采礦車輛以及初始化采礦工作任務的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采礦車輛和方法。采礦車輛包括至少一個掃描裝置，該掃描裝置用來掃描采礦車輛的周圍并生成運行點云數據。采礦車輛包括控制單元，該控制單元設有礦的參考點云數據?？刂茊卧慌渲脼閷⑦\行點云數據與參考點云數據匹配，以確定采礦車輛的位置?？刂茊卧M一步包括采礦工作平面圖，該采礦工作平面圖連接到所探測到的采礦車輛的位置。
【專利說明】采礦車輛以及初始化采礦工作任務的方法
[0001 ]發(fā)明背景
[0002]本發(fā)明涉及一種采礦車輛，其設有用于掃描采礦車輛的周圍以生成用于確定采礦車輛的位置和方位的數據的掃描裝置。
[0003]本發(fā)明進一步涉及一種初始化在采礦工作地點處的采礦車輛的采礦工作任務的方法。
[0004]本發(fā)明的領域更具體地在獨立權利要求中的前序部分中進行了限定。
[0005]采礦車輛用于不同的礦中，以執(zhí)行在期望工作地點處的采礦工作操作。采礦車輛的定位可能需要使用大范圍的且復雜的定位系統(tǒng)。已知的定位系統(tǒng)和方法也可能需要熟練的操作員并且難以自動化。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供設有定位系統(tǒng)的新穎且改進的采礦車輛。進一步的目的是提供用于初始化在采礦工作地點處的采礦工作任務的新穎且改進的方法。
[0007]根據本發(fā)明的采礦車輛的特征在于設備獨立權利要求的特征。
[0008]根據本發(fā)明的控制單元的特征在于另一設備獨立權利要求的特征。
[0009]根據本發(fā)明的方法的特征在于方法獨立權利要求的特征。
[0010]所公開的解決方案的思想是，采礦車輛設有一個或多個用來執(zhí)行礦中的采礦工作任務的采礦工作裝置。為了確定采礦車輛的位置和方向，采礦車輛包括一個或多個用來掃描采礦車輛的周圍的掃描裝置。掃描裝置生成周圍的3D掃描數據。掃描數據包括點云數據并且點云數據中的所探測到的點的坐標可被探測到。采礦車輛與至少一個控制單元操作通信，該至少一個控制單元接收數據并且在至少一個處理器中處理數據。所述一個或多個控制單元可以被車載定位于采礦車輛上或者它們可以在采礦車輛的外部?？刂茊卧O有一個或多個點云匹配程序，該點云匹配程序可在處理器中執(zhí)行。初始第一點云數據被輸入到控制單元。第一點云數據包括所存儲的在礦坐標系中的礦的參考模型。進一步地，由采礦車輛的掃描裝置生成的至少一個第二點云數據也被輸入到控制單元。第二點云數據包括采礦車輛的當前位置的運行掃描數據。接著，控制單元執(zhí)行點云匹配程序，以將第二運行點云數據與第一參考點云數據匹配。控制單元可基于所確定的在運行點云數據與參考云數據之間的匹配來確定在礦坐標系中的采礦車輛的位置和方向。當比較上述點云時，該解決方案可實施最佳點云擬合方法。此外，為了執(zhí)行礦中的預先設計的采礦工作操作，控制單元設有至少一個采礦工作平面圖，該至少一個采礦工作平面圖限定采礦工作地點在礦坐標系中的位置和在采礦工作場點處待執(zhí)行的采礦工作任務。在初始化在采礦工作場點處的采礦工作任務之前，控制單元被配置為將所確定的采礦車輛的位置和采礦工作平面圖的位置連接。
[0011]依賴于掃描和點云匹配的所公開的解決方案的優(yōu)點是，可以執(zhí)行位置確定，而不需要大范圍的勘測和測量基礎設施和設備。另外的優(yōu)點是，過程不需要熟練的工人并且能夠容易自動化?？尚械倪M一步的優(yōu)點是，因為重復掃描和分析處理是容易且快速的，所以所公開的解決方案可獲得針對所生成結果的牢固的統(tǒng)計學確定性。
[0012]根據實施例，采礦車輛的位置通過利用掃描以及點云處理和匹配技術來確定。為了便于處理點云，控制系統(tǒng)可以在比較處理中僅利用礦的點云數據的某一部分。接著，系統(tǒng)可被配置為確定采礦車輛當前正在運行時所處的礦的區(qū)域或區(qū)段，并且基于位置數據，系統(tǒng)可以將所生成的點云數據與礦的部分點云數據作比較。因此，不與礦平面圖的整個3D模型進行比較。相反地，掃描的點云數據僅與采礦車輛在監(jiān)視時正在運行時所處的礦的區(qū)段作比較，并且比較是對礦的整個3D模型的一個有限部分作出的。這個解決方案的優(yōu)點是，在比較過程中所處理的數據的量可以是有限的，由此需要較小計算能力并且處理時間可更短。
[0013]根據實施例，設有點云匹配和處理特征的控制單元被車載地定位于采礦車輛上。
[0014]根據實施例，設有點云匹配和處理特征的控制單元位于采礦車輛的外部。
