[发明专利]基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔的定位方法和系统

权利要求书

1.一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过激光扫描仪对巷道顶板钢带进行采样得到采样云点信息；

S2、利用kd树法对采样云点信息进行边界提取得到边界云点；

S3、根据欧式距离聚类分割算法对边界云点进行分类后通过椭圆拟合提取锚孔边界云点，剔除钢带边界云点，并计算锚孔边界云点对应的拟合椭圆的中心坐标、长轴和短轴；

S4、通过拟合椭圆中心附近的云点确定钻孔平面，并将椭圆中心转化到钻孔平面得到钻孔中心三维坐标；

S5、根据钻孔中心三维坐标，控制钻臂进行锚杆支护作业。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，进行边界提取的具体方法为：

S201、从采样云点中选取一个云点a，设定k邻域，找到云点a周围最近的k个点的集合作为第一邻域集合，记为N_j(j＝0,1,2,…,k-1)，对点a和第一邻域集合N_j内的所有点云进行最小二乘法拟合得到云点a的局部切平面；

S202、在云点a的局部切平面上建立平面坐标系，以云点a到切平面投影a₁为坐标原点，a₁与N₀在平面上的投影N_0,1组成的向量为x轴，局部切平面的法向量与x轴的叉乘为y轴建立第一平面坐标系，将云点a和第一邻域集合N_j内的点全部投影到第一平面坐标系中；

S203、在第一平面坐标系中，以云点a的投影a1为顶点，向第一邻域集合N_j内的各个点在第一平面坐标系中的投影作向量，计算任意相邻两个向量之间的夹角θ_j，若maxθ_jθ，则表示云点a为边界点，若maxθ_jθ，则表示云点a不是边界，θ表示最大夹角阈值；

S204、从采样云点中选取下一个点，重复步骤S201～S203，对所有云点进行判定，得到所有的边界云点集合a_i。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，其特征在于，所述步骤S203中，最大夹角阈值的取值范围为：

4.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，其特征在于，所述步骤S3中，对边界云点进行分类的具体方法为：

S301、选取边界云点集合中的任意一点p放入聚类集Q₁，利用kd树找到边界云点集合a_i中距离云点p最近的k个点作为第二k邻域合集，记作p_i(i＝0,…,k-1)；计算云点p到第二k邻域集合p_i中的各个点的欧氏距离r，将欧式距离小于聚类分割阈值r_s的点放入聚类集Q₁；

S302、选取聚类集Q_t中的一个云点q，利用kd树找到边界云点集合a_i的剩余云点中，距离云点q最近的k个点作为第三k邻域集合，计算云点q到第三k邻域集合中的各个点的欧氏距离，将欧式距离小于聚类分割阈值的点放入聚类集Q₁；

S303、选取聚类集Q₁中的下一个云点，重复步骤S303，直到聚类集Q₁中的点不再增加；

S304、在边界云点集合a_i的剩余云点中继续选取任意一点放入聚类集Q₂，重复步骤S301～S304，直到聚类集Q₂中的点不再增加；

S305、重复步骤S304、直至所有边界云点都放入聚类集，最终得到聚类集Q₁、Q₂、……Q_T，T表示聚类集的个数。