煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种煤矿井下全工作面场景空间数字化构建系统和方法，其系统包括：定点传感器，设置于工作面机头和机尾处的液压支架顶板上，获取定点空间数据；巡检传感器，设置于巡检行走机构上并沿巡检行走机构的轨道行走，获取巡检空间数据；控制器，接收定点空间数据和巡检空间数据，根据定点空间数据和巡检空间数据得到全工作面场景空间的空间数据。本发明专利技术中的方案，利用定点扫描方式和巡检扫描模式相结合的方式实现全工作面场景空间数据的获取，在工作面机头、机尾区域处，巡检传感器自动转动扫描旋转轴与此处定点传感器一致的扫描旋转轴，保证两种传感器分别获取此处空间数据时的配准精度，实现全工作面场景空间数据的拼接获取。

【技术实现步骤摘要】
煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建系统和方法
本专利技术涉及煤炭的智能化开采
，具体地，涉及一种煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建系统和方法。
技术介绍
近年来，随着动驾驶和人工智能技术的快速发展，为了实现煤矿智能化、无人化开采，首先需要对煤矿井下场景空间进行数字化构建，特别是基于扫描数据信息和地质测量数据信息的数字化构建，实现对煤矿井下场景空间及位置信息的准确感知。目前，在煤矿井下的复杂场景中，通常采用传感器扫描工作场景以便实时获取其空间的局部空间数据信息，同时利用预先测量的全局煤层地质数据信息进行对比把握。目前煤炭领域的相关研究机构或者产品提供商在某些矿井布置了一些相对成熟型号的传感器进行井下场景的空间数据信息获取。一些是基于固定安装方式，采用定点接力扫描采集获取工作面场景空间的空间数据信息，然后离线人工拼接完成工作面场景一定范围的空间场景的可视化。由于煤矿井下综采工作面场景比较复杂，且具有一定长度范围，通常大概有300多米左右。如果采用固定安装定点接力扫描方式，整个工程造价将会大幅提高，实用性无法满足需求。一些是基于巡检行走机构平台，采用巡检模式实现场景一定范围的空间可视化。由于工作面机头、机尾处空间的局限性，以及此范围空间环境状况的复杂多变，即使采用巡检模式也不能够很好地完成此处区域空间信息的扫描和获取。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建系统和方法，以解决现有技术中难以获取整个工作面整体空间场景信息的技术问题。为此，本专利技术一部分实施例提供一种煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建系统，包括：定点传感器，设置于工作面机头和机尾处的液压支架顶板上，获取定点空间数据；巡检传感器，设置于巡检行走机构上并沿巡检行走机构的轨道行走，以获取巡检空间数据；控制器，接收所述定点传感器发送的定点空间数据和所述巡检传感器发送的巡检空间数据，根据所述定点空间数据和所述巡检空间数据得到全工作面场景空间的空间数据。可选地，上述的煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建系统，还包括：多个超宽带基站，设置于工作面的不同位置处；多个定位卡，设置在传感器和地质测量设备中；所述控制器，接收传感器中的定位卡的位置坐标和地质测量设备中的定位卡的位置坐标，根据超宽带定位技术对传感器和地质测量设备的标定结果将空间数据和地质数据信息进行融合。本专利技术一些实施例还提供一种利用上述的煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建系统对煤矿井下全工作面场景空间进行构建的方法，包括如下步骤：定点扫描数据获取步骤：获取定点传感器扫描得到的工作面机头和机尾处设定区域的空间数据；所述定点传感器为安装在工作面机头和机尾处的传感器；巡检扫描数据获取步骤：获取巡检传感器扫描得到的工作面中间区域的空间数据；所述巡检传感器为设置于巡检行走机构上的传感器，所述巡检行走机构设置于所述工作面机头和机尾之间；其中，所述巡检传感器行走至巡检行走机构的轨道两端时，自动将其扫描旋转轴方向切换至与定点传感器扫描旋转轴平行的方向；全工作面场景空间数据获取步骤：在所述巡检传感器完成一个行程的工作面巡检之后，将定点扫描数据获取步骤得到的定点空间数据以及巡检扫描数据获取步骤得到的巡检空间数据进行配准和拼接，以得到全工作面场景的空间数据。