[0015]根據實施例，所公開的定位和導航系統(tǒng)可以實施用于在礦中運行的并且根據采礦工作平面圖執(zhí)行采礦工作任務的任何種類的采礦車輛。采礦車輛可以人工控制或者其可以是可自主運行的裝置。人工控制的采礦車輛可以通過操作員遠程控制，或者替代地，采礦車輛是載人的。因此，所公開的解決方案適合于任何采礦車輛，而不管其控制系統(tǒng)和自動化的程度如何。此外，采礦車輛在結構上以及運行上可以不同。由此，采礦車輛可以例如是巖石鉆機、打錨機、運輸車輛、裝載車輛或測量車輛。任何種類的采礦車輛可設有能夠確定采礦車輛的位置和方向以及隧道和巖石空間的期望表面的掃描模塊。當監(jiān)視和探測采礦車輛的周圍時，掃描模塊還可用作勘測工具。監(jiān)視模塊可包括一個或多個控制單元，該一個或多個控制單元用來控制模塊的掃描裝置和系統(tǒng)的運行并且用來處理所生成和所收集的測量結果。此外，監(jiān)視模塊可包括一個或多個數據通信單元，該一個或多個數據通信單元用來生成在車載模塊與采礦控制系統(tǒng)的采礦控制單元之間的數據通信連接。數據通信單元還可與采礦車輛的車載控制單元通信并且可將數據傳輸到一個或多個外部終端裝置或服務器。掃描模塊可包括快速聯接裝置，使得掃描模塊可容易地安裝到任何采礦車輛。
[0016]根據實施例，采礦車輛是巖石鉆機，其設計成用來鉆炮眼和/或用于巖石錨桿(rock bolt)和其它加固元件的鉆孔。巖石鉆機包括至少一個鉆臂，該鉆臂設有鉆孔單元。巖石鉆機設有車載控制單元并且/或者與一個或多個外部控制單元通信?？刂茊卧O有至少一個用作采礦工作平面圖的鉆孔圖案。鉆孔平面圖或圖案為在礦中的預定鉆孔位置處的待鉆的一輪鉆孔限定幾個鉆孔在礦坐標系中的位置和方向。進一步地，控制單元被配置為將所確定的巖石鉆機的位置與鉆孔圖案的位置連接，用來初始化在鉆孔位置處的鉆孔。因此，掃描技術用來將巖石鉆孔的位置和方向與鉆孔圖案或平面圖連接。
[0017]根據實施例，采礦車輛布置為在所挖出的巖石空間中運行，該巖石空間包括隧道線和在隧道線的深度方向上的實現的隧道面。巖石空間可以是隧道并且隧道面可位于隧道的末端。當之前的一輪鉆孔被爆破并且分離的巖石物料被從隧道的末端移開時，實現的隧道面形成。隧道面的位置和形狀可僅因隧道面通過爆破形成并且受到幾個采礦工作步驟影響的事實而偏離所計劃的位置和形狀。為了提高挖掘過程的效率和質量，隧道面的位置被確定。因此，采礦車輛設有用來探測隧道面并且用來確定在深度方向上的隧道面相對于隧道線的位置的裝置?？刂茊卧苫谒_定的隧道面的深度位置來限定采礦工作平面圖的位置。
[0018]根據實施例，采礦車輛可在所挖出的巖石空間中運行，該巖石空間包括隧道線和在隧道線的深度方向上的實現的隧道面。巖石空間可以是隧道或對應空間。隧道的挖掘沿深度方向前進。隧道面可以位于現有隧道的末端。采礦車輛包括測量裝置，該測量裝置用來確定在隧道線的深度方向上的隧道面的最大深度?？刂茊卧慌渲脼榇_定所探測到的最大深度并且基于最大深度來限定隧道面的位置。隧道面的最大深度可以借助于掃描裝置或者替代地借助于設有傳統(tǒng)傳感器和測量裝置的鉆臂(boom)來確定。
[0019]根據實施例，采礦車輛是巖石鉆機并且控制單元設有幾個預先設計的鉆孔圖案。鉆孔圖案或平面圖中的每個可以旨在用于在所挖出的巖石空間的隧道線上的專用深度。有時，同一鉆孔圖案可以實施用于兩輪或更多輪具有相同特性特征的鉆孔。巖石鉆機包括用來確定隧道面的最大深度的掃描裝置或其它測量裝置，并且基于該數據，控制單元可以確定相對于隧道面的計劃位置的隧道面的實現位置。接著，控制單元可為待執(zhí)行的鉆孔圖案計算期望位置。換言之，控制單元被配置為基于所確定的最大深度來調整鉆孔圖案的位置。在這個實施例中，所挖出的隧道面的最大深度相對于所計劃的隧道線深度進行探測，并且當將巖石鉆機的位置與礦連接時，使用所探測到的隧道面的深度位置。
[0020]根據實施例，采礦車輛是根據上面的段落中所公開的巖石鉆機?？刂茊卧O有幾個預先設計的鉆孔圖案。進一步地，控制單元被配置為確定所挖出的隧道或巖石空間的隧道面的實現位置并且可基于該隧道面的位置數據來修改鉆孔圖案?？刂茊卧梢岳缪娱L或縮短鉆孔圖案。該實施例尤其是當同一鉆孔圖案用于兩輪或更多輪接連的鉆孔時可以被利用。
[0021]根據實施例，巖石鉆機的控制單元設有幾個預先設計的鉆孔圖案，其旨在用于隧道線上的專用深度。控制單元基于掃描和/或測量結果來確定隧道的實現的隧道面的位置。隧道面的位置可以通過探測隧道在隧道線的方向上的最大深度來確定。控制單元被配置為基于隧道面的位置來選擇待執(zhí)行的鉆孔圖案。
[0022]根據實施例，采礦車輛是巖石鉆機并且布置用以為隧道或對應巖石空間的每輪鉆孔鉆出幾個鉆孔。隧道的挖掘通過鉆孔和爆破接連的多輪鉆孔前進。一輪鉆孔的爆破生成新的隧道面以及限制空間的輪廓表面。巖石鉆機包括用來確定之前一輪鉆孔的實現的挖掘的掃描裝置或其它測量裝置?？刂茊卧梢曰谒_定的之前一輪鉆孔的實現的挖掘來修改接下來一輪鉆孔的鉆孔圖案。由此，能夠避免在接下來一輪鉆孔中的諸如過挖掘和欠挖掘的質量問題。
[0023]根據實施例，采礦車輛設有掃描器裝置，其被配置為與控制單元一起確定隧道面的實現位置。隧道面的位置可以相對于礦、相對于諸如鉆孔圖案的采礦工作平面圖、或者相對于采礦車輛的載體來確定。坐標變換可以在控制單元中執(zhí)行，以生成期望數據。
