基于激光雷达的掘进工作面断面成形质量分析方法和系统与流程

本技术涉及智能掘进，尤其涉及一种基于激光雷达的掘进工作面断面成形质量分析方法和系统。

背景技术：

1、在煤矿巷道掘进过程中，掘进机的移动、截割头截割控制均由现场工人执行，工作产生的掘进断面形状多为的非标准化断面。在单次断面截割作业完成后，工作人员需结合激光指向仪的激光光斑，以光斑为基准点拉尺测量到断面的距离，以此距离与设计断面参数比对，判断断面成形质量。这种人工拉尺判断断面成形质量的方式存在如下问题：

2、（1）掘进断面人工测量方式存在手工测量误差，且存在滞后性；

3、（2）人工量取断面方式仅能测量当前断面宽度、断面高度，无法与设计断面在巷道坐标系下进行三维空间关系耦合分析；

4、（3）单次断面截割作业完成后并未进行巷道支护，新掘巷道处于空顶状态，作业面极度危险；

5、（4）人工拉尺方式全程依赖人工，无法智能化掘进工作面少人化无人化的要求。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本技术提出了一种基于激光雷达的掘进工作面断面成形质量分析方法和系统，以克服现有技术的不足。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种基于激光雷达的掘进工作面断面成形质量分析方法，包括：

