CN116182743A - 基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统 - Google Patents

基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统，属于智能煤矿技术领域。包括点云采集子系统、定位导航子系统和机载数据处理终端；点云采集子系统包括激光雷达和旋转云台；定位导航子系统包括捷联惯导和全站仪；激光雷达用于随着旋转云台进行旋转和扫描，获取各站点的三维激光点云数据，通过机载数据处理终端将各站点的三维激光点云数据进行建模，获得对应各站点的三维点云模型；捷联惯导和全站仪用于获取相邻站点间的位姿信息，并通过机载数据处理终端基于所获取的相邻站点间的位姿信息对相邻站点间的三维点云模型进行点云拼接，完成掘进机所在巷道的三维点云模型完备集。本发明通过可视化手段反映出了掘进巷道的全局信息。

Description

基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统
技术领域
本发明涉及智能煤矿技术领域，尤其涉及一种基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统。
背景技术
掘进机在进行掘进作业时，很多场景都需要对掘进巷道的轮廓进行标示，以实现掘进巷道的三维展示，从而便于观察掘进机的作业情况。例如，通过对掘进巷道的轮廓进行标示，可以对掘进巷道进行实时的超挖和欠挖检测。传统在进行掘进巷道轮廓的标示时，主要通过经纬仪、全站仪等测量仪器，每隔5-10m进行断面测量，并基于测量数据绘制出断面图。很显然，断面图仅仅反映出了掘进巷道的局部信息。而且，传统的方法不仅需要耗费大量人力物力，还存在安全隐患，这也与煤矿智能化的发展相悖。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统。本发明的技术方案如下：
一种基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统，其包括点云采集子系统、定位导航子系统和机载数据处理终端；所述点云采集子系统包括激光雷达和旋转云台；所述定位导航子系统包括捷联惯导和全站仪；所述全站仪固定放置在掘进机后方的巷道内，所述激光雷达、旋转云台、捷联惯导和机载数据处理终端和全站仪的棱镜均固定在掘进机机身后方；所述激光雷达水平固定放置在旋转云台上，用于随着所述旋转云台进行旋转和扫描，以获取各站点的三维激光点云数据，并通过所述机载数据处理终端将所获取的各站点的三维激光点云数据进行建模，以获得对应各站点的三维点云模型；所述捷联惯导和全站仪用于获取相邻站点间的位姿信息，并通过所述机载数据处理终端基于所获取的相邻站点间的位姿信息对相邻站点间的三维点云模型进行点云拼接，循环往复直至建立完成所述掘进机所在巷道的三维点云模型完备集。
可选地，所述激光雷达随着所述旋转云台进行旋转和扫描，以获取各站点的三维激光点云数据，并通过所述机载数据处理终端将所获取的各站点的三维激光点云数据进行建模，以获得对应各站点的三维点云模型时，通过如下方式来实现：
随着掘进机的移动，在各个站点位置，所述激光雷达通过扫描得到各站点的三维激光点云数据和对应的云台角度，保存数据并传输至所述机载数据处理终端；
所述机载数据处理终端根据所传输的各站点的三维激光点云数据和对应的云台角度，建立各站点的三维点云模型。
可选地，所述捷联惯导和全站仪用于获取相邻站点间的位置信息，并通过所述机载数据处理终端基于所获取的相邻站点间的位姿信息对相邻站点间的三维点云模型进行点云拼接时，通过如下方式来实现：
所述捷联惯导和全站仪获取相邻站点间的位移数据和姿态数据，并传输至所述机载数据处理终端；
所述机载数据处理终端基于所述相邻站点间的位移数据和姿态数据，对相邻站点的三维点云模型进行点云拼接。