[0024]根據實施例，采礦車輛的掃描裝置布置用以向實現的隧道面掃描，由此設有坐標的點云數據由之前面挖出的至少一輪鉆孔的實現面生成?？刂茊卧慌渲脼榛谒傻狞c云數據來確定實現面的性質。控制單元可將所確定的實現面的實現性質與所述至少一輪鉆孔的預定設計性質比較?？刂茊卧苫谒傻狞c云數據來確定在礦坐標系中的隧道面的位置、隧道面的隧道輪廓和/或隧道面的地形。替代地，或此外，控制單元可基于所生成的點云數據來確定隧道面相對于隧道線的方向。此外，控制單元可被配置為將所確定的隧道面的實現性質與隧道面的預定設計性質比較，并且其還可被配置為響應于在比較中所探測到的偏差而修改鉆孔圖案?？刂茊卧尚薷睦缭阢@孔圖案中確定的一輪鉆孔的孔視角(look out angle)、孔間隔或孔長度。任何其它校正動作可以基于所探測到的質量和狀態(tài)數據而執(zhí)行。
[0025]根據實施例，采礦車輛包括至少一個鉆臂，該鉆臂設有采礦工作裝置，該采礦工作裝置位于鉆臂的遠端部。鉆臂被儀器化，并且隧道面相對于載體的位置通過將采礦工作裝置布置成與隧道面接觸并且借助于包括傳感器或測量裝置的儀器化的鉆臂而確定隧道面的位置來確定。在機器坐標系中的所探測到的采礦工作裝置的位置坐標可以借助于在控制單元中執(zhí)行的坐標變換程序而轉換為礦坐標系的礦坐標。
[0026]根據實施例，采礦工作裝置的位置和方向通過掃描采礦車輛的周圍來確定，由此建立采礦工作裝置的點云數據?？刂茊卧O有采礦工作裝置的參考點云數據。參考數據可以是采礦工作裝置的設計數據，或者其可通過采礦工作裝置的初始掃描生成。點云處理程序在控制單元中執(zhí)行，用來將掃描的點云數據與參考點云數據比較，以在掃描的點云數據中搜索并探測采礦工作裝置。在采礦工作裝置已經從點云數據中找到之后，采礦工作裝置的位置和方向可基于點云中的匹配點的坐標而確定。
[0027]根據實施例，控制單元被配置為確定并記錄受到在礦坐標系中的采礦車輛的采礦工作裝置影響的鉆孔的位置和方向。采礦車輛可以是巖石鉆機或巖石加固鉆機，這兩者都包括影響鉆孔的裝置?？刂茊卧纱_定鉆孔單元的饋送梁(feed beam)的位置和方向，并且當鉆孔單元處于鉆孔處時，可將所確定的數據記錄為鉆孔的位置和方向數據。這個解決方案的優(yōu)點是，鉆孔和巖石錨桿的位置和方向可被記錄和存儲起來，而不需要任何額外裝置和測量。
[0028]根據實施例，采礦工作裝置被配置為也用作勘測工具，由此采礦工作裝置可以被定位頂靠在對象上，并且采礦工作裝置的位置數據借助于掃描和點云匹配或者借助于設有傳感器的儀器化的鉆臂來確定。
[0029]根據實施例，采礦車輛設有用于生成關于周圍表面的點云數據的掃描裝置?？刂茊卧O有礦平面圖，該礦平面圖包括礦的3D模型。礦的3D模型包括在礦坐標系中的點云數據?？刂茊卧慌渲脼閷⒔柚趻呙柩b置生成的點云數據與礦的3D模型比較。控制單元可包括用于在掃描數據中探測在掃描的位置處的新的或變化的周圍點云對象的合適程序、算法、處理器和數據處理裝置。由此，礦的新建立的或變化的壁或其它表面被探測到并且被記錄。采礦控制單元可以將新的點云數據合并到礦的已實現的3D模型的點云數據。由此，采礦控制單元可基于所接收到的掃描數據而更新礦的3D模型。礦中的變化由于該實施例而被注意到并且可被考慮到。當礦的已實現的3D模型是最新的時，關于礦的可靠信息可用于幾個目的。
[0030]根據實施例，采礦車輛設有用于生成關于周圍表面的點云數據的掃描裝置?？刂茊卧慌渲脼橥ㄟ^提取周圍表面的點云數據并且去除所有其它對象的點云數據來處理所接收到的掃描數據，由此建立了周圍表面的簡化的點云數據。由于簡化的點云數據，便于存儲和處理數據。簡化的點云數據的數據包的大小可以更小并且數據不包括不必要的信息。此外，當勘測隧道的新的或變化的區(qū)域時，可以利用簡化的點云數據的原理。接著，控制單元可以將新的簡化的點云數據與礦的3D模型的點云數據比較?；邳c云的比較，采礦控制單元可以通過將簡化的點云數據合并到礦的已實現的3D模型來更新礦的3D模型。由于簡化的點云數據，沒有不相關的點云數據被合并到礦的3D模型。
[0031]根據實施例，設有掃描裝置的采礦車輛用作移動勘測裝置。當執(zhí)行采礦車輛的專用正常操作時，采礦車輛可連續(xù)執(zhí)行勘測。如果采礦車輛是巖石鉆機或加固鉆機，則當其停止在工作地點處以執(zhí)行鉆孔或饋送加固元件或物料時，其可以掃描周圍。還可以限定的是，每次當采礦車輛不移動時，掃描至少被執(zhí)行一次。由于這個過程，礦可被重復地并且與正常操作處理并行地勘測，而不需要任何額外資源。因此，礦的3D模型可以是準確的和更新的。
[0032]根據實施例，控制單元設有至少一個合并規(guī)則，該至少一個合并規(guī)則定義在第二掃描數據與參考點云數據之間的所要求的匹配率?？刂茊卧慌渲脼閮H當滿足所設定的合并規(guī)則時，將新的點云數據合并到礦的參考模型的參考點云數據。
[0033]根據實施例，采礦車輛設有掃描模塊，該掃描模塊包括框架、一個或多個掃描裝置以及一個或多個數據傳輸裝置或單元。掃描模塊可借助于數據傳輸裝置與一個或多個控制單元通信。掃描模塊還可包括一個或多個控制單元，該一個或多個控制單元設有處理器和對于處理所生成的監(jiān)視數據所需的計算機程序和算法。監(jiān)視模塊可以設計成使得其可安裝到任何采礦車輛。掃描模塊的緊固單元可包括快速聯接裝置。
[0034]根據實施例，掃描裝置是激光掃描儀。
