【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及到礦山綜采裝備位姿測量，特別涉及一種橫縱雙雷達-雙載體匹配的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法。
技術介紹
1、井下煤礦智能化、自動化開采是目前井下開采所共同追求的先進技術，是實現井下煤礦開采中減少人員傷亡、保障安全生產的重要手段。要想做到真正的智能化、無人化開采，實現對綜采工作面設備狀態的實時感知是進行智能決策、遠程控制的必要條件。
2、目前，綜采工作面主要通過多種傳感器聯合使用的方法或視頻監控系統來獲取綜采工作面三機的參數信息。然而，目前的綜采工作面的監測主要存在以下缺點：(1)綜采工作面環境屬于微光甚至無光的環境，再加上水、霧等多種因素的影響，導致監測參數不準確、不完全；(2)現有的井下綜采工作面的監測方法是在綜采三機上布置大量的不同類型的傳感器，造成成本高、不易維護的問題。
3、公開號為cn110232736a的專利技術專利公開了一種井下綜采工作面三維場景快速構建方法，步驟包括：(1)將激光雷達、慣性測量單元和里程計安裝在移動云臺上，移動云臺在柔性軌道上快速移動，柔性軌道安裝在刮板輸送機槽幫外側的軌道支撐架上；(2)實時獲取imu、里程計與激光雷達的測量數據并進行融合，獲得綜采工作面激光掃描三維點云矢量數據；(3)分別對三維點云矢量數據進行點云去噪、點云糾正和點云分割處理；(4)生成三維點云矢量數據的不規則三角網；(5)對綜采裝備的輪廓特征進行提取與分離，快速構建出綜采工作面三維場景模型。本專利技術能快速構建出綜采工作面的三維場景信息，以簡單直觀的方式快速展現綜采工作面生產全貌。
4、公開號為cn114970073a的專利技術專利提供了一種基于激光雷達的采煤機虛實融合定位方案，包括底層數據處理系統、數據修正系統和虛擬現實系統。利用采煤機上安裝的兩臺二維激光雷達、傾角傳感器和里程計采集支架和采煤機的姿態數據，經由數據修正系統修正后通過精定位系統和粗定位系統中內置的解算模塊獲得采煤機在工作面內的相對位置信息和絕對位置信息。在虛擬現實環境中實現截割推進過程的仿真運動，并通過人機交互獲取采煤機位置信息同時給出定位結果置信度的判定。本專利技術為采煤機在復雜底板條件下的定位提供了一種基于激光雷達和虛擬現實技術的解決方案，解決了中小型煤礦由于無法負擔昂貴的慣導儀器而導致的采煤機無法準確定位的問題，有利于降低采煤機定位的投入成本。同時避免了采煤機依靠慣導定位誤差隨時間累計導致長時間定位不準確的問題。
5、公開號為cn109903383a的專利技術專利公開了一種采煤機在工作面煤層三維模型中精確定位方法，步驟包括：(1)把激光雷達和慣導安裝在采煤機上，快速獲取激光掃描巷道三維模型和采煤機的慣性坐標；(2)分別提取巷道三維模型和工作面煤層三維模型的特征點集；(3)利用kd樹算法尋找對應的特征點進行初始匹配，建立基于ndt算法的特征粗匹配點集；(4)利用ransac方法對粗匹配點集進行篩選去除掉錯誤的匹配點對；(5)建立基于icp算法的特征精匹配點集，精確對齊采煤機坐標系與工作面煤層三維模型坐標系，實現采煤機在工作面煤層三維模型中精確定位。優點：能快速建立采煤機與工作面煤層三維模型之間的關聯性，解決采煤機在煤層三維模型中實時狀態描述問題。
6、公開號為cn117291959a的專利技術專利公開了一種基于激光slam的工作面整體工作空間虛擬重構方法，包括建立物理點云空間、虛擬點云空間和虛實融合通道。物理點云空間通過安裝在采煤機上的激光雷達進行物理點云數據，并解算出綜采裝備的位姿信息，以便于虛擬點云模塊中綜采裝備的重構；虛擬點云空間建立綜采裝備以及激光雷達的數字孿生體，并獲取液壓支架的虛擬點云；虛實融合通道對支架物理點云與虛擬點云進行配準，并解算采煤機運行軌跡，將其構建為空間模型進行相似性分析完成對運行軌跡的規劃，利用實時信息將其進行更新。
7、公開號為cn114859379a的專利技術專利公開了一種基于多激光雷達綜采工作面實時三維成像方法及系統，通過獲取任一激光雷達在對應液壓支架坐標系下的位姿，所述激光雷達預設于與其對應的液壓支架上；獲取任一激光雷達在當前時刻其視場內的局部綜采工作面的原始點數據；通過所述原始點數據對所述局部綜采工作面進行局部實時成像；以一液壓支架坐標系為基準，將任一局部實時成像的結果變換至該液壓支架坐標系下以進行全局實時成像。所述成像系統將激光雷達設于液壓支架上，并設置與每一激光雷達對應的子處理器，及與各子處理器相連的總處理器，及執行所述成像方法的軟件，實現綜采工作面的局部實時成像和全局實時成像，且不用對原有礦井結構進行改造。
8、基于對上述現有技術的分析，專利技術人認為上述方法的缺陷在于：
9、(1)需要在液壓支架或采煤機上安裝大量的傳感器，而液壓支架數量眾多，安裝大量傳感器不易維護且造價昂貴；
10、(2)激光雷達隨采煤機一起移動，而綜采工作面的長度較長，且采煤機的移動速度較慢，因此激光雷達獲取的點云數據的實時性相對較差，導致無法準確的獲取整個綜采工作面的實時數據；
11、(3)激光雷達在采煤機上固定，無法自主運動，對于采煤機已經采過的地方，此時以經進行移架及推溜，由于雷達固定，則無法及時對已經移動的液壓支架及刮板輸送機進行及時有效的監測反饋；
12、(4)現有的所使用的巡檢機器人，其上進行綜采設備位姿監控所使用的傳感器及設備較多。
13、因此開發一種高精度、及時的位姿測量方法成為研究重點。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是提供一種綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，實現對綜采裝備群的全位姿精細化監測，提高測量精度以及環境適應性。
2、為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是：一種綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，包括：
