本发明专利技术公开了一种基于二维激光扫描的掘进机掘进窗口快速检测方法，首先，对掘进工作面分别进行水平和垂直二维扫描，对采集到的原始点云数据进行去离群点处理；然后，分别对去离群点之后的水平和垂直二维扫描点云数据进行直线拟合、求中心线、确定基点的操作，完成窗口检测的准备工作；最后，输入目标距离，分别在水平与垂直中心线上，以基点为原点的目标距离处作垂线与拟合得到的两条直线相交，获得点对，水平点对的空间距离是目标距离处的掘进窗口宽度，垂直点对的空间距离是目标距离处的掘进窗口高度。本发明专利技术提供的技术方案能够快速地检测出多个目标距离上的掘进窗口尺寸，为工作人员提供及时有效的参考与校正，确保实际掘进过程的合理性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光扫描与点云数据处理领域，更具体地，涉及一种基于二维激光扫 描的掘进机掘进窗口快速检测方法。
技术介绍
当前的煤炭生产中，掘进机主要用于巷道的挖掘，是现代化矿井生产不可缺少的 设备，巷道的掘进方向和尺寸是整个巷道的重点，井下巷道往往是由井下工作人员手动操 作掘进机来进行掘进，掘进窗口的尺寸大小难以保障，此外在掘进过程中会产生大量的粉 尘，这对现场工作人员的健康带来直接危害。因此，如何能自动且快速地检测出掘进工作面 上掘进窗口的大小是一个亟待解决的问题。 针对当前煤炭生产中井下掘进窗口检测的实际需要，掘进机掘进窗口的检测要求 检测设备能够按照矿井设计的规定和安全要求，在现场实地实时、自动、快速地检测出掘进 巷道的截面尺寸。检测得到的窗口数据能够为工作人员操作掘进机挖掘巷道提供及时有效 的参考与校正。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于二维激光扫描的掘进机掘进窗口快速 检测方法，旨在完成掘进窗口的自动、快速检测。 为了解决上述问题，本专利技术采用的技术方案如下： -种基于二维激光扫描的掘进机掘进窗口快速检测方法，包括以下步骤： S1:使用激光扫描装置对掘进机挖掘的巷道进行二维激光扫描，采集巷道与掘进 工作面的水平二维扫描和垂直二维扫描的点云数据； S2:对步骤S1中水平二维扫描和垂直二维扫描得到的点云数据分别进行去离群点 处理，滤除噪声点； S3:对步骤S2中去离群点之后的水平二维扫描点云数据进行直线拟合，得到两条 直线，同样地，对步骤S2中去离群点之后的垂直二维扫描得到的点云数据进行直线拟合，得 到两条直线； S4:求出在步骤S3中从水平二维扫描点云数据拟合而来的两条直线的中心线，求 出在步骤S3中从垂直二维扫描点云数据拟合而来的两条直线的中心线； S5:结合激光扫描装置所处的位置，分别在步骤S4中得到的两条中心线上确定一 个基点； S6:输入一个目标距离值d，该距离值表示最终检测得到的掘进窗口到步骤S5中确 定的基点的距尚为d; S7:在步骤S4得到的水平中心线上，以步骤S5中确定的基点为原点，在距离原点距 离为d的水平中心线上作垂线，该垂线分别与步骤S3中水平二维扫描点云拟合得到的两条 直线相交于一点，两点构成目标距离d上的水平点对；同理，在步骤S4得到的垂直中心线上， 以步骤S5中确定的基点为原点，在距离原点距离为d的垂直中心线上作垂线，该垂线分别与 步骤S3中垂直二维扫描点云拟合得到的两条直线相交于一点，两点构成目标距离d上的垂 直点对； S8:求出在步骤S7中得到的目标距离d上的水平点对的空间距离，该空间距离值为 目标距离d上的掘进窗口的宽度，求出在步骤S7中得到的目标距离d上的垂直点对的空间距 离，该空间距离值为目标距离d上的掘进窗口的高度； S9:根据步骤S8中得到的宽度与高度合成目标距离d上的掘进窗口。 本专利技术的一个实施例中，所述步骤S1中，使用的激光扫描装置能够使激光束分别 在水平方向与垂直方向上自由移动，实现二维激光扫描，快速抓取巷道和掘进工作面的特 征轮廓。 本专利技术的一个实施例中，所述步骤S1中，掘进机在掘进过程中会产生大量的呈悬 浮状态的微小粉尘颗粒，激光扫描装置扫描掘进巷道与工作面得到的点云数据中有大量噪 声点所以需要对步骤S1中获得的点云数据通过邻域统计法滤除离群点，即点云中孤立的噪 声点，方便后续处理。 本专利技术的一个实施例中，所述步骤S3中，使用RANSAC(随机采样一致性)算法进行 直线拟合，RANSAC算法的能鲁棒地估计出模型参数，它能从包含大量局外点和噪声点的数 据集中估计出高精度的模型参数。具体地，RANSAC算法有如下基本假设： a:数据由"局内点"和"局外点"组成，"局内点"数据的分布可以用一些模型参数来 解释； b: "局外点"是不能适应该模型的数据； c:除此之外的数据属于噪声。 RANSAC算法的输入是一组点云数据(含有噪声点或无效点），一个用于解释观测数 据的参数化模型以及一些可信的参数。RANSAC通过反复选择数据中的一组随机子集来达成 目标。