[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

说明书

本发明属于锚杆机器人钻孔定位技术领域，具体是一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位系统及方法，方法包括以下步骤：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、通过拟合椭圆的中心附近的云点计算得到钻孔平面，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。本发明定位精度高，可以实现锚护机器人作业自动化。

技术领域

本发明属于锚杆机器人钻孔定位技术领域，具体是一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位系统及方法。

背景技术

随着工业化和科技水平的提高，矿井井下减人化，无人化智能开采成为一种趋势。但是锚杆支护作为巷道在服务期内稳定可靠的重要保障，其作业模式仍需要人工手动操作，尤其体现在巷道顶板钢带锚孔作业中。由于井下工作环境差，光照有限，顶板锚孔孔径小，工人在操作过程中不能快速准确的对锚孔定位，延长了锚杆支护的工作时间，甚至影响了巷道的稳定性。为了实现锚杆支护作业的自动化，机器视觉在这方面也有应用。在专利号CN202110084689.0提供了一种系统及方法，这种系统和方法存在以下不足：(1)这种方法需要在锚护机器工作前期建立样本库，成像结果与样本库进行比对。这样一方面会增加了任务流程，另一方面对出现的特殊锚孔无法识别，造成空锚的情况，(2)这个系统依靠相机，矿井下的光照条件严重影响了成像效果，削弱了锚孔定位精度。

随着激光扫描技术的发展，激光扫描仪器应用越来越广泛。由于其矿山环境的适应力和高精度，因此，如何利用激光扫描仪来识别钻孔，成为本领域急需要解决的问题。

发明内容

为了帮助实现井下减人化、无人化作业，解决在锚护机器人方面，机器视觉技术受亮度影响较大，不适用于矿井环境的问题，本发明提供了一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法，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。

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；