3、步驟一，構建物理點云空間，包括：
4、(1)建立基于橫縱雙雷達系統的數據采集系統；
5、所述數據采集系統包括安裝在巡檢機器人上的橫縱放置的兩個三維激光雷達，橫向雷達負責水平方向的位姿測量，掃描液壓支架的外部姿態；縱向激光雷達負責垂直方向的位姿測量，掃描液壓支架內部的姿態以及相鄰液壓支架之間的關系；
6、(2)物理點云數據的采集與處理；
7、巡檢小車移動的過程中，三維激光雷達對綜采工作面進行掃描，在獲得液壓支架群整體的點云后進行對點云進行濾波,提取出單臺液壓支架的局部特征點云，完成物理點云數據的采集與處理工作；
8、(3)物理點云空間的融合；
9、根據選定的特征部件將兩個三維激光雷達所采的點云數據進行配準，實現物理點云空間的融合；
10、步驟二，構建虛擬點云空間；
11、(1)構建數字孿生體；
12、選取unity3d作為虛擬現實環境平臺，構建建立采煤機、液壓支架和刮板輸送機的數字孿生體和三維激光雷達數字孿生體；添加相應的碰撞體，使用射線碰撞監測方法獲取特征部件掃描點的世界坐標，并將世界坐標轉換到以激光雷達為坐標系原點的局部本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：步驟一中，液壓支架的立柱的伸縮連接處、液壓支架前連桿與掩護梁的連接處，作為配準時的特征部件。
3.根據權利要求1或2所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：步驟一中，巡檢機器人行走在刮板輸送機的電纜槽上。
4.根據權利要求3所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：巡檢小車的運行模式包括跟機模式，所述跟機模式包括超前碰撞檢測模式，中位跟機模式及底板檢測模式；
5.根據權利要求4所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：巡檢小車的運行模式包括巡航模式，所述巡航模式包括移架滯后巡航模式和推溜滯后巡航模式；
6.根據權利要求5所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：步驟一中，將三維激光雷達所產生的點云數據中立柱和掩護梁與前連桿相接的部位進行標定，然后將特征部件相互配準、融合，即形成一臺液壓支架的物理點云空間；對整個綜采
7.根據權利要求6所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：在巡檢機器人內部安裝兩個邊緣計算機，用于存儲程序以及點云配準融合，一個進行物理點云空間的本地融合，另一個進行虛實點云融合。
8.根據權利要求1或7所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：步驟三中，所述的液壓支架虛實點云配準，是將物理空間與虛擬空間中獲得的點云通過特征部件進行配準，對配準得到的旋轉平移矩陣進行變換，依據變換結果對液壓支架數字孿生體的位姿進行調整，使其與物理空間中液壓支架位姿完全相同，完成單臺液壓支架整體位姿的重構。
9.根據權利要求8所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：步驟三中，所述的刮板輸送機位姿解算，是結合巡檢機器人的位置和姿態信息，根據巡檢機器人在刮板輸送機的電纜槽上運行時的耦合關系，解算出刮板輸送機各節中部槽的俯仰角，得到刮板輸送機實際形態。
10.根據權利要求9所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：步驟三中，所述的采煤機位姿解算，是將得到的物理點云與虛擬點云進行配準，經過采煤機相對液壓支架的三個方向的求解，得到采煤機相對液壓支架的位置；采煤機機身俯仰角為機身上表面點云的擬合直線與底座臺階上表面擬合直線的夾角，利用反正切函數來計算擬合直線方向向量的夾角，得到采煤機相對液壓支架的橫滾角；通過對點云圖在液壓支架的排列方向進行拼接計算采煤機相對液壓支架的其它兩個姿態角。
...【技術特征摘要】
1.一種綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：步驟一中，液壓支架的立柱的伸縮連接處、液壓支架前連桿與掩護梁的連接處，作為配準時的特征部件。
3.根據權利要求1或2所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：步驟一中，巡檢機器人行走在刮板輸送機的電纜槽上。
4.根據權利要求3所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：巡檢小車的運行模式包括跟機模式，所述跟機模式包括超前碰撞檢測模式，中位跟機模式及底板檢測模式；
5.根據權利要求4所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：巡檢小車的運行模式包括巡航模式，所述巡航模式包括移架滯后巡航模式和推溜滯后巡航模式；
6.根據權利要求5所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：步驟一中，將三維激光雷達所產生的點云數據中立柱和掩護梁與前連桿相接的部位進行標定，然后將特征部件相互配準、融合，即形成一臺液壓支架的物理點云空間；對整個綜采工作面采集后，將每一臺液壓支架相互配準，所形成的即為整個綜采工作面的液壓支架物理點云空間。
7.根據權利要求6所述的綜采裝備群全位姿數實融合精細化求解方法，其特征在于：在巡檢機器人...
【專利技術屬性】
技術研發人員：謝嘉成，李輝，沈衛東，王學文，馬凱，陳賀，杜瑞，張佩林，郭鑫穎，袁宇，
申請(專利權)人：太原理工大學，
類型：發明
國別省市：
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