可选地，所述激光雷达随着所述旋转云台进行旋转和扫描，以获取各站点的三维激光点云数据时，以所述激光雷达内的激光发射中心作为坐标系的中心，则通过激光反射得到各个激光点在激光雷达坐标系下的三维坐标（x，y，z）对应公式（1）为：
Figure SMS_1
（1）
其中，r为实测距离，ω为激光的垂直角度，α为激光的水平云台角度，x、y、z为极坐标投影到笛卡尔坐标系下的坐标。
可选地，所述机载数据处理终端根据所传输的各站点的三维激光点云数据和对应的云台角度，建立各站点的三维点云模型时，通过将对应云台角度θ下的激光雷达坐标系下的点云数据（x，y，z）通过矩阵变换投影到云台坐标系下的点云数据（x’，y’，z’），坐标变换公式（2）如下：
Figure SMS_2
（2）/>
Figure SMS_3
（3）
其中，t为平移向量，Ry（θ）为对应云台角度θ的旋转矩阵。
可选地，所述机载数据处理终端基于所述相邻站点间的位移和姿态数据，对相邻站点的三维点云模型进行点云拼接时，对于相邻的A站点和B站点，掘进机在t'时刻A站点的三维点云模型PA对应的捷联惯导返回姿态数据为三个欧拉角（ψA，θA，φA），掘进机移动到t"时刻B站点的三维点云模型PB对应的捷联惯导返回姿态数据为三个欧拉角（ψB，θB，φB），所述机载数据处理终端先通过两组欧拉角计算B站点到A站点的旋转矩阵是△R，再根据全站仪计算出B站点到A站点的平移向量△t，最终B站点的三维点云模型PB投影到A站点的三维点云模型PA为：PA=△RPB+△t。
可选地，所述激光雷达随着所述旋转云台进行旋转和扫描，以获取各站点的三维激光点云数据时，数据采集控制流程包括：
对掘进机机身是否停止移动进行检测；当掘进机机身停止移动时，所述激光雷达复位至机械零点；所述激光雷达跟随旋转云台旋转至对应云台角度时，采集对应的三维激光点云数据并保存。
上述所有可选技术方案均可任意组合，本发明不对一一组合后的结构进行详细说明。
借由上述方案，本发明的有益效果如下：
通过点云采集子系统和定位导航子系统的设计，并设置点云采集子系统包括激光雷达（LiDAR）和旋转云台，定位导航子系统包括捷联惯导和全站仪，激光雷达随着旋转云台进行旋转和扫描，从而建立当前扫描位置的三维点云模型，捷联惯导和全站仪获取相邻站点间的位姿信息，机载数据处理终端根据位姿信息将相邻两站点间的三维点云模型进行拼接，循环往复直至建立完成巷道的三维点云模型完备集。如此，本发明提供的系统可以将煤矿井下掘进巷道的轮廓通过可视化手段标示出来，所标示处的掘进巷道轮廓可以反映掘进巷道的全局信息，整个标示过程无需人员参与，不仅节省大量人力物力，而且提高了安全性。当建立掘进巷道的全局模型后，既可以与掘进巷道设计轮廓进行定性直观对比，也可以定理进行数据对比，从而确定掘进巷道的超欠挖情况等。另外，基于巷道的三维点云模型完备集形成的巷道三维点云地图，也可以给其他的掘进自主机器人提供一个用于匹配定位的先验地图信息。
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，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明提供的基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统的组成结构示意图。
图2是本发明中激光雷达在进行数据采集时的数据采集流程示意图。
图3是本发明中激光雷达坐标系与旋转云台坐标系的坐标对应关系图。
图4为本发明中点云拼接时的数据处理示意图。
图5为本发明中系统拟运行轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供的基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统，其包括点云采集子系统10、定位导航子系统20和机载数据处理终端；所述点云采集子系统10包括激光雷达和旋转云台；所述定位导航子系统20包括捷联惯导21和全站仪22；所述全站仪22固定放置在掘进机后方的巷道内，所述激光雷达、旋转云台、捷联惯导21和机载数据处理终端和全站仪22的棱镜均固定在掘进机机身后方。