3、接收来自于激光雷达采集的点云数据、来自于惯性测量装置的掘进机的姿态角数据，并将二者转换至基准坐标系下，得到基准点云数据；

4、按照掘进巷道的设计方位角和倾角，对所述基准点云数据进行剖切处理，生成掘进断面的断面切片数据；

5、基于凸多边形算法对所述断面切片数据进行处理，提取得到掘进断面的轮廓点集合，该轮廓点集合形成掘进断面的拟合轮廓线；

6、基于所述拟合轮廓线，结合掘进巷道的设计方位角、设计倾角、设计基准点，生成设计断面边界线，得到设计断面边界点集合；

7、对所述轮廓点集合与所述设计断面边界点集合进行空间比对，计算得到掘进断面与设计断面的最大偏差值；

8、对所述最大偏差值与预设掘进作业断面偏差阈值进行比对，输出断面成形质量的判定结果，以及生成对应判定结果的处置指令。

9、可选地，在接收来自于激光雷达采集的点云数据、来自于惯性测量装置的掘进机的姿态角数据之前，还包括：

10、建立掘进工作面的基准坐标系，所述基准坐标系为相对坐标系或绝对大地坐标系；

11、解算获取第一坐标转换矩阵，其为激光雷达坐标系到掘进机机身坐标系的转换矩阵；

12、基于惯性测量装置的姿态角数据，解算获取第二坐标转换矩阵，其为所述掘进机机身坐标系到所述基准坐标系的转换矩阵；

13、其中，所述激光雷达坐标系为激光雷达定义的相对坐标系；

14、所述掘进机机身坐标系是以掘进机机身的预设位置为基准点的相对坐标系；

15、所述激光雷达、所述惯性测量装置均与所述掘进机机身刚性连接。

16、可选地，解算获取第一坐标转换矩阵，包括：

17、在所述掘进机机身上任意位置分别布置三个不共线的棱镜；

18、分别获取三个不共线的棱镜，在激光雷达坐标系与掘进机机身坐标系下各自的三维坐标；

19、基于激光雷达坐标系下与掘进机机身坐标系下同名点坐标，计算得到所述第一坐标转换矩阵。

20、可选地，得到基准点云数据，包括：

21、利用所述激光雷达进行360度扫描掘进工作面巷道空间，采集得到激光雷达坐标系下的三维点云数据，该三维点云数据由包含各个断面测量点的坐标和反射强度构成；

22、对于任一断面测量点，基于其在激光雷达坐标系下的坐标，利用所述第一坐标转换矩阵和所述第二坐标转换矩阵，解算得到该任一断面测量点在所述基准坐标系下的坐标；

23、所有断面测量点在所述基准坐标系下的坐标形成所述基准点云数据。

24、可选地，利用所述第一坐标转换矩阵和所述第二坐标转换矩阵，解算得到该任一断面测量点在所述基准坐标系下的坐标，包括：

25、对任一断面测量点在激光雷达坐标系下的坐标，利用解算公式进行运算，得到该任一断面测量点在所述基准坐标系下的坐标；

26、其中，所述解算公式为：

27、

28、上式中，为任一断面测量点在所述基准坐标系下的坐标，为任一断面测量点在激光雷达坐标系下的坐标，

b为所述第一坐标转换矩阵，

m为所述第二坐标转换矩阵。

29、可选地，基于所述拟合轮廓线，结合掘进巷道的设计方位角、设计倾角、设计基准点，生成设计断面边界线，得到设计断面边界点集合，包括：

30、结合掘进巷道设计方位角、设计倾角、设计基准点，计算设计巷道中心线与所述拟合轮廓线的交点；

31、基于所述交点生成所述设计断面边界线，得到所述设计断面边界点集合。

32、可选地，输出断面成形质量的判定结果，包括：

33、若所述最大偏差值小于所述预设掘进作业断面偏差阈值，则掘进断面成形质量满足掘进作业要求，否则不满足掘进作业要求。

34、8.根据权利要求7所述的掘进工作面断面成形质量分析方法，其特征在于，生成对应判定结果的处置指令，包括：

35、若满足所述掘进作业要求，则生产第一处置指令，其为继续掘进的指令；

36、若不满足所述掘进作业要求，则生成第二处置指令，所述第二处置指令包括欠挖且掘进机进行补充扫帮、欠挖且掘进机回退并进行补充扫帮、超挖且掘进机在后续掘进工作中进行姿态校正中的一种或者两种以上的融合。

37、可选地，当掘进断面为矩形设计断面时，解算得到所述设计断面边界点集合中对应矩形设计断面的四个断面角点的坐标分别为，提取得到所述掘进断面的轮廓点集合中对应四个断面角点的坐标分别为，则对于一个断面角点的坐标为，对应的轮廓点集合中断面角点坐标分别为、、有：

38、若，，，则断面进尺滞后，边角欠挖，所述第二处置指令为欠挖且掘进机进行补充扫帮；

39、若，，，则断面进尺超前，边角欠挖，所述第二处置指令为欠挖且掘进机回退并进行补充扫帮；

40、若，或，则断面进尺滞后，边角超挖，所述第二处置指令为超挖且掘进机在后续掘进工作中进行姿态校正；

41、若，或，则断面进尺超前，边角超挖，所述第二处置指令为超挖且掘进机在后续掘进工作中进行姿态校正。

42、第二方面，本技术实施例提供了一种基于激光雷达的掘进工作面断面成形质量分析系统，包括：掘进机、激光雷达、惯性测量装置、服务器；

43、所述激光雷达刚性安装于掘进机机身上部，用于采集得到点云数据；

44、所述惯性测量装置刚性安装于掘进机机身内部或者刚性安装于掘进机外部，用于测量得到所述掘进机的姿态角数据；

45、所述服务器布置在掘进工作面集控仓，与所述激光雷达、所述惯性测量装置通过无线或者有限网络进行连接，所述服务器用于：

46、接收来自于激光雷达采集的点云数据、来自于惯性测量装置的掘进机的姿态角数据，并将二者转换至基准坐标系下，得到基准点云数据；

47、按照掘进巷道的设计方位角和倾角，对所述基准点云数据进行剖切处理，生成掘进断面的断面切片数据；

48、基于凸多边形算法对所述断面切片数据进行处理，提取得到掘进断面的轮廓点集合，该轮廓点集合形成掘进断面的拟合轮廓线；

49、基于所述拟合轮廓线，结合掘进巷道的设计方位角、设计倾角、设计基准点，生成设计断面边界线，得到设计断面边界点集合；

50、对所述轮廓点集合与所述设计断面边界点集合进行空间比对，计算得到掘进断面与设计断面的最大偏差值；

51、对所述最大偏差值与预设掘进作业断面偏差阈值进行比对，输出断面成形质量的判定结果，以及生成对应判定结果的处置指令。

52、本技术提出的基于激光雷达的掘进工作面断面成形质量分析方法，接收来自于激光雷达采集的点云数据、来自于惯性测量装置的掘进机的姿态角数据，并将二者转换至基准坐标系下，得到基准点云数据；按照掘进巷道的设计方位角和倾角，对基准点云数据进行剖切处理，生成掘进断面的断面切片数据。

53、基于凸多边形算法对断面切片数据进行处理，提取得到掘进断面的轮廓点集合，该轮廓点集合形成掘进断面的拟合轮廓线；基于掘进断面的拟合轮廓线，结合掘进巷道的设计方位角、设计倾角、设计基准点，生成设计断面边界线，得到设计断面边界点集合。对掘进断面的轮廓点集合与设计断面边界点集合进行空间比对，计算得到掘进断面与设计断面的最大偏差值；对最大偏差值与预设掘进作业断面偏差阈值进行比对，输出断面成形质量的判定结果，以及生成对应判定结果的处置指令。

54、本技术所提掘进工作面断面成形质量分析方法，断面成形质量检测时效性高，数据传输、成形质量分析速度快；可以精确分析当前掘进断面局部以及巷道单侧的超欠挖情况，指导掘进机进行后续截割工作；能将当前巷道坐标系下三维断面数据进行系统性上传分析，可进一步实现掘进机截割方式优化，断面截割效率优化等多种智能化功能；整个工作过程中人工干预率低，自动化工作、常态化运行，极好地解决了传统人工拉尺判断断面成形质量方法的弊病，具有广阔的应用前景和很高的实用性。