圆长轴和短轴的均值的m倍为搜索半径，利用kd树结构搜索在此区域的云点集a_h(h＝1,2,…,H)，H表示a_h内点的个数；

S402、由云点集a_h(h＝1,2,…,H)进行平面拟合得到钻孔平面，拟合表达式为：

其中，A₁，B₁，C₁，D₁表示拟合平面参数，拟合得到的钻孔平面方程为A₁x_h+B₁y_h+C₁Z_h+D₁＝0；

S403、将步骤3中计算得到的椭圆中心坐标从椭圆拟合平面坐标系转化到钻孔平面坐标系下，得到钻孔中心坐标(x₀，y₀)，钻孔平面坐标系以云点集a_h(h＝1,2,…,H)中任意一点为原点，任意向量为x轴，x轴与该平面法向量的叉乘为y轴；

S404、通过钻孔平面方程，计算出钻孔中心三维坐标(x₀，y₀，z₀)。

所述步骤S403中，坐标转化的计算公式为：

其中，α为两个坐标系之间的旋转角度，(u，v)表示钻孔平面坐标系原点在椭圆拟合平面的坐标，(x₀，y₀)表示坐标转化后，即钻孔平面坐标系下钻孔中心的坐标。

所述步骤S5中，还包括将钻孔中心三维坐标转化到锚护机器人坐标系下的步骤。

此外，本发明还提供了一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位系统，包括：激光扫描仪和机载数据处理终端；机载数据处理终端内设置有：

边界提取单元：用于将激光扫描仪采集到的散乱环境云点利用kd树法提取出边界云点集。

聚类分割单元：用于利用欧式距离聚类分割算法从边界云点集中选择出钻孔边界云点集。

坐标计算单元：用于通过钻孔边界云点集计算得到钻孔中心位置的三维坐标，实现钻孔定位。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明用于锚护机器人在支护作业时，对巷道顶板钢带上锚孔的定位。与现有的机器视觉采用工业相机技术相比，本发明更适用于光照条件恶劣的矿井巷道环境中。

(2)本发明通过激光扫描仪获取巷道顶板钢带上环境的云点信息，不需要前期建立锚孔的样本库，既简化了工作流程，又可以对钢板上特殊的锚孔进行定位。

(3)本发明对锚孔定位精度高，进一步实现锚护机器人作业自动化，减少支护作业人数，提高工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中巷道顶板钢带上钻孔定位设备的结构示意图；

图3为激光扫描仪得到的巷道顶板钢带的云点示意图；

图4为局部切平面坐标系中的向量夹角的示意图；

图5为利用kd树法提取到的边界点云示意图；

图6为钻孔边界云点拟合椭圆示意图；

图7为锚护机器人机械臂结构示意图；

图8为图7所示锚护机器人机械臂坐标系示意图。

图中：1-巷道，2-顶板钢带，3-锚孔，4-激光扫描仪，5-机载数据处理终端，6-锚护机器人，7-钻臂，8-机械臂，9-钻孔边界点云，12-钢带边界点云；13-钻孔平面，14-第一拟合平面，15-拟合椭圆；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，包括以下步骤：

S1、通过激光扫描仪对巷道顶板钢带进行采样得到采样云点信息。

如图2所示，为本发明实施例的定位方法应在在定位系统时的结构示意图，巷道1顶部设置有支护钢带2，支护钢带2上有一排圆形钻孔3。定位系统包括激光扫描仪4、机载数据处理终端5，激光扫描仪4固定在锚护机器人的机械臂8上，用来采集巷道顶部的环境云点信息，激光扫描仪4采集的云点数据经机载数据处理终端计算处理，得到钻孔三维坐标，然后发送至锚护机器人7，锚护机器人7对得到的坐标进行坐标转化后，驱动机械臂8和钻臂7进行锚护。

定位时，首先接通激光扫描仪电源，启动锚护机器人，控制机械臂到支护钢带位置处；激光扫描仪工作，对巷道顶板钢带进行充分采样，并将采样云点信息传输到机载数据处理终端，采样得到的云点的示意图如图3所示。