所述激光雷达水平固定放置在旋转云台上，用于随着所述旋转云台进行旋转和扫描，以获取各站点的三维激光点云数据，并通过所述机载数据处理终端将所获取的各站点的三维激光点云数据进行建模，以获得对应各站点的三维点云模型。
所述捷联惯导和全站仪用于获取相邻站点间的位姿信息，并通过所述机载数据处理终端基于所获取的相邻站点间的位姿信息对相邻站点间的三维点云模型进行点云拼接，循环往复直至建立完成所述掘进机所在巷道的三维点云模型完备集。
在具体应用中，基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统主要执行如下几个操作步骤：步骤一，在当前站点位置通过旋转激光雷达扫描得到三维激光点云数据，保存数据并传输至机载数据处理终端；步骤二：在数据处理终端根据所得到的三维激光点云数据和云台角度，建立当前站点的三维点云模型；步骤三：掘进机载体移动，并在下一个站点扫描得到另一组三维激光点云数据，保存数据并传输至机载数据处理终端；步骤四：根据捷联惯导和全站仪得到的两个相邻站点间的位移数据和姿态数据，建立两处站点间的三维点云模型的关系，并进行点云拼接；步骤五：随着掘进机的移动，重复进行站点的扫描以及相邻站点的点云数据的拼接，直至获取全部巷道的三维点云模型，从而建立完成所述掘进机所在巷道的三维点云模型完备集。
在一应用实施例中，所述激光雷达随着所述旋转云台进行旋转和扫描，以获取各站点的三维激光点云数据，并通过所述机载数据处理终端将所获取的各站点的三维激光点云数据进行建模，以获得对应各站点的三维点云模型时，通过如下方式来实现：首先，随着掘进机的移动，在各个站点位置，所述激光雷达通过扫描得到各站点的三维激光点云数据和对应的云台角度，保存数据并传输至所述机载数据处理终端；进一步地，所述机载数据处理终端根据所传输的各站点的三维激光点云数据和对应的云台角度，建立各站点的三维点云模型。
在具体操作中，结合前述步骤一，首先启动激光雷达，根据激光雷达的工作原理，通过激光反射得到各个激光点在激光雷达坐标系下的三维坐标（x，y，z）。即以激光扫描装置内的激光发射中心作为坐标系的中心O。其中，三维坐标（x，y，z）对应公式（1）为：
Figure SMS_4
（1）
其中，r为实测距离，ω为激光的垂直角度，α为激光的水平云台角度，x、y、z为极坐标投影到笛卡尔坐标系下的坐标。
这里，需要补充说明的是，因为激光雷达垂直角度存在范围（-15°≤ω≤15°），若实现全方位（360°×360°）扫描则需要旋转云台带动激光雷达进行旋转，提供额外的自由度。将激光雷达水平固定放置在旋转云台上，提供控制旋转云台改变激光雷达的横滚角，即云台角度θ，θ的取值范围为-90°≤θ≤90°。从而让其搭载的激光雷达围绕旋转点云采集子系统中的Y轴进行旋转，达到全方位的扫描。
在一具体应用实施例中，激光点云的采集控制流程如图2所示。旋转云台的控制器通过串口与工控机进行通信，而旋转云台上的激光雷达则通过网口与工控机进行通信，通过工控机进行包括激光雷达数据采集、解码、保存和旋转云台控制，并可对之前所提的一系列操作实现自动化。这里，工控机可以为所述机载数据处理终端的一部分，也可以是掘进机机身的一部分。
如图2所示，激光雷达随着所述旋转云台进行旋转和扫描，以获取各站点的三维激光点云数据时，数据采集控制流程包括：首先，对掘进机机身是否停止移动进行检测；接着，当掘进机机身停止移动时，即载具停止时，所述激光雷达复位至机械零点；最后，所述激光雷达跟随旋转云台旋转至对应云台角度时，采集对应的三维激光点云数据并保存。
进一步地，在数据采集控制流程中，还存在对所旋转的云台角度是否达到限位角度β进行检测；当达到限位角度β时，采集控制流程结束，否则，继续旋转云台，以通过激光雷达进行扫描并执行数据采集过程。需要补充说明的是，限位角度β的取值与机械零点有关。举例来说，若机械零点的取值为-90°~90°，则限位角度β的取值为180°。
