一種基于二維激光掃描的掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)窗口快速檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于激光掃描與點云數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于二維激光掃 描的掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)窗口快速檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前的煤炭生產(chǎn)中，掘進(jìn)機(jī)主要用于巷道的挖掘，是現(xiàn)代化礦井生產(chǎn)不可缺少的 設(shè)備，巷道的掘進(jìn)方向和尺寸是整個巷道的重點，井下巷道往往是由井下工作人員手動操 作掘進(jìn)機(jī)來進(jìn)行掘進(jìn)，掘進(jìn)窗口的尺寸大小難以保障，此外在掘進(jìn)過程中會產(chǎn)生大量的粉 塵，這對現(xiàn)場工作人員的健康帶來直接危害。因此，如何能自動且快速地檢測出掘進(jìn)工作面 上掘進(jìn)窗口的大小是一個亟待解決的問題。
[0003] 針對當(dāng)前煤炭生產(chǎn)中井下掘進(jìn)窗口檢測的實際需要，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)窗口的檢測要求 檢測設(shè)備能夠按照礦井設(shè)計的規(guī)定和安全要求，在現(xiàn)場實地實時、自動、快速地檢測出掘進(jìn) 巷道的截面尺寸。檢測得到的窗口數(shù)據(jù)能夠為工作人員操作掘進(jìn)機(jī)挖掘巷道提供及時有效 的參考與校正。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于二維激光掃描的掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)窗口快速 檢測方法，旨在完成掘進(jìn)窗口的自動、快速檢測。
[0005] 為了解決上述問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0006] -種基于二維激光掃描的掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)窗口快速檢測方法，包括以下步驟：
[0007] S1:使用激光掃描裝置對掘進(jìn)機(jī)挖掘的巷道進(jìn)行二維激光掃描，采集巷道與掘進(jìn) 工作面的水平二維掃描和垂直二維掃描的點云數(shù)據(jù)；
[0008] S2:對步驟S1中水平二維掃描和垂直二維掃描得到的點云數(shù)據(jù)分別進(jìn)行去離群點 處理，濾除噪聲點；
[0009] S3:對步驟S2中去離群點之后的水平二維掃描點云數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，得到兩條 直線，同樣地，對步驟S2中去離群點之后的垂直二維掃描得到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，得 到兩條直線；
[0010] S4:求出在步驟S3中從水平二維掃描點云數(shù)據(jù)擬合而來的兩條直線的中心線，求 出在步驟S3中從垂直二維掃描點云數(shù)據(jù)擬合而來的兩條直線的中心線；
[0011] S5:結(jié)合激光掃描裝置所處的位置，分別在步驟S4中得到的兩條中心線上確定一 個基點；
[0012] S6:輸入一個目標(biāo)距離值d，該距離值表示最終檢測得到的掘進(jìn)窗口到步驟S5中確 定的基點的距尚為d;
[0013] S7:在步驟S4得到的水平中心線上，以步驟S5中確定的基點為原點，在距離原點距 離為d的水平中心線上作垂線，該垂線分別與步驟S3中水平二維掃描點云擬合得到的兩條 直線相交于一點，兩點構(gòu)成目標(biāo)距離d上的水平點對；同理，在步驟S4得到的垂直中心線上， 以步驟S5中確定的基點為原點，在距離原點距離為d的垂直中心線上作垂線，該垂線分別與 步驟S3中垂直二維掃描點云擬合得到的兩條直線相交于一點，兩點構(gòu)成目標(biāo)距離d上的垂 直點對；
[0014] S8:求出在步驟S7中得到的目標(biāo)距離d上的水平點對的空間距離，該空間距離值為 目標(biāo)距離d上的掘進(jìn)窗口的寬度，求出在步驟S7中得到的目標(biāo)距離d上的垂直點對的空間距 離，該空間距離值為目標(biāo)距離d上的掘進(jìn)窗口的高度；