[0035]根據實施例，掃描裝置包括至少一個攝像機。掃描裝置可基于包括至少兩個攝像機的立體視覺系統(tǒng)。替代地，掃描可基于公知為對焦深度(depth from focus)系統(tǒng)的技術，其中，使用一個攝像機，并且方法基本上通過取得對象的焦點堆棧(focus stack)并且接著分析每個像素相對于其相鄰像素的亮度來工作。控制單元可設有圖像處理系統(tǒng)，該圖像處理系統(tǒng)用來處理從所述一個或多個攝像機接收的數據。
[0036]根據實施例，除了掃描單元外，掃描裝置還包括至少一個攝像機，該至少一個攝像機用來記錄所掃描的障礙物的顏色信息。所記錄的顏色信息可連接到所掃描的點云數據。這樣，額外信息可被收集。
[0037]根據實施例，3D掃描數據通過掃過被測量的表面或對象的激光的飛行的往返時間來獲得。這種類型的遠程感測技術也公知為LiDAR(光探測和測距)。
[0038]根據實施例，3D掃描數據通過單一(調制)光源的飛行的往返時間和從被測量的表面或對象的不同部分的反射的返回時間來獲得。這種類型的遠程感測技術也公知為ToF(飛行時間)。在該實施例中，可以使用ToF攝像機。
[0039]根據實施例，3D掃描數據通過在一個或多個攝像機圖像中所示的投射到被測量的表面或對象的光的已知圖案的幾何尺寸來獲得。這種類型的3D掃描也公知為結構光3D掃描技術。
[0040]根據實施例，3D掃描數據通過從不同視點分析取自同一目標的多個圖像來獲得。在該實施例中，可利用立體攝像機系統(tǒng)?？刂茊卧稍O有圖像處理系統(tǒng)，該圖像處理系統(tǒng)用來處理從兩個或更多個攝像機接收的圖像數據。
[0041]根據實施例，采礦車輛包括至少一個數據通信裝置，該至少一個數據通信裝置允許在車載控制單元與一個或多個外部控制單元之間的數據通信。數據通信可基于任何無線數據傳輸技術。礦可設有利用無線電波信號的無線網絡。數據傳輸可基于例如無線局域網絡(WLAN)0
[0042]根據實施例，控制系統(tǒng)包括一個或多個在礦和采礦車輛外部的計算機或控制單元。替代地，控制系統(tǒng)可包括一個或多個服務器，該一個或多個服務器允許訪問用來檢索從掃描數據在被分析時所在的控制單元傳輸的數據的電子終端裝置?？刂茊卧€可被認為是意指允許訪問所處理的數據的其它數據通信和分配裝置。
[0043]根據實施例，設有至少一個處理器和至少一個點云匹配程序的控制單元位于采礦車輛中。因此，采礦車輛設有用以從周圍收集數據并在車上處理該數據的全部所需資源。該實施例也可在礦系統(tǒng)的數據連接丟失或未正確運行的情況下運行。最新版本的礦的參考模型可在適當情況下下載到車載控制單元并且可存儲在車載存儲介質中。所下載的礦模型可由原始礦模型組成，或者其可被過濾成僅包含描述的圖案和特征。僅下載采礦車輛目前運行時所處的礦的區(qū)段的有限點云數據集也是可能的。
[0044]根據實施例，設有至少一個處理器和至少一個點云匹配程序的控制單元位于采礦車輛的外部。掃描數據可以經由例如無線數據傳輸連接而傳輸到外部控制單元。控制單元可以處理所接收的掃描數據并且可將處理后的數據發(fā)送回位于采礦車輛中的控制單元。分析和處理服務可以實現為在諸如采礦服務器的外部服務器中的云服務，由此采礦車輛的控制單元不需要設有計算能力。
[0045]根據實施例，用于確定采礦車輛的位置和方向的控制單元包括:連接裝置，該連接裝置用于與包括至少一個掃描裝置的采礦車輛操作通信;接收裝置，該接收裝置用于從采礦車輛接收采礦車輛的當前位置的運行掃描數據，掃描數據包括由所述至少一個掃描裝置生成的第二運行點云數據；以及處理裝置，該處理裝置用來處理所接收到的運行掃描數據；并且控制單元設有允許在處理器中執(zhí)行的至少一個點云匹配程序以及包括所存儲的在礦坐標系中的礦的參考模型的第一初始點云數據，控制單元被配置為執(zhí)行點云匹配程序，以將所接收的第二運行點云數據與第一參考點云數據匹配，并且基于所確定的在運行點云數據與參考云數據之間的匹配而確定在礦坐標系中的采礦車輛的位置和方向，控制單元設有至少一個采礦工作平面圖，該至少一個采礦工作平面圖限定在礦坐標系中的采礦工作地點的位置以及在采礦工作地點處的待執(zhí)行的采礦工作任務，并且控制單元被配置為將所確定的采礦車輛的位置和采礦工作平面圖的位置連接，用來初始化在采礦工作地點處的采礦工作任務。
[0046]所公開的與采礦車輛相關的詳細實施例也涉及方法，反之亦然。
[0047]包括掃描裝置、點云匹配程序和控制單元的相同設備可用于采礦工作裝置的導航、位置探測以及鉆孔、礦勘測、防止碰撞，而且還可用于為采礦控制和車隊管理系統(tǒng)提供
?目息O
[0048]能夠組合上面所公開的實施例，以形成設有所公開的必要特征的適當解決方案。
【附圖說明】
[0049]在附圖中更詳細描述某些實施例，其中:
[0050]圖1是設有掃描和監(jiān)視裝置的巖石鉆機的側視圖，
[0051]圖2示意地示出了掃描包圍采礦車輛的表面和物理障礙物的原理，
[0052]圖3是布置在采礦車輛的載體上的掃描模塊的示意側視圖，
[0053]圖4是當處理掃描結果時所使用的點云匹配的基本原理的示意圖，
[0054]圖5是探測礦的新的或變化表面的并在掃描數據與參考數據匹配之后合并所探測到的偏離點云數據的處理的示意且強烈簡化的視圖，