可选地，上述的煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建方法，全工作面场景空间数据获取步骤中，通过如下方式实现定点空间数据以及巡检空间数据的配准：获取待配准的定点空间数据以及巡检空间数据中所有点的表面法向量；其中，一个点的表面法向量是指该点所在正切平面的垂直向量；检测待配准的定点空间数据以及巡检空间数据中的关键点；获取待配准的定点空间数据以及巡检空间数据中每个关键点对应的特征描述子；其中，一个点的特征描述子是指该点邻域内信息的高维度表示；采用待配准的定点空间数据以及巡检空间数据中每个关键点的特征描述子建立待配准的定点空间数据以及巡检空间数据的关键点之间的匹配关系；根据待配准的定点空间数据以及巡检空间数据的关键点之间的匹配关系得到变换矩阵；根据所述变换矩阵实现待配准的定点空间数据以及巡检空间数据中所有点对的配准。可选地，上述的煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建方法，根据所述变换矩阵实现待配准的定点空间数据以及巡检空间数据中所有匹配点对的配准步骤包括：步骤一：在原始数据坐标空间内建立转换后的定点空间数据以及巡检空间数据之间所有点对的匹配关系；步骤二：针对转换后的定点空间数据以及巡检空间数据中所有匹配点对，建立匹配点对之间的误差代价函数；步骤三：使用优化求解器最小化误差代价函数得到转换后的定点空间数据以及巡检空间数据中所有匹配点对之间的新变换矩阵；步骤四：采用新变换矩阵将转换后的定点空间数据进行更新，之后利用更新后的定点空间数据代入步骤一中继续迭代，直至步骤二中误差代价函数符合最小化误差要求。可选地，上述的煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建方法，还包括如下步骤：数据融合步骤：在工作面机头和机尾设定区域处，应用超宽带定位技术标定传感器和地质测量设备，以实现全工作面场景空间数据和地质数据信息的融合。可选地，上述的煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建方法，所述数据融合步骤具体包括：获取空间数据和地质数据信息的旋转变换矩阵：在工作面设置多个超宽带基站，每一超宽带基站实时接收或发送超宽带信号，采集工作面中每一定位卡在当前超宽带基站系统下的位置坐标；其中，传感器中设置至少五个定位卡，地质测量设备中设置至少五个定位卡；传感器中的一个定位卡和地质测量设备中的一个定位卡用于获取传感器和地质测量设备之间的平移变换向量和运动轨迹；传感器中的其余定位卡和地质测量设备中的其余定位卡用于获取传感器和地质测量设备之间的旋转变换矩阵；根据旋转变换矩阵融合所述空间数据和地质数据信息。可选地，上述的煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建方法，所述传感器中的至少五个定位卡以及所述地质测量设备中的至少五个定位卡通过如下方式进行设置：一个定位卡集成在所述传感器/所述地质测量设备中；其余定位卡设置于所述传感器/所述地质测量设备中的定位板上，其余定位卡分别设置于所述定位板的至少四个角点处。可选地，上述的煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建方法，根据旋转变换矩阵融合所述空间数据和地质数据信息的步骤包括：获取传感器中的定位板上其余定位卡的位置坐标P＝{p1,p2,p3…pm}，m为传感器中定位板上定位卡的数量；获取地质测量设备中的定位板上其余定位卡的位置坐标P'＝{p'1,p'2,p'3…p'n}，n为地质测量设备中定位板上定位卡的数量；其中，pi和p'i分别为传感器和地质测量设备上的第i个定位卡的位置坐标；融合所述空间数据和地质数据信息的步骤中：其中，R为旋转变换矩阵，t为平移向量；根据所述旋转变换矩阵应用矩阵乘法将一组空间数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建系统，其特征在于，包括：/n定点传感器，设置于工作面机头和机尾处的液压支架顶板上，获取定点空间数据；/n巡检传感器，设置于巡检行走机构上并沿巡检行走机构的轨道行走，以获取巡检空间数据；/n控制器，接收所述定点传感器发送的定点空间数据和所述巡检传感器发送的巡检空间数据，根据所述定点空间数据和所述巡检空间数据得到全工作面场景空间的空间数据。/n