在一应用实施例中，所述机载数据处理终端根据所传输的各站点的三维激光点云数据和对应的云台角度，建立各站点的三维点云模型时，通过将对应云台角度θ下的激光雷达坐标系下的点云数据（x，y，z）通过矩阵变换投影到云台坐标系下的点云数据（x’，y’，z’），坐标变换公式（2）如下：
Figure SMS_5
（2）/>
Figure SMS_6
（3）/>
其中，t为平移向量，Ry（θ）为对应云台角度θ的旋转矩阵。
这里，需要补充说明的是，平移向量t其是由旋转云台的旋转轴y轴和激光雷达的激光发射中心不重叠（存在一个Z轴方向的偏差）而产生的，该值与二者的相对距离以及旋转角有关系。其中
Figure SMS_7
，表明激光雷达采集到的数据除了要进行旋转还要进行平移才能得到在旋转云台坐标系下的坐标，如图3所示。
在一应用实施例中，所述相邻站点间的位姿信息包括相邻站点间的位移数据和姿态数据；捷联惯导和全站仪获取相邻站点间的位姿信息，并通过所述机载数据处理终端基于所获取的相邻站点间的位姿信息对相邻站点间的三维点云模型进行点云拼接时，通过如下方式来实现：先根据所述捷联惯导和全站仪得到相邻站点间的位移数据和姿态数据，并传输至所述机载数据处理终端；之后由所述机载数据处理终端基于所述相邻站点间的位移数据和姿态数据，对相邻站点的三维点云模型进行点云拼接。具体地，如图4和图5所示，所述机载数据处理终端基于所述相邻站点间的位移数据和姿态数据，对相邻站点的三维点云模型进行点云拼接时，对于相邻的A站点和B站点，掘进机在t'时刻A站点的三维点云模型PA对应的捷联惯导返回姿态数据为三个欧拉角（ψA，θA，φA），掘进机移动到t"时刻B站点的三维点云模型PB对应的捷联惯导返回姿态数据为三个欧拉角（ψB，θB，φB），机载数据处理终端先通过两组欧拉角计算B站点到A站点的旋转矩阵是△R，再根据全站仪计算出B站点到A站点的平移向量△t，最终B站点的三维点云模型PB投影到A站点的三维点云模型PA为：PA=△RPB+△t。至此，即实现了A站点和B站点的三维点云模型的点云拼接。
这里，三个欧拉角（ψA，θA，φA）分别与旋转矩阵△R计算关系分别为：
Figure SMS_8
（4）
Figure SMS_9
（5）
Figure SMS_10
（6）
Figure SMS_11
（7）
这里，两站点位置（两时刻）间的旋转矩阵如公式（8）所示：
Figure SMS_12
（8）
两扫描站点位置（两时刻）间的位移向量△t如下述公式（9）所示：
Figure SMS_13
（9）
t"时刻转台系统坐标中的点云坐标
Figure SMS_14
可以投影到t'时刻转台系统中的坐标/>
Figure SMS_15
，其变换公式（10）为：
Figure SMS_16
（10）
这样，即可很好地完成两站点间三维点云模型的拼接。
综上所述，随着掘进机的移动重复进行站点的扫描以及相邻站点的点云数据的拼接，直至获取全部巷道的三维点云模型，从而建立完成所述掘进机所在掘进巷道的三维点云模型完备集。如此，基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统通过可视化手段反映出了掘进巷道的全局信息，在此基础上，既可以与掘进巷道设计轮廓进行定性直观对比，也可以定理进行数据对比，以确定超欠挖情况。另外，基于掘进巷道的三维点云模型完备集形成的巷道三维点云地图，也可以给其他的掘进自主机器人提供一个用于匹配定位的先验地图信息。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统，其特征在于，包括点云采集子系统、定位导航子系统和机载数据处理终端；所述点云采集子系统包括激光雷达和旋转云台；所述定位导航子系统包括捷联惯导和全站仪；所述全站仪固定放置在掘进机后方的巷道内，所述激光雷达、旋转云台、捷联惯导、机载数据处理终端和全站仪的棱镜均固定在掘进机机身后方；
所述激光雷达水平固定放置在旋转云台上，用于随着所述旋转云台进行旋转和扫描，以获取各站点的三维激光点云数据，并通过所述机载数据处理终端将所获取的各站点的三维激光点云数据进行建模，以获得对应各站点的三维点云模型；所述捷联惯导和全站仪用于获取相邻站点间的位姿信息，并通过所述机载数据处理终端基于所获取的相邻站点间的位姿信息对相邻站点间的三维点云模型进行点云拼接，循环往复直至建立完成所述掘进机所在掘进巷道的三维点云模型完备集。