[0055]圖6是合并所探測到的新掃描的點的更新后的參考點云數據的示意且強烈簡化的視圖，
[0056]圖7是示出能夠處理點云數據的控制單元的相關元件、處理裝置和特征的示意圖，
[0057]圖8是隧道面鉆孔方法的示意俯視圖，其中，巖石鉆機定位于鉆孔地點，用來根據鉆孔圖案將鉆孔鉆到隧道的末端隧道面，
[0058]圖9是扇形鉆孔方法的示意俯視圖，其中，巖石鉆機定位于鉆孔地點，用來根據鉆孔圖案將鉆孔鉆到先導隧道的內輪廓表面，
[0059]圖10是扇形鉆孔方法的示意側視圖，
[0060]圖11是鉆孔圖案的不意圖，
[0061]圖12是示出巖石鉆機的定位以及待鉆孔的鉆孔圖案的示意俯視圖，并且
[0062]圖13是包括幾個隧道的礦以及在隧道中運行的并與采礦控制系統(tǒng)通信的不同類型的采礦車輛的示意圖。
[0063]為了清楚起見，附圖以簡化的方式示出了所公開的解決方案的某些實施例。在附圖中，相同的附圖標記標識相同的元件。
【具體實施方式】
[0064]圖1示出了作為采礦車輛的示例的巖石鉆機I。巖石打錨機(boltingrig)、裝藥鉆機(charging rig)、測量車輛、運輸車輛和裝載車輛也是采礦車輛。因此，如圖12所示，采礦車輛可以設有諸如巖石鉆孔單元、打錨單元、裝藥單元、裝載單元和負荷運載單元的采礦工作裝置。所公開的解決方案可應用于所有類型的采礦車輛。
[0065]巖石鉆機I可包括可移動載體2和連接到載體2的一個或多個鉆臂3。鉆孔單元4可處于鉆臂3的遠端部分。鉆孔單元4可包括饋送梁5和支承在其上的巖石鉆孔機6。巖石鉆孔機6可包括在巖石鉆孔機6的前端處的柄部，其用來連接鉆具7。除了鉆孔單元外，至少一個鉆臂3還可包括采礦工作裝置。因此，采礦工作裝置可以例如是巖石打錨單元或裝藥單元。
[0066]在圖1中，巖石鉆機I在地下礦井空間8中運行，礦井空間8可以例如是隧道、存儲過道(hall)或通道(corridor)。礦井空間8可包括端面表面9、壁表面10和頂表面11。巖石鉆機I設有一個或多個掃描裝置S，該掃描裝置S用來測量巖石鉆機I的周圍。掃描裝置S可以掃描360°并且因此可以測量周圍表面以及在巖石鉆機I周圍的其它障礙物并且生成系統(tǒng)的掃描數據。掃描裝置S可包括激光掃描儀、攝像機或能夠生成點云數據的任何其它裝置。掃描裝置S可以放置在載體2上。
[0067]掃描裝置S可以放置在采礦車輛上的已知位置上。那么，掃描裝置的坐標在采礦車輛的機器坐標系12中是已知的。掃描裝置觀看四周并且也因此可以探測到采礦車輛的一個或多個對象、零件或部件。
[0068]替代地，當所公開的系統(tǒng)利用點云匹配技術時，不需精確地預先確定并校準掃描裝置S的位置。那么，巖石鉆機的至少一個參考部件或對象在掃描數據中被探測到并且所探測到的對象的所生成的點云數據用于確定掃描裝置S在載體2上的相對位置。
[0069]巖石鉆機I具有機器坐標系12，而礦井具有礦井坐標系13。一個或多個控制單元14a可以車載在巖石鉆機I上，用來接收掃描數據、執(zhí)行點云匹配和搜索測量、生成位置數據并根據本專利申請中所公開的原理來執(zhí)行所需的坐標變換?？刂茊卧€可以設有一個或多個采礦工作平面圖，在該情況中是鉆孔圖案，根據該采礦工作平面圖，在工作地點執(zhí)行采礦工作操作。
[0070]掃描裝置S可以是掃描模塊SM的組成部分，掃描模塊SM包括:框架30，該框架30設有安裝裝置；以及控制單元CU，該控制單元CU設有處理器和執(zhí)行上述位置確定過程所需的程序。
[0071]鉆臂3可以沒有任何傳感器，因為所需位置和方向數據可通過掃描來生成。然而，鉆臂3和采礦工作裝置可以可替代地包括用于位置和方向確定的傳統(tǒng)傳感器或測量裝置31ο
[0072]在礦井坐標系中的采礦車輛I的位置和方向可以通過利用掃描和點云匹配技術來確定。掃描裝置也可用來確定端面9的位置、礦井空間8的輪廓、以及端面和空間8的內表面的地形。
[0073]圖1進一步公開了，采礦車輛I可與一個或多個外部采礦控制單元MCU通信，該外部采礦控制單元MCU可以是采礦控制系統(tǒng)的組成部分。
[0074]圖2不出了圍繞米礦車輛I的礦井空間8的表面的掃描。因此，點云數據15可由壁表面10a、10b和頂表面11生成。同樣地，空間8的最大深度，即端面可被掃描到。如在簡化的圖2放大地公開的，壁表面10a、1b和頂表面11的表面因巖石物料通過爆破分離而具有各種單獨的形狀。表面的地形可以被認為是一種礦井的指印?？缮傻V井空間8的實現的表面的3D掃描數據。因此，礦井的3D模型可基于掃描的點云數據進行更新。
[0075]圖2還公開了，借助于掃描，所監(jiān)視對象MO也可被探測到并且可生成所監(jiān)視對象的點云。所監(jiān)視對象MO的點云數據包括如下的點，所述點是所監(jiān)視對象的特征?；邳c建立的形狀，所監(jiān)視對象MO可在掃描過程的搜索步驟中被識別。控制單元14a可接著為限定在點云中的所監(jiān)視對象的所識別的點而確定坐標并可確定所監(jiān)視對象在機器坐標系12中的位置和方向。當采礦車輛I的位置已知時，控制單元14a可將所監(jiān)視對象MO的位置和方向數據轉換成礦井坐標系13的坐標。采礦車輛I在礦井中的位置可借助于掃描技術來確定。采礦車輛I和所監(jiān)視對象MO的位置、以及關于所掃描的礦井空間8的實現的表面地形和端面表面的位置的信息可被確定。
