[发明专利]一种基于雷达点云数据的煤矿巷道三维模型构建方法

说明书

一种基于雷达点云数据的煤矿三维模型构建方法，以置于移动平台上的雷达到煤矿巷道扫描获取的三维点云数据为基础，通过具体算法构建三维模型，实施过程：安装设备，移动平台巷道不同位置扫描获取点云数据，对点云数据进行平台投影，获取巷道截面的离散点表示，利用多项式拟合离散点，获取截外轮廓的描述方法；利用拟合多项式计算均分点处的坐标值；将前后两个掘进平面轮廓对应点相连，即可构建巷道立体三维模型。本发明可实现巷道模型的自动化准确构建。

技术领域

本发明属于三维空间立体建模技术，特别适用于煤矿行业掘进、地下管廊等巷道等场景，实现一种基于雷达点云数据的空间结构自动实时建模。

背景技术

规范井下作业位置、建立巷道空间立体模型，实施实时检测是当前的迫切需求。

掘进机是当前煤矿开采的主要设备。为了保证运行过程中的安全及开采效率，掘进机必须严格沿预先设计的中轴线位置行进，实现对既定作业面开采。然而由于井下活动空间及观看视角的限制，掘进机操作人员只能通过经验来判断挖掘位置是否准确，存在较大的偏离预设作业范围的风险，给矿井作业带来严重安全隐患。

雷达扫描技术为真实空间的三维建模提供了数据基础。根据物体对定向发射的雷达波的发射特性，雷达装置通过接收反射信号即可确定反射点相对于发射波源的位置信息。基于此思想，通过在掘进机尾部安装低成本的雷达装置自动实时扫描掘进机尾部煤矿巷道断面及空间三维形状并输出原始点云数据，将传统的人为测量模式升级为智能测量模式，然后再将复杂的点云数据快速准确地输出巷道(实际)空间三维模型，实现智能化开采和自动化生产。

发明内容

为了帮助煤矿综合中心快速准确地了解当前掘进作业的路线、掘进完成情况和巷道各工作面的实际形状等信息，利用安装于掘进机尾部的三维雷达扫描仪生成的巷道三维模型，实现煤矿可视化软件提供三维显示素材，极大地提高自动化、数字化和信息化水平，实现以最小资源获取最大资源收益的目标，由于雷达点云数据具有以下特点：(1)点云数据量庞大；(2)点云质量参差不齐；(3)由于雷达扫描盲区，部分点云缺失，因此如何设计算法实现基于雷达点云数据自动构建巷道空间三维模型是本发明的核心。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于雷达点云数据的煤矿巷道三维模型构建方法，所述方法包括以下步骤：

1)搭建设备采集雷达数据，所述设备包括车载平台(通常为掘进机)、1台激光雷达和1台工控机，将激光雷达垂直安装于车载平台尾部，确保雷达主机垂直向下；将雷达、工控机和车载平台控制系统通过网线实现数据传输与交换；

2)在车载平台移动过程中，记录平台移动速度和移动距离信息P，其中P为二元参量，包含平台t时刻的速度v_t及移动距离d_t；

3)当车载平台行进距离d_t处时，雷达绕平台行进方向，即z轴扫描巷道，并记录巷道内各反射点相对到雷达当前位置的坐标值(x_d，x_d，z_d)ⁱ，其中下标d表示雷达给出的反射点坐标以平台相对于初始平面为参考，上标i表示扫描过程中得到的第i个反射点；

4)将采集到的坐标值(x_d，x_d，z_d)ⁱ按z_d值进行升序排序，并取前50％的点((x_d，y_d，z_d)ⁱ，i＝1，2，3，...，N)计算平均值得到平面z＝z′_d；

5)将上述N个点投影到平面z＝z′_d，得到投影点坐标(x_d，y_d，z′_d)ⁱ，利用多项式对投影坐标进行拟合，获得拟合函数