S2、利用kd树法对采样云点信息进行边界提取得到边界云点。

所述步骤S2中，进行边界提取的具体方法为：

S201、从采样云点中选取一个云点a，设定k邻域，找到云点a周围最近的k个点的集合作为第一邻域集合，记为N_j(j＝0,1,2,…,k-1)，对点a和第一邻域集合N_j内的所有点云进行最小二乘法拟合得到云点a的局部切平面；

S202、在云点a的局部切平面上建立平面坐标系，以云点a到切平面投影a₁为坐标原点，a₁与N₀在平面上的投影N_0,1组成的向量为x轴，局部切平面的法向量与x轴的叉乘为y轴建立第一平面坐标系，将云点a和第一邻域集合N_j内的点全部投影到第一平面坐标系中；

S203、在第一平面坐标系中，以云点a的投影a1为顶点，向第一邻域集合N_j内的各个点在第一平面坐标系中的投影作向量，计算任意相邻两个向量之间的夹角θj，若maxθ_j>θ，则表示云点a为边界点，若maxθ_j<θ，则表示云点a不是边界，θ表示最大夹角阈值；如图4所示，为作出的各个向量的示意图，其中，N_0,1、N_0,2、……N_0,k-1表示第一邻域集合N_j内的各个点在第一平面坐标系中的投影，θ₀～θ_k-1表示各个相邻两个向量之间的夹角。

所述步骤S203中，最大夹角阈值的取值范围为：

S204、从采样云点中选取下一个点，重复步骤S201～S203，对所有云点进行判定，得到所有的边界云点集合a_i，最终得到边界云点集合的示意图如图5所示。

S3、根据欧式距离聚类分割算法对边界云点进行分类后通过椭圆拟合提取锚孔边界云点，剔除钢带边界云点，并计算锚孔边界云点对应的拟合椭圆的中心坐标、长轴和短轴。

所述步骤S3中，对边界云点进行分类的具体方法为：

S301、选取边界云点集合中的任意一点p放入聚类集Q₁，利用kd树找到边界云点集合a_i中距离云点p最近的k个点作为第二k邻域合集，记作p_i(i＝0,…,k-1)；计算云点p到第二k邻域集合p_i中的各个点的欧氏距离r，将欧式距离小于聚类分割阈值r_s的点放入聚类集Q₁；

S302、选取聚类集Q_t中的一个云点q，利用kd树找到边界云点集合a_i的剩余云点中，距离云点q最近的k1个点作为第三k邻域集合，计算云点q到第三k邻域集合中的各个点的欧氏距离，将欧式距离小于聚类分割阈值的点放入聚类集Q₁；其中，k1可以小于k。

S303、选取聚类集Q₁中的下一个云点，重复步骤S303，直到聚类集Q₁中的点不再增加；

S304、在边界云点集合a_i的剩余云点中继续选取任意一点放入聚类集Q₂，重复步骤S301～S304，直到聚类集Q₂中的点不再增加；

S305、在边界云点集合a_i的剩余云点中继续选取任意一点放入聚类集Q₃，重复步骤S301～S304，直到聚类集Q₃中的点不再增加，依此重复操作，直至所有边界云点都放入聚类集，最终得到聚类集Q₁、Q₂、……Q_T，T表示聚类集的个数。

所述步骤S3中，利用椭圆拟合提取锚孔边界，剔除钢带边界的具体方法为：

S306、对其中一个聚类集Q₁中的所有云点通过最小二乘法拟合得到第一拟合平面，以第一拟合平面上任意一点为原点，在原点任意向量作为坐标系x轴，平面法向量与x轴叉乘作为y轴建立第二平面坐标系，将聚类集Q_t中的所有云点投影到拟合平面上得到第二平面坐标系下的坐标集

S307、对坐标集

进行平面椭圆拟合，计算拟合误差G；

所述步骤S307中，拟合椭圆表达式为：

A₀x²+B₀xy+C₀y²+D₀x+E₀y+F₀＝0； (1)