[0015] S9:根據(jù)步驟S8中得到的寬度與高度合成目標(biāo)距離d上的掘進(jìn)窗口。
[0016] 本發(fā)明的一個實施例中，所述步驟S1中，使用的激光掃描裝置能夠使激光束分別 在水平方向與垂直方向上自由移動，實現(xiàn)二維激光掃描，快速抓取巷道和掘進(jìn)工作面的特 征輪廓。
[0017] 本發(fā)明的一個實施例中，所述步驟S1中，掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中會產(chǎn)生大量的呈懸 浮狀態(tài)的微小粉塵顆粒，激光掃描裝置掃描掘進(jìn)巷道與工作面得到的點云數(shù)據(jù)中有大量噪 聲點所以需要對步驟S1中獲得的點云數(shù)據(jù)通過鄰域統(tǒng)計法濾除離群點，即點云中孤立的噪 聲點，方便后續(xù)處理。
[0018] 本發(fā)明的一個實施例中，所述步驟S3中，使用RANSAC(隨機(jī)采樣一致性)算法進(jìn)行 直線擬合，RANSAC算法的能魯棒地估計出模型參數(shù)，它能從包含大量局外點和噪聲點的數(shù) 據(jù)集中估計出高精度的模型參數(shù)。具體地，RANSAC算法有如下基本假設(shè)：
[0019] a:數(shù)據(jù)由"局內(nèi)點"和"局外點"組成，"局內(nèi)點"數(shù)據(jù)的分布可以用一些模型參數(shù)來 解釋；
[0020] b: "局外點"是不能適應(yīng)該模型的數(shù)據(jù)；
[0021 ] c:除此之外的數(shù)據(jù)屬于噪聲。
[0022] RANSAC算法的輸入是一組點云數(shù)據(jù)(含有噪聲點或無效點），一個用于解釋觀測數(shù) 據(jù)的參數(shù)化模型以及一些可信的參數(shù)。RANSAC通過反復(fù)選擇數(shù)據(jù)中的一組隨機(jī)子集來達(dá)成 目標(biāo)。被選取的子集被假設(shè)為局內(nèi)點，并用下述步驟進(jìn)行驗證：
[0023] S31:有一個模型適應(yīng)于假設(shè)的局內(nèi)點，即所有的未知參數(shù)都能從假設(shè)的局內(nèi)點計 算得出；
[0024] S32:用S31中得到的模型去測試所有的其它數(shù)據(jù)，如果某個點適用于估計的模型， 認(rèn)為它也是局內(nèi)點；
[0025] S33:如果有足夠多的點被歸類為假設(shè)的局內(nèi)點，那么估計的模型就足夠合理；
[0026] S34:用所有假設(shè)的局內(nèi)點去重新估計模型，因為它僅僅被初始的假設(shè)局內(nèi)點估計 過；
[0027] S35:最后，通過估計局內(nèi)點與模型的錯誤率來評估模型。
[0028] S31-S35這個過程被重復(fù)執(zhí)行固定的次數(shù)，每次產(chǎn)生的模型要么因為局內(nèi)點太而 被舍棄，要么因為比現(xiàn)有的模型更好而被選用。在執(zhí)行完固定次數(shù)后，得到一個最優(yōu)的模型 參數(shù)，該模型參數(shù)就是最終擬合得到的直線方程的參數(shù)。
[0029] 本發(fā)明的一個實施例中，所述步驟S3中，擬合得到的兩條直線的方向向量指向掘 進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)方向，兩條直線的空間關(guān)系是平行、相交或異面。
[0030] 本發(fā)明的一個實施例中，所述步驟S4中，求步驟S3中得到的兩條直線的中心線的 具體方法是，若兩直線平行，過兩平行直線公垂線段中點，以它們的方向向量為方向的直線 就是中心線;若兩直線相交，過它們的交點，以兩條相交直線方向向量的矢量和為方向的直 線就是中心線;若兩直線異面，先求出兩異面直線的公垂線，過公垂線段的中點，以兩條異 面直線方向向量的矢量和為方向的直線就是中心線。
[0031]本發(fā)明的一個實施例中，所述步驟S5中，過激光掃描裝置所處的點分別向步驟S4 中確定的中心線作垂線，確定垂足為基點。
[0032]本發(fā)明的一個實施例中，所述步驟S6中，人工輸入距離值d后，經(jīng)過步驟S7-S8得到 的窗口尺寸即為在掘進(jìn)方向上距離基點d的位置處的掘進(jìn)窗口尺寸，輸入多個不同的d值， 可得到掘進(jìn)方向上多個不同位置處的掘進(jìn)窗口的尺寸。
[0033]總體而言，本發(fā)明提供的在激光掃描獲取的二維點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上檢測掘進(jìn)窗口 的方法能夠在很短時間內(nèi)準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)距離上的掘進(jìn)窗口的尺寸，相較于傳統(tǒng)的人工測 量方法更安全，效率更高，精度也更高。檢測得到的窗口數(shù)據(jù)能夠為工作人員提供參考。