[0076]在圖2中，以及在圖4中，其中掃描裝置S的射線遇到物理目標并引起探測的點用黑圓點17示出。點云數據15包括由掃描建立的幾個點17。點17示出為黑圓點。能夠認為，點云數據表示掃描所看到的信息。每個點17具有在機器坐標系12中的坐標x、y和z，由此所監(jiān)視對象MO的位置和方向可在機器坐標系12中相對于掃描裝置S來確定。所監(jiān)視對象MO可基于輸入到控制單元14a或CU的參考數據而從點云數據中找到。
[0077]同樣地，當采礦車輛的位置已知并且利用坐標變換時，在礦井空間8的底部的端面表面以及其它表面的位置、方向和地形可在礦井坐標系13中確定。
[0078]在圖3中，掃描模塊SM布置在采礦車輛I的載體2上。掃描模塊SM包括掃描裝置S、框架18和控制單元CU?？刂茊卧狢U可布置為處理從掃描裝置S和測量裝置接收的測量數據并且可借助于數據通信單元DCU僅將處理過的數據和數據元素發(fā)送到采礦控制單元M⑶或任何其它外部控制單元。此外，掃描裝置S或掃描模塊可包括快速聯接裝置，由此其能夠容易安裝到采礦車輛I。
[0079]圖4公開了借助于掃描和點云匹配來確定采礦車輛I的位置和方位的基本原理。采礦車輛I的周圍被掃描并且生成第二點云數據21。第一初始點云數據22可事先被建立并且其可存儲到車載在采礦車輛I上的控制單元14a或外部控制單元14c?？刂茊卧?4a、14c可設有處理器以及用于將第二點云數據21與第一點云數據22匹配的點云匹配程序或算法。因此，第一點云數據22用作參考點云數據，而第二點云數據21用作運行點云數據。在圖4中，匹配23以強烈簡化的方式示出?；谄ヅ?3，控制單元14a或14b可確定采礦車輛I在礦井坐標系13中的位置和朝向。點云數據的每個點17具有X坐標、y坐標和z坐標。在圖4的簡化示例中，第二點云數據21與參考點云數據22完全擬合。
[0080]上述點云匹配分析的原理和點云的最佳擬合過程還可用于搜索和探測諸如采礦車輛的鉆臂或采礦工作裝置的所監(jiān)視對象的位置和方向。在圖案匹配過程中，系統(tǒng)搜索所監(jiān)視對象并為其計算位置和方向數據。
[0081]圖5公開了探測新的或變化的礦井表面。設有掃描裝置的采礦車輛可用作移動勘測裝置。因此，采礦車輛當其停止在工作地點以執(zhí)行鉆孔或任何其它限定的采礦操作時可掃描周圍?？刂茊卧慌渲脼閳?zhí)行點云匹配分析并且將第二運行掃描數據21與存儲在控制單元中的或在其中檢索到的參考掃描數據22進行比較。在圖案匹配過程中，系統(tǒng)探測第二運行掃描數據21是否包括不存在于參考點云數據22中的一個或多個新的周圍點17a。這些新點17a在圖5中示出為具有白色填充的圓點?？刂茊卧稍O有一個或多個合并規(guī)則，該規(guī)則定義在第二掃描點云數據21與參考點云數據22之間的所需的匹配率。合并規(guī)則可定義例如50%匹配的需求。如果滿足所設定的合并規(guī)則，則新點17a合并到參考點云數據22。因此，采礦車輛允許新建立的壁或變化的表面被探測到到并被記錄。圖6公開了合并所探測到的新掃描點的更新后的新參考點云數據2 2a。
[0082]圖7示出了可行控制單元以及可在控制單元的處理器中執(zhí)行用來處理所生成的點云數據的所需的程序。控制單元生成位置數據，該位置數據可用于采礦車輛的運行控制并用來確定采礦車輛的位置和采礦工作平面圖。
[0083]所公開的控制單元可以車載在采礦車輛上，由此其可以預處理掃描數據并且可借助于數據傳輸裝置而僅將結果傳輸到采礦控制單元。
[0084]圖8示出了隧道面鉆孔方法，其中，巖石鉆機定位于鉆孔地點，用來根據鉆孔圖案而將鉆孔鉆到隧道的端面。替代地，一輪鉆孔(round)R的鉆孔可以根據任何其它類型的挖掘平面圖來控制。隧道的深度隨著挖掘前進而增大。因此，隧道的深度逐輪地增加。深度的方向DD借助于箭頭示出。
[0085]隧道面鉆機I運行時所處的所挖出的巖石空間8包括隧道線TL以及在隧道線TL的深度方向DD上的實現的隧道面9。隧道面9位于隧道8的末端。當之前一輪鉆孔R被爆破時，隧道面9形成。隧道面的位置和形狀可能偏離用虛線9a表示的所計劃的位置和形狀。隧道面鉆機I設有用來確定鉆機在礦井中的位置的掃描裝置SD或模塊。掃描技術還可用來確定在深度方向DD上的隧道面9相對于隧道線TL的位置。系統(tǒng)可確定在隧道線TL的深度方向DD上的隧道面9的最大深度并且可基于最大深度來精確地限定隧道面的位置。此外，所生成的掃描數據還可用來確定隧道面9的隧道輪廓、隧道面9相對于隧道線TL的方向以及隧道面9的地形。
[0086]圖9和10示出了扇形鉆孔方法的原理，其中，巖石鉆機I定位于鉆孔地點，用來根據鉆孔圖案將鉆孔鉆到先導隧道Sb的內輪廓表面IS。在扇形鉆孔中，可使用限定鉆孔的位置和方向的扇形鉆孔圖案。扇形鉆機I設有用來確定鉆機在礦井中的位置的掃描裝置SD或模塊。掃描技術還可用來確定在深度方向DD上的隧道面9相對于隧道線TL的位置。所挖出的隧道8的表面S和隧道輪廓也可被掃描并探測到。