式中，A₀，B₀，C₀，D₀，E₀，F₀为椭圆参数，x，y分别表示横纵坐标；

拟合优化函数表达式为：

拟合误差G的计算公式为：

其中，

表示坐标集

中第n个云点的坐标，N表示聚类集Q₁中的云点个数。

S308、对其它聚类集重复步骤S306～S307；

S309、判断各个聚类集Q₁、Q₂、……Q_T是否为钻孔边界云点集，判断依据为：若

则该聚类集不是钻孔边界云点集，剔除，若

则该聚类集是钻孔边界云点集，保留，其中，G₀表示拟合误差阈值，N表示聚类集内的点云个数；

S310、对保留的聚类集，通过拟合椭圆表达式计算拟合椭圆的椭圆中心(x，y)、长轴和短轴。如图6所示，拟合椭圆为15，第一拟合平面为14。

S4、通过拟合椭圆计算得到钻孔平面13，并将椭圆中心转化到钻孔平面得到钻孔中心三维坐标。

所述步骤S4具体包括以下步骤：

S401、以拟合椭圆的中心(x，y)为搜索中心，以拟合椭圆长轴和短轴的均值的m倍为搜索半径，利用kd树结构搜索在此区域的云点集a_h(h＝1,2,…,H)，H表示a_h内点的个数。

S402、由云点集a_h(h＝1,2,…,H)进行平面拟合得到钻孔平面(即钢带所处平面)，拟合表达式为：

其中，A₁，B₁，C₁，D₁表示拟合平面参数，拟合钻孔平面方程为A₁x_h+B₁y_h+C₁Z_h+D₁＝0。如图6所示，通过钻孔边界云点集拟合得到的拟合椭圆15所在的平面为第一拟合平面14，通过找kd数搜索云点集a_h，可以确定钻孔平面13，钻孔平面13与步骤S306中得到的第一拟合平面14可能处于不同的平面上。

S403、将步骤3中计算得到的椭圆中心坐标(x，y)从椭圆拟合平面坐标系转化到钻孔平面坐标系下得到钻孔中心坐标(x₀，y₀)，钻孔平面坐标系以云点集a_h(h＝1,2,…,H)中任意一点为原点，任意向量为x轴，x轴与该平面法向量的叉乘为y轴。

所述步骤S403中，坐标转化的计算公式为：

其中，α为两个坐标系之间的旋转角度，(u，v)表示钻孔平面坐标系的原点在椭圆拟合平面的坐标，(x₀，y₀)表示坐标转化后，即钻孔平面坐标系下钻孔中心的坐标。

S404、将钻孔中心坐标(x₀，y₀)带入钻孔平面方程，计算出钻孔中心三维坐标(x₀，y₀，z₀)。

S5、根据钻孔中心三维坐标，控制钻臂进行锚杆支护作业。

所述步骤S5中，还包括将钻孔中心三维坐标转化到锚护机器人坐标系下的步骤。

锚护机器人控制系统对钻孔中心三维坐标进行坐标转化，得到钻孔中心相对于锚护机器人的坐标，步骤S4中得到的钻孔中心三维坐标为以锚护机器人为参照物的坐标，记为(x_r,y_r,z_r)，利用图7和图8来说明坐标转换过程。

锚护机器人的机械臂共有6个自由度，包括绕z₁轴旋转θ₁，绕z₂轴旋转θ₂，沿z₃轴伸缩d₃，绕z₄轴旋转θ₄，绕z₅轴旋转θ₅，绕z₆轴旋转θ₆。O₀，O₁位置为基座上表面，分别对应坐标系S₀，S₁；O₂外套筒回转销中心，对应坐标系S₂；O₃，O₄调平座回转销中心，对应坐标系S₃，S₄；O₅调平座上表面，对应坐标系S₅；O₆回转油缸，对应坐标系S₆；O₇钻架夹钳口，对应坐标系S₇。

