[发明专利]一种激光雷达的液压支撑架护帮板开合角度的检测方法

权利要求书

1.一种基于激光雷达的液压支撑架护帮板开合角度的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、将安装有第一激光雷达和第二激光雷达的机器人放置于液压支撑架内部下方进行信息采集工作，并利用第一激光雷达所扫描的位于水平范围内的点云数据计算出机器人的第一行进轨迹；

步骤二、通过第二激光雷达扫描出位于竖向范围内的点云数据，利用该扫描结果并结合所述步骤一中机器人的第一行进轨迹计算出煤矿三维综采面完整点云，并进行下采样以获取第一点云；

步骤三、对所述步骤二中获取到的第一点云进行第一次筛选和第一次聚类处理，以得到包含护帮板点云的第二点云；

步骤四、对所述步骤三得到的第二点云进行第二筛选，以得到每个液压支撑架护帮板的点云簇；

步骤五、对所述步骤四得到的点云簇进行计算并通过第三筛选，以得到最终的护帮板的开合角度。

2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的液压支撑架护帮板开合角度的检测方法，其特征在于：所述步骤一中获取机器人的行进轨迹包括以下步骤：

S101、提取出前后两帧点云数据中的所有角点和平面点；

S102、通过角点与平面点的配准与参数优化，计算出位姿增量Δp；

S103、迭代更新位姿，p(t)＝p(t-1)+Δp，

其中，p(t)＝(x(t)，y(t)，z(t)，rx(t)，ry(t)，rz(t)；采用X(t)表示其位置：X(t)＝(x(t)，y(t)，z(t))，第一轨迹记作{X(t)}。

3.根据权利要求1所述的基于激光雷达的液压支撑架护帮板开合角度的检测方法，其特征在于：所述步骤三中第一筛选包括：选定高度阈值，将第一点云PC₁中z轴坐标满足高度关系的数据点筛选出来，得到PC′₂，即：PC′₂＝{p|h₀＜p_z＜h₁，p∈PC₁}；

其中h₀，h₁分别为第一筛选的高、低阈值，且h₀，h₁的选择与护帮板的物理尺寸有关，设第二激光雷达坐标下护帮板质心的z轴坐标为M_z，则h₀的设定值为0.8M_z，h₁的设定值为1.2M_z。

4.根据权利要求1所述的基于激光雷达的液压支撑架护帮板开合角度的检测方法，其特征在于：所述步骤三中第一聚类包括：根据护帮板附近v个点所构成的平面计算出每个点的曲率，计算一个点在满足距离阈值范围要求下的空间中，距离最近的w个点的曲率变化，若小于设定曲率阈值，则可归为一类，得到第二点云PC₂。

5.根据权利要求1所述的基于激光雷达的液压支撑架护帮板开合角度的检测方法，其特征在于：所述步骤四中对第二点云PC₂进行第二筛选，包括设定理论点云数量高低阈值，若第i簇点云C_i中所有数据点的数量Ni满足阈值范围，则可初步判定为护帮板，得到第三点云PC₃。

6.根据权利要求1所述的基于激光雷达的液压支撑架护帮板开合角度的检测方法，其特征在于：所述步骤五中通过对第三点云PC₃中的第i簇点云数据进行PCA分解，再经第三筛选，来得到最终的护帮板的开合角度，包括以下步骤：

S501、将第i簇点云中数据点的x，y，z轴坐标p_jx，p_jy，p_jy通过排列得到3行N_i列的矩阵X_i，并将X_i的每一行进行零均值化；

S502、计算协方差矩阵G_i并求其特征值及其对应的特征向量；

S503、获取出护帮板平面法向量对应的方向，护帮板开合角度即为护帮平面与水平面的夹角，即：

7.根据权利要求6所述的基于激光雷达的液压支撑架护帮板开合角度的检测方法，其特征在于：所述S502计算协方差矩阵G_i并求其特征值及其对应的特征向量包括以下方法：

(1)定义矩阵X_i的每一行数据的平均值为

其中X_i(e，f)为矩阵X_i的第e行第f列元素；

(2)零均值化即为矩阵X_i的每一个元素减去该行的数据平均值，得到矩阵Y_i，即：

定义矩阵Y_i中所有元素的个数为m_i则：m_i＝3N_i；

而协方差矩阵G_i为矩阵Y_i与其转置的协方差，即

式中，Cov为协方差运算，Y_i′为矩阵Y_i的转置；

(3)对第i簇点云数据进行PCA分解所求得的特征值，若满足如下要求，则可判定为护帮板，完成第三筛选，即：

式中，为PCA分解求得的特征值，且定义使其满足t_l，t_h为设定阈值参数；u为与护帮板的物理尺寸相关的参数，定义如下：

式中，l₁，l₂分别为护帮板的长边与短边的边长。