【技术特征摘要】
1.一种煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建系统，其特征在于，包括：
定点传感器，设置于工作面机头和机尾处的液压支架顶板上，获取定点空间数据；
巡检传感器，设置于巡检行走机构上并沿巡检行走机构的轨道行走，以获取巡检空间数据；
控制器，接收所述定点传感器发送的定点空间数据和所述巡检传感器发送的巡检空间数据，根据所述定点空间数据和所述巡检空间数据得到全工作面场景空间的空间数据。


2.根据权利要求1所述的煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建系统，其特征在于，还包括：
多个超宽带基站，设置于工作面的不同位置处；
多个定位卡，设置在传感器和地质测量设备中；
所述控制器，接收传感器中的定位卡的位置坐标和地质测量设备中的定位卡的位置坐标，根据超宽带定位技术对传感器和地质测量设备的标定结果将空间数据和地质数据信息进行融合。


3.一种利用权利要求1或2所述的煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建系统对煤矿井下全工作面场景空间进行构建的方法，其特征在于，包括如下步骤：
定点扫描数据获取步骤：获取定点传感器扫描得到的工作面机头和机尾处设定区域的空间数据；所述定点传感器为安装在工作面机头和机尾处的传感器；
巡检扫描数据获取步骤：获取巡检传感器扫描得到的工作面中间区域的空间数据；所述巡检传感器为设置于巡检行走机构上的传感器，所述巡检行走机构设置于所述工作面机头和机尾之间；其中，所述巡检传感器行走至巡检行走机构的轨道两端时，自动将其扫描旋转轴方向切换至与定点传感器扫描旋转轴平行的方向；
全工作面场景空间数据获取步骤：在所述巡检传感器完成一个行程的工作面巡检之后，将定点扫描数据获取步骤得到的定点空间数据以及巡检扫描数据获取步骤得到的巡检空间数据进行配准和拼接，以得到全工作面场景的空间数据。


4.根据权利要求3所述的煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建方法，其特征在于，全工作面场景空间数据获取步骤中，通过如下方式实现定点空间数据以及巡检空间数据的配准：
获取待配准的定点空间数据以及巡检空间数据中所有点的表面法向量；其中，一个点的表面法向量是指该点所在正切平面的垂直向量；
检测待配准的定点空间数据以及巡检空间数据中的关键点；
获取待配准的定点空间数据以及巡检空间数据中每个关键点对应的特征描述子；其中，一个点的特征描述子是指该点邻域内信息的高维度表示；
采用待配准的定点空间数据以及巡检空间数据中每个关键点的特征描述子建立待配准的定点空间数据以及巡检空间数据的关键点之间的匹配关系；
根据待配准的定点空间数据以及巡检空间数据的关键点之间的匹配关系得到变换矩阵；
根据所述变换矩阵实现待配准的定点空间数据以及巡检空间数据中所有点对的配准。


5.根据权利要求4所述的煤矿井下全工作面场景空间的数字化构建方法，其特征在于，根据所述变换矩阵实现待配准的定点空间数据以及巡检空间数据中所有匹配点对的配准步骤包括：
步骤一：在原始数据坐标空间内建立转换后的定点空间数据以及巡检空间数据之间所有点对的匹配关系；
步骤二：针对转换后的定点空间数据以及巡检空间数据中所有匹配点对，建立匹配点对之间的误差代价函...

【专利技术属性】
技术研发人员：南柄飞，王凯，郭志杰，荣耀，李首滨，李森，叶晨曦，
申请(专利权)人：北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京煤科天玛自动化科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11