激光扫描仪放置在S₂坐标系中，在S₂中的坐标为(x₂,y₂,0)，O₂在S₁中的坐标为(x₁,0,z₁)。上述参数x₁，z₁，x₂，y₂,可以通过测量获得。

由此可得到机械臂各坐标系之间的齐次变换矩阵：

其中，

表示坐标系S1到坐标系S0的变换矩阵，

表示表示坐标系S2到坐标系S1的变换矩阵，

表示表示坐标系S3到坐标系S2的变换矩阵，

表示表示坐标系S3到坐标系S0的变换矩阵。

钻孔中心位置相对锚护机器人的坐标为：

式中,(x₀ y₀ z₀ 1)由(x₀,y₀,z₀)齐次后得到。(x_r,y_r,z_r)＝(d₁₄，d₂₄，d₃₄)。将以锚护机器人为参照物的孔中心位置坐标(x_r,y_r,z_r)传输到锚护机器人控制系统；之后锚护机器人控制系统根据钻孔中心位置坐标(x_r,y_r,z_r)对钻臂位置进行调整，使得钻臂位于钻孔正下方。钻臂在锚护机器人坐标系中位置有设计决定，记为(x_w,y_w,z_w)，当钻臂位于钻孔正下方时，

式中，z_a为一固定值，由钻臂工况和设计情况决定，在满足工作条件下，其值可以为任一值。

实施例二

本发明实施例二提供了一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位系统，包括激光扫描仪和机载数据处理终端，所述机载数据处理终端内设置有边界提取单元、聚类分割单元和坐标计算单元。

边界提取单元用于将激光扫描仪采集到的散乱环境云点利用kd树法提取出边界云点集。

聚类分割单元用于利用欧式距离聚类分割算法从边界云点集中选择出钻孔边界云点集。

坐标计算单元用于通过钻孔边界云点集计算得到钻孔中心位置的三维坐标，实现钻孔定位。

机载数据处理终端将得到钻孔中心坐标传输到锚护机器人控制系统，锚护机器人控制系统对得到的坐标进行坐标转化，进而完成之后的锚护作业。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过激光扫描仪对巷道顶板钢带进行采样得到采样云点信息；

S2、利用kd树法对采样云点信息进行边界提取得到边界云点；

S3、根据欧式距离聚类分割算法对边界云点进行分类后通过椭圆拟合提取锚孔边界云点，剔除钢带边界云点，并计算锚孔边界云点对应的拟合椭圆的中心坐标、长轴和短轴；

S4、通过拟合椭圆中心附近的云点确定钻孔平面，并将椭圆中心转化到钻孔平面得到钻孔中心三维坐标；

S5、根据钻孔中心三维坐标，控制钻臂进行锚杆支护作业。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，进行边界提取的具体方法为：

S201、从采样云点中选取一个云点a，设定k邻域，找到云点a周围最近的k个点的集合作为第一邻域集合，记为N_j(j＝0,1,2,…,k-1)，对点a和第一邻域集合N_j内的所有点云进行最小二乘法拟合得到云点a的局部切平面；

S202、在云点a的局部切平面上建立平面坐标系，以云点a到切平面投影a₁为坐标原点，a₁与N₀在平面上的投影N_0,1组成的向量为x轴，局部切平面的法向量与x轴的叉乘为y轴建立第一平面坐标系，将云点a和第一邻域集合N_j内的点全部投影到第一平面坐标系中；

S203、在第一平面坐标系中，以云点a的投影a1为顶点，向第一邻域集合N_j内的各个点在第一平面坐标系中的投影作向量，计算任意相邻两个向量之间的夹角θ_j，若maxθ_j>θ，则表示云点a为边界点，若maxθ_j<θ，则表示云点a不是边界，θ表示最大夹角阈值；

S204、从采样云点中选取下一个点，重复步骤S201～S203，对所有云点进行判定，得到所有的边界云点集合a_i。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，其特征在于，所述步骤S203中，最大夹角阈值的取值范围为：

4.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，其特征在于，所述步骤S3中，对边界云点进行分类的具体方法为：

S301、选取边界云点集合中的任意一点p放入聚类集Q₁，利用kd树找到边界云点集合a_i中距离云点p最近的k个点作为第二k邻域合集，记作p_i(i＝0,…,k-1)；计算云点p到第二k邻域集合p_i中的各个点的欧氏距离r，将欧式距离小于聚类分割阈值r_s的点放入聚类集Q₁；