【附圖說明】
[0034] 圖1中（a)是井下巷道的拱形斷面圖，（b)是掘進(jìn)機(jī)截割頭的空間包絡(luò)面示意圖；
[0035] 圖2是基于二維激光掃描的掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)窗口快速檢測方法的流程框圖；
[0036]圖3是點云數(shù)據(jù)擬合直線示意圖；
[0037]圖4是利用水平二維激光掃描點云數(shù)據(jù)檢測目標(biāo)距離上的掘進(jìn)窗口寬度示意圖； [0038]圖5是利用垂直二維激光掃描點云數(shù)據(jù)檢測目標(biāo)距離上的掘進(jìn)窗口高度示意圖；
[0039] 圖6是沿掘進(jìn)方向上多個目標(biāo)距離處的掘進(jìn)窗口層疊示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0041] 如圖1所示，（a)是井下巷道的拱形斷面圖，（b)是掘進(jìn)機(jī)截割頭的空間包絡(luò)面示意 圖。巷道斷面的形狀取決于支架類型，而巷道支架類型又取決于巖石穩(wěn)定性及使用年限的 長短。巖石較穩(wěn)固、使用年限短，一般多用木材支架，這時斷面常為梯形;巖石不穩(wěn)固或使用 年限較長，一般采用混凝土支架，這時斷面為直壁拱形。本實施例中的巷道斷面是直壁拱 形。掘進(jìn)機(jī)的破碎裝置一一截割頭是掘進(jìn)機(jī)的主要部件，掘進(jìn)機(jī)主要依靠截割頭破碎煤炭 巖壁形成巷道，掘進(jìn)機(jī)在工作時，其截割臂可以上下及左右擺動，把電機(jī)輸出的功率轉(zhuǎn)換成 扭矩傳遞到旋轉(zhuǎn)的截割頭上，利用截割頭上的截齒將機(jī)械作用力作用在煤巖體表面，使其 從本體上剝離下來，截割頭的運(yùn)動在空間形成復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)。截割頭繞軸線旋轉(zhuǎn)時，各個 截齒齒尖與過軸線平面都有一個交點，連接這些交點就得到齒尖包絡(luò)曲線，該包絡(luò)曲線繞 軸線旋轉(zhuǎn)就得到如圖(b)所示的空間包絡(luò)面。
[0042] 下面將參照圖2、圖3、圖4、圖5及圖6來具體描述實施例中基于二維激光掃描的掘 進(jìn)機(jī)掘進(jìn)窗口快速檢測方法，包括以下步驟：
[0043] S1:使用激光掃描裝置對掘進(jìn)機(jī)挖掘的巷道進(jìn)行二維激光掃描，采集巷道與掘進(jìn) 工作面的水平二維掃描和垂直二維掃描的點云數(shù)據(jù)。
[0044]二維激光掃描可快速獲取物體的輪廓線或者截面線，對于煤礦井下巷道、掘進(jìn)機(jī) 工作面等遮擋較多且特征較復(fù)雜的環(huán)境，使用二維激光掃描可快速抓取巷道和掘進(jìn)工作面 的特征線。本實施例中使用的激光掃描裝置能夠使激光束在水平方向與垂直方向上自由移 動，實現(xiàn)二維掃描。
[0045] S2:對掃描得到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行去離群點處理，濾除噪聲點。
[0046]掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中會產(chǎn)生大量的呈懸浮狀態(tài)的微小粉塵顆粒，激光掃描裝置掃 描掘進(jìn)巷道與工作面得到的點云數(shù)據(jù)中有大量離群點，因此，掃描得到的原始數(shù)據(jù)不適合 直接用來進(jìn)行直線擬合。
[0047]離群點的識別和濾除是點云數(shù)據(jù)預(yù)處理階段的基本任務(wù)，其目的是消除偏離主體 較遠(yuǎn)的對于建模意義不大甚至有負(fù)面影響的離散點。這部分離群點若不能很好的濾除，會 對后續(xù)的直線擬合產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致擬合得到的直線模型不符合實際情況。本質(zhì)上，離群 點的消除是一個二分類問題:主體點和離群點存在一些可以辨別的特征，通過這些特征將 它們分開。
[0048]本實施例中使用基于距離的鄰域統(tǒng)計法濾除離群點，即云中孤立的噪聲點。具體 步驟如下：
[0049] (1)設(shè)定距離統(tǒng)計的鄰近點數(shù)目k以及離群點差別因子c;
[0050] (2)對點