[0087]在隧道面鉆孔和扇形鉆孔中，也能夠將預先設計的隧道線TL而不是鉆孔圖案用作采礦工作平面圖。進一步地，沿隧道線的隧道的內部輪廓也可以被預先確定并輸入到控制單元。采礦工作平面圖也可為期望隧道部分限定最小輪廓和最大輪廓。
[0088]圖11示出了隧道面鉆孔的鉆孔圖案32的XZ投影。鉆孔圖案32限定布置在多個嵌套(nested)行34a-34c上的多個鉆孔33。此外，鉆孔圖案32可包括放置在最里面的鉆孔行34c與切口36之間的區(qū)段中的現場孔(field hole)35a至35c。在鉆孔圖案34中，鉆孔33可被表示為圓。此外，各個鉆孔33的方向可用鉆孔圖案32中的方向線37表示。在鉆孔33之間的距離被稱為孔間隔38。鉆孔圖案32的性質和參數可通過在控制單元的處理器中執(zhí)行鉆孔圖案設計程序或對應的采礦工作平面圖處理程序來修改。當修改接下來一個鉆孔圖案時，之前輪的鉆孔的監(jiān)視和感測結果可被考慮進來。
[0089]圖12示出了與待鉆的一輪鉆孔R相關聯的鉆孔圖案32的原理。待挖掘隧道8的隧道面9可設有導航平面N，鉆孔圖案32的坐標系可附連到導航平面N。導航平面N可位于隧道面9的前面。鉆孔圖案32可包括巖石鉆機I在坐標系中的所確定的位置和方向，在這種情況下，巖石鉆機I在鉆孔開始之前根據坐標系導航。一輪鉆孔R的底部可進一步包括在與圖案的長度對應的離開導航平面N的距離處的爆破平面39。
[0090]圖13示出了包括幾個隧道8a_8d的礦井以及在隧道中運行的不同采礦車輛la-ld。在最低的隧道8a處，有用來將炮眼(blast hole)鉆到隧道的端面的隧道面鉆機la。扇形鉆機Ib將扇形狀鉆孔圖案鉆到第二隧道Sb中。在第三隧道Sc中，裝載車輛Ic運載分離下來的巖石物料，并且進一步地，裝藥車輛Id在第四隧道Sd中運行。所有這些在礦井中運行的采礦車輛可設有上面所公開的采礦工作平面圖和掃描模塊，由此它們可在該專利申請中公開的載人情況下被定位和運行。采礦車輛還可為采礦控制單元MCU提供勘測和監(jiān)視數據。采礦控制單元M⑶可位于控制室中并可連接到一個或多個終端裝置或顯示單元DU，其用來給操作員提供關于當前狀態(tài)的信息并且用來顯示情況報告。
[0091]當扇形鉆機Ib用于挖隧道時，其可在先導隧道中運行并可將炮眼鉆到先導隧道的隧道壁和隧道頂上。在使鉆孔爆破之后，先導隧道被擴大。兩個接連的鉆孔扇形限定一輪鉆孔R的長度。在隧道面鉆孔中，隧道面鉆機Ia將鉆孔鉆到端表面、即隧道8a的隧道面。在開發(fā)挖掘之后，所形成的礦井空間可以借助于采礦車輛的監(jiān)視模塊來勘測。監(jiān)視模塊可包括用來掃描隧道8a_8d的隧道面及其它表面的掃描裝置。
[0092]附圖及相關描述僅旨在說明本發(fā)明的思想。在其細節(jié)上，本發(fā)明可在權利要求書的范圍內變化。
【主權項】
1.一種米礦車輛，包括: 可移動載體； 至少一個采礦工作裝置，所述至少一個采礦工作裝置用來在礦中執(zhí)行采礦工作任務；至少一個掃描裝置，所述至少一個掃描裝置用來掃描所述采礦車輛的周圍并生成周圍的3D掃描數據； 所述采礦車輛與至少一個控制單元操作通信，所述控制單元被配置為接收數據并且在至少一個處理器中處理所述數據； 所述控制單元設有允許在所述處理器中執(zhí)行的至少一個點云匹配程序； 初始第一點云數據被輸入到所述控制單元，所述第一點云數據包括所存儲的所述礦在礦坐標系中的參考模型； 由所述采礦車輛的所述掃描裝置生成的至少一個第二點云數據被輸入到所述控制單元，所述第二點云數據包括所述采礦車輛的當前位置的運行掃描數據； 所述控制單元被配置為執(zhí)行所述點云匹配程序，以將所述第二運行點云數據與所述第一參考點云數據匹配； 所述控制單元被配置為基于所確定的在所述運行點云數據與所述參考云數據之間的匹配來確定在所述礦坐標系中的所述采礦車輛的位置和方向； 所述控制單元設有至少一個采礦工作平面圖，所述至少一個采礦工作平面圖限定在所述礦坐標系中的采礦工作地點的位置以及在所述采礦工作地點上待執(zhí)行的采礦工作任務；并且 所述控制單元被配置為將所確定的所述采礦車輛的位置和所述采礦工作平面圖的位置連接，用來初始化在所述采礦工作地點上的所述采礦工作任務。2.如權利要求1所述的采礦車輛，其中， 所述控制單元被配置為確定所述采礦車輛在運行時所在的礦的區(qū)域或區(qū)段，并且基于位置數據，所述控制單元被配置為將所述掃描的第二點云數據與所述礦的部分的點云數據進行比較，由此專用且有限的點云數據用作所述比較中的參考數據。3.如權利要求1或2所述的采礦車輛，其中， 所述采礦車輛是巖石鉆機，所述巖石鉆機包括至少一個設有鉆孔單元的鉆臂； 所述控制單元設有至少一個鉆孔圖案，所述至少一個鉆孔圖案用作所述采礦工作平面圖并為在所述礦中的預定鉆孔位置處的待鉆的一輪鉆孔限定在所述礦坐標系中的幾個鉆孔的位置和方向；并且 所述控制單元被配置為將所確定的所述巖石鉆機的位置與所述鉆孔圖案的位置連接，用來初始化在所述鉆孔位置處的鉆孔。4.