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统，其特征在于，所述激光雷达随着所述旋转云台进行旋转和扫描，以获取各站点的三维激光点云数据，并通过所述机载数据处理终端将所获取的各站点的三维激光点云数据进行建模，以获得对应各站点的三维点云模型时，通过如下方式来实现：
随着掘进机的移动，在各个站点位置，所述激光雷达通过扫描得到各站点的三维激光点云数据和对应的云台角度，保存数据并传输至所述机载数据处理终端；
所述机载数据处理终端根据所传输的各站点的三维激光点云数据和对应的云台角度，建立各站点的三维点云模型。
3.根据权利要求1所述的基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统，其特征在于，所述捷联惯导和全站仪用于获取相邻站点间的位姿信息，并通过所述机载数据处理终端基于所获取的相邻站点间的位姿信息对相邻站点间的三维点云模型进行点云拼接时，通过如下方式来实现：
所述捷联惯导和全站仪获取相邻站点间的位移数据和姿态数据，并传输至所述机载数据处理终端；
所述机载数据处理终端基于所述相邻站点间的位移数据和姿态数据，对相邻站点的三维点云模型进行点云拼接。
4.根据权利要求1或2所述的基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统，其特征在于，所述激光雷达随着所述旋转云台进行旋转和扫描，以获取各站点的三维激光点云数据时，以所述激光雷达内的激光发射中心作为坐标系的中心，则通过激光反射得到各个激光点在激光雷达坐标系下的三维坐标（x，y，z）对应公式（1）为：
Figure QLYQS_1
（1）
其中，r为实测距离，ω为激光的垂直角度，α为激光的水平云台角度，x、y、z为极坐标投影到笛卡尔坐标系下的坐标。
5.根据权利要求4所述的基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统，其特征在于，所述机载数据处理终端根据所传输的各站点的三维激光点云数据和对应的云台角度，建立各站点的三维点云模型时，通过将对应云台角度θ下的激光雷达坐标系下的点云数据（x，y，z）通过矩阵变换投影到云台坐标系下的点云数据（x’，y’，z’），坐标变换公式（2）如下：
Figure QLYQS_2
（2）/>
Figure QLYQS_3
（3）
其中，t为平移向量，Ry（θ）为对应云台角度θ的旋转矩阵。
6.根据权利要求3所述的基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统，其特征在于，所述机载数据处理终端基于所述相邻站点间的位移和姿态数据，对相邻站点的三维点云模型进行点云拼接时，对于相邻的A站点和B站点，掘进机在t'时刻A站点的三维点云模型PA对应的捷联惯导返回姿态数据为三个欧拉角（ψA，θA，φA），掘进机移动到t"时刻B站点的三维点云模型PB对应的捷联惯导返回姿态数据为三个欧拉角（ψB，θB，φB），所述机载数据处理终端先通过两组欧拉角计算B站点到A站点的旋转矩阵是△R，再根据全站仪计算出B站点到A站点的平移向量△t，最终B站点的三维点云模型PB投影到A站点的三维点云模型PA为：PA=△RPB+△t。
7.根据权利要求1所述的基于激光雷达的煤矿井下掘进巷道轮廓标示系统，其特征在于，所述激光雷达随着所述旋转云台进行旋转和扫描，以获取各站点的三维激光点云数据时，数据采集控制流程包括：
对掘进机机身是否停止移动进行检测；
当掘进机机身停止移动时，所述激光雷达复位至机械零点；
所述激光雷达跟随旋转云台旋转至对应云台角度时，采集对应的三维激光点云数据并保存。
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