被选取的子集被假设为局内点，并用下述步骤进行验证： S31:有一个模型适应于假设的局内点，即所有的未知参数都能从假设的局内点计 算得出； S32:用S31中得到的模型去测试所有的其它数据，如果某个点适用于估计的模型， 认为它也是局内点； S33:如果有足够多的点被归类为假设的局内点，那么估计的模型就足够合理； S34:用所有假设的局内点去重新估计模型，因为它仅仅被初始的假设局内点估计 过； S35:最后，通过估计局内点与模型的错误率来评估模型。 S31-S35这个过程被重复执行固定的次数，每次产生的模型要么因为局内点太而 被舍弃，要么因为比现有的模型更好而被选用。在执行完固定次数后，得到一个最优的模型 参数，该模型参数就是最终拟合得到的直线方程的参数。 本专利技术的一个实施例中，所述步骤S3中，拟合得到的两条直线的方向向量指向掘 进机的掘进方向，两条直线的空间关系是平行、相交或异面。 本专利技术的一个实施例中，所述步骤S4中，求步骤S3中得到的两条直线的中心线的 具体方法是，若两直线平行，过两平行直线公垂线段中点，以它们的方向向量为方向的直线 就是中心线;若两直线相交，过它们的交点，以两条相交直线方向向量的矢量和为方向的直 线就是中心线;若两直线异面，先求出两异面直线的公垂线，过公垂线段的中点，以两条异 面直线方向向量的矢量和为方向的直线就是中心线。本专利技术的一个实施例中，所述步骤S5中，过激光扫描装置所处的点分别向步骤S4 中确定的中心线作垂线，确定垂足为基点。本专利技术的一个实施例中，所述步骤S6中，人工输入距离值d后，经过步骤S7-S8得到 的窗口尺寸即为在掘进方向上距离基点d的位置处的掘进窗口尺寸，输入多个不同的d值， 可得到掘进方向上多个不同位置处的掘进窗口的尺寸。总体而言，本专利技术提供的在激光扫描获取的二维点云数据的基础上检测掘进窗口 的方法能够在很短时间内准确地获取目标距离上的掘进窗口的尺寸，相较于传统的人工测 量方法更安全，效率更高，精度也更高。检测得到的窗口数据能够为工作人员提供参考。【附图说明】 图1中（a)是井下巷道的拱形断面图，（b)是掘进机截割头的空间包络面示意图； 图2是基于二维激光扫描的掘进机掘进窗口快速检测方法的流程框图；图3是点云数据拟合直线示意图；图4是利用水平二维激光扫描点云数据检测目标距离上的掘进窗口宽度示意图； 图5是利用垂直二维激光扫描点云数据检测目标距离上的掘进窗口高度示意图； 图6是沿掘进方向上多个目标距离处的掘进窗口层叠示意图。【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并 不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 如图1所示，（a)是井下巷道的拱形断面图，（b)是掘进机截割头的空间包络面示意 图。巷道断面的形状取决于支架类型，而巷道支架类型又取决于岩石稳定性及使用年限的 长短。岩石较稳固、使用年限短，一般多用木材支架，这时断面常本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于二维激光扫描的掘进机掘进窗口快速检测方法，其特征在于，包括下列步骤：S1：使用激光扫描装置对掘进机挖掘的巷道进行二维激光扫描，采集巷道与掘进工作面的水平二维扫描和垂直二维扫描的点云数据；S2：对步骤S1中水平二维扫描和垂直二维扫描得到的点云数据分别进行去离群点处理，滤除噪声点；S3：对步骤S2中去离群点之后的水平二维扫描点云数据进行直线拟合，得到两条直线，同样地，对步骤S2中去离群点之后的垂直二维扫描得到的点云数据进行直线拟合，得到两条直线；S4：求出在步骤S3中从水平二维扫描点云数据拟合而来的两条直线的中心线，求出在步骤S3中从垂直二维扫描点云数据拟合而来的两条直线的中心线；S5：结合激光扫描装置所处的位置，分别在步骤S4中得到的两条中心线上确定一个基点；S6：输入一个目标距离值d，该目标距离值表示最终检测得到的掘进窗口到步骤S5中确定的基点的距离为d；S7：在步骤S4得到的水平中心线上，以步骤S5中确定的基点为原点，在距离原点距离为d的水平中心线上作垂线，该垂线分别与步骤S3中水平二维扫描点云拟合得到的两条直线相交于一点，两点构成目标距离d上的水平点对；同理，在步骤S4得到的垂直中心线上，以步骤S5中确定的基点为原点，在距离原点距离为d的垂直中心线上作垂线，该垂线分别与步骤S3中垂直二维扫描点云拟合得到的两条直线相交于一点，两点构成目标距离d上的垂直点对；S8：求出在步骤S7中得到的目标距离d上的水平点对的空间距离，该空间距离值为目标距离d上的掘进窗口的宽度，求出在步骤S7中得到的目标距离d上的垂直点对的空间距离，该空间距离值为目标距离d上的掘进窗口的高度；S9：根据步骤S8中得到的宽度与高度合成目标距离d上的掘进窗口。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孙志刚，付忠敏，张星，肖力，王卓，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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