如前述權利要求1至3中的任一項所述的采礦車輛，其中， 所述采礦車輛能夠在所挖出的巖石空間中運行，所述巖石空間包括隧道線和在所述隧道線的深度方向上的實現的隧道面； 所述采礦車輛設有用來探測所述隧道面并且用來確定在深度方向上的所述隧道面相對于所述隧道線的位置的裝置;并且 所述控制單元被配置為基于所確定的所述實現的隧道面的深度位置來限定所述采礦工作平面圖的位置。5.如權利要求4所述的采礦車輛，其中， 所述采礦車輛包括測量裝置，所述測量裝置用來確定在所述隧道線的深度方向上的所述隧道面的最大深度;并且 所述控制單元被配置為確定所探測到的所述最大深度，以限定所述隧道面的位置。6.如前述權利要求1至5中的任一項所述的采礦車輛，其中， 所述掃描裝置被布置用以向所述實現的隧道面掃描，由此設有坐標的點云數據由之前挖出的至少一輪鉆孔的實現的隧道面生成;并且 所述控制單元被配置為基于所生成的點云數據而確定所述實現的隧道面的性質。7.如權利要求5或6所述的采礦車輛，其中， 所述采礦車輛包括至少一個鉆臂并且所述采礦工作裝置位于所述鉆臂的遠端部分;并且 所述鉆臂被儀器化，并且所述隧道面相對于所述載體的位置通過將所述采礦工作裝置布置成與所述隧道面接觸并借助于包括測量裝置的儀器化的所述鉆臂確定所述隧道面的位置來確定。8.如前述權利要求1-6中的任一項所述的采礦車輛，其中， 所述采礦工作裝置的位置和方向通過掃描所述采礦車輛的周圍來確定，由此建立所述采礦工作裝置的點云數據； 所述至少一個控制單元設有所述采礦工作裝置的參考點云數據;并且至少一個點云處理程序在所述至少一個控制單元中執(zhí)行，用來將所述掃描的點云數據與所述參考點云數據進行比較，以在所述掃描的點云數據中搜索并探測所述采礦工作裝置并且確定所述采礦工作裝置的位置和方向。9.如前述權利要求1-8中的任一項所述的采礦車輛，其中， 所述控制單元設置有采礦平面圖，所述采礦平面圖包括所述礦的3D模型； 所述礦的3D模型包括在礦坐標系中的點云數據；所述控制單元被配置為將借助于所述掃描裝置生成的所述點云數據在所探測到的位置方面與所述礦的3D模型進行比較，并且被配置為在所述掃描數據中探測在所述掃描的位置處的新的或變化的周圍點云對象，從而允許新建立的或變化的壁被探測并被記錄;并且所述控制單元被配置為將所述新的點云數據合并到所述礦的3D模型的所述點云數據，由此所述采礦控制單元被配置為基于所述掃描數據來更新所述礦的3D模型。10.如權利要求9所述的采礦車輛，其中 所述控制單元被配置為通過提取周圍表面的點云數據并且去除所有其它對象的點云數據來處理接收到的所述掃描數據，由此建立所述周圍表面的簡化的點云數據；11.一種用來確定設有至少一個掃描裝置的采礦車輛的位置和方向的控制單元，所述控制單元包括: 連接裝置，所述連接裝置用于與包括所述至少一個掃描裝置的所述采礦車輛操作通?目; 接收裝置，所述接收裝置用于從所述采礦車輛接收所述采礦車輛的當前位置的運行掃描數據，所述掃描數據包括由所述至少一個掃描裝置生成的第二運行點云數據； 處理裝置，所述處理裝置用于處理所接收到的所述運行掃描數據;其中， 所述控制單元設有允許在所述處理器中執(zhí)行的至少一個點云匹配程序； 所述控制單元設有初始第一點云數據，所述初始第一點云數據包括所存儲的在礦坐標系中的所述礦的參考模型； 所述控制單元被配置為執(zhí)行所述點云匹配程序，以將所接收的所述第二運行點云數據與所述第一參考點云數據匹配； 所述控制單元被配置為基于所確定的在所述運行點云數據與所述參考云數據之間的匹配來確定在所述礦坐標系中的所述采礦車輛的位置和方向； 所述控制單元設有至少一個采礦工作平面圖，所述至少一個采礦工作平面圖限定在所述礦坐標系中的采礦工作地點的位置以及在所述采礦工作地點上待執(zhí)行的采礦工作任務；并且 所述控制單元被配置為將所確定的所述采礦車輛的位置和所述采礦工作平面圖的位置連接，用來初始化在所述采礦工作地點處的所述采礦工作任務。12.一種初始化在采礦工作地點處的采礦工作任務的方法， 所述方法包括: 定位在礦中的采礦車輛； 借助于所述采礦車輛的至少一個車載掃描裝置來執(zhí)行所述采礦車輛的周圍的至少一個運行掃描； 將所述周圍的所述運行掃描的所生成的至少一個運行點云數據輸入到設有點云匹配程序的至少一個控制單元； 將3D礦模型的點云數據輸入到所述控制單元并且將其用作所述礦的參考點云數據，其中，所述參考數據包括在礦坐標系中的所述參考點云數據的坐標； 在所述控制單元的處理器中執(zhí)行所述點云匹配程序，用來搜索在所述運行點云數據與所述參考點云數據之間的匹配點； 利用匹配處理的結果來確定在所述礦坐標系中的所述采礦車輛的位置和方向； 使所述控制單元也設有至少一個采礦工作平面圖，所述至少一個采礦工作平面圖限定在所述礦坐標系中的采礦工作地點的位置以及在所述采礦工作地點處待執(zhí)行的采礦工作任務;以及 將所確定的所述采礦車輛的位置和所述采礦工作平面圖的位置連接，用來初始化在所述采礦工作地點處的所述采礦工作任務。
【文檔編號】E21B7/02GK105917067SQ201580004593
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年1月14日
【發(fā)明人】尤西·普拉, 托米·馮埃森
【申請人】山特維克礦山工程機械有限公司