S302、选取聚类集Q_t中的一个云点q，利用kd树找到边界云点集合a_i的剩余云点中，距离云点q最近的k个点作为第三k邻域集合，计算云点q到第三k邻域集合中的各个点的欧氏距离，将欧式距离小于聚类分割阈值的点放入聚类集Q₁；

S303、选取聚类集Q₁中的下一个云点，重复步骤S303，直到聚类集Q₁中的点不再增加；

S304、在边界云点集合a_i的剩余云点中继续选取任意一点放入聚类集Q₂，重复步骤S301～S304，直到聚类集Q₂中的点不再增加；

S305、重复步骤S304、直至所有边界云点都放入聚类集，最终得到聚类集Q₁、Q₂、……Q_T，T表示聚类集的个数。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，其特征在于，所述步骤S3中，利用椭圆拟合提取锚孔边界，剔除钢带边界的具体方法为：

S306、对其中一个聚类集Q₁中的所有云点通过最小二乘法拟合得到第一拟合平面，以第一拟合平面上任意一点为原点，在原点任意向量作为坐标系x轴，平面法向量与x轴叉乘作为y轴建立第二平面坐标系，将Q_t中的所有云点投影到拟合平面上得到第二平面坐标系下的坐标集

S307、对坐标集

进行平面椭圆拟合，计算拟合误差G；

S308、对其它聚类集重复步骤S306～S307；

S309、判断各个聚类集Q₁、Q₂、……Q_T是否为钻孔边界云点集，判断依据为：若

则该聚类集不是钻孔边界云点集，剔除，若

则该聚类集是钻孔边界云点集，保留，其中，G₀表示拟合误差阈值，N表示聚类集内的点云个数；

S310、对保留的聚类集，通过拟合椭圆表达式计算拟合椭圆的椭圆中心、长轴和短轴。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，其特征在于，所述步骤S307中，拟合椭圆表达式为：

A₀x²+B₀xy+C₀y²+D₀x+E₀y+F₀＝0；

式中，A₀，B₀，C₀，D₀，E₀，F₀为椭圆参数，4A₀C₀-B₀ ²>0，x，y分别表示横纵坐标；

拟合优化函数表达式为：

拟合误差G的计算公式为：

其中，

表示坐标集

中第n个云点的坐标，N表示聚类集Q₁中的云点个数。

7.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S401、以拟合椭圆的中心为搜索中心，以拟合椭圆长轴和短轴的均值的m倍为搜索半径，利用kd树结构搜索在此区域的云点集a_h(h＝1,2,…,H)，H表示a_h内点的个数；

S402、由云点集a_h(h＝1,2,…,H)进行平面拟合得到钻孔平面，拟合表达式为：

其中，A₁，B₁，C₁，D₁表示拟合平面参数，拟合得到的钻孔平面方程为A₁x_h+B₁y_h+C₁Z_h+D₁＝0；

S403、将步骤3中计算得到的椭圆中心坐标从椭圆拟合平面坐标系转化到钻孔平面坐标系下，得到钻孔中心坐标(x₀，y₀)，钻孔平面坐标系以云点集a_h(h＝1,2,…,H)中任意一点为原点，任意向量为x轴，x轴与该平面法向量的叉乘为y轴；

S404、通过钻孔平面方程，计算出钻孔中心三维坐标(x₀，y₀，z₀)。

8.根据权利要求6所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，其特征在于，所述步骤S403中，坐标转化的计算公式为：

其中，α为两个坐标系之间的旋转角度，(u，v)表示钻孔平面坐标系原点在椭圆拟合平面的坐标，(x₀，y₀)表示坐标转化后，即钻孔平面坐标系下钻孔中心的坐标。

9.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，其特征在于，所述步骤S5中，还包括将钻孔中心三维坐标转化到锚护机器人坐标系下的步骤。

10.一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位系统，其特征在于，包括：激光扫描仪和机载数据处理终端；机载数据处理终端内设置有：

边界提取单元：用于将激光扫描仪采集到的散乱环境云点利用kd树法提取出边界云点集。

聚类分割单元：用于利用欧式距离聚类分割算法从边界云点集中选择出钻孔边界云点集。

坐标计算单元：用于通过钻孔边界云点集计算得到钻孔中心位置的三维坐标，实现钻孔定位。

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