一种基于三维激光扫描的掘进装备超欠挖控制系统及方法与流程

本发明涉及智能控制，特别是指一种基于三维激光扫描的掘进装备超欠挖控制方法。

背景技术：

1、在地下工程和采矿作业中，掘进装备的作用举足轻重，特别是在各类隧道和巷道的开挖过程中。然而，长期以来，对于掘进精度的控制主要依赖于传统的人工测量方法，如使用卷尺进行实地测量以获取巷道的超欠挖数据。这种方法虽然简单易行，但效率低下，且受限于人为因素和测量工具的精度。

2、更重要的是，这种常规的人工测量方法无法与掘进机的自动截割系统有效集成。掘进机在作业过程中，需要实时、准确的数据来指导其截割路径和深度，以实现精准的掘进。然而，传统的人工测量方式无法提供这样的数据支持，导致掘进机的自动截割系统无法充分发挥其自动控制功能。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于三维激光扫描的掘进装备超欠挖控制方法，可以减少超欠挖情况的发生。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、第一方面，一种基于三维激光扫描的掘进装备超欠挖控制方法，包括：

4、步骤1，标靶定位，将三个定位标靶分别固定安装于巷道顶部及左右侧帮不被遮挡的不同位置，确定防爆全站仪的基准位置，用全站仪分别测量三个标靶，获取其绝对坐标信息；

5、步骤2，扫描仪定位，用机载三维激光扫描仪分别测量三个定位标靶，并手动输入标靶的坐标数据，通过在空间三个不同位置点的坐标信息，确定三维扫描仪坐标信息；

6、步骤3，扫描及点云数据处理，启动机载三维激光扫描仪，完成对后方已掘巷道的三维扫描，与扫描仪相连接的工控机，接受扫描仪传来的扫描数据；

7、步骤4，通过对扫描数据处理，结合已有巷道设计数据，获得巷道超欠挖信息，将巷道超欠挖信息发送到掘进装备控制器；

8、步骤5，自动截割及超欠挖控制，掘进装备控制器收到超欠挖信息，对原有控制策略进行一定调整，修正行走路径和截割方式，以实现下个截割循环精准截割；

9、步骤6，远程三维成像显示，布置于巷道后方的集控中心，借助工作面通讯系统接受三维扫描系统发来的点云数据，由防爆计算机对数据进行处理、三维建模和三维成像，实现对已掘巷道的三维实景成像；

10、步骤7，完成上述步骤5后，掘进装备继续前进截割，完成一定距离掘进后，三维扫描仪启动，重新测量定位标靶以实现自身定位，并进行新一轮扫描；后续当三维扫描仪距定位标靶超过30米时，将标靶前移，并重新定位标靶的绝对坐标。

11、进一步的，标靶定位，将三个定位标靶分别固定安装于巷道顶部及左右侧帮不被遮挡的不同位置，确定防爆全站仪的基准位置，用全站仪分别测量三个标靶，获取其绝对坐标信息，包括：

12、在巷道顶部的位置，作为第一个定位标靶的安装点；在巷道的左侧帮选择一个与顶部标靶不在同一垂直线上的位置，作为第二个定位标靶的安装点；在巷道的右侧帮选择与左侧标靶相对应的位置，作为第三个定位标靶的安装点；

13、使用膨胀螺栓将三个定位标靶分别安装在选定的位置上，在巷道内选择一个位置作为防爆全站仪的基准点；

14、打开防爆全站仪，并进行初始化设置，将全站仪对准第一个定位标靶，通过仪器上的望远镜及显示屏进行瞄准，并记录下该标靶的绝对坐标信息，包括x、y、z坐标值；依次对准第二个和第三个定位标靶，重复上述测量过程，分别记录下其对应的绝对坐标信息。

15、进一步的，扫描仪定位，用机载三维激光扫描仪分别测量三个定位标靶，并手动输入标靶的坐标数据，通过在空间三个不同位置点的坐标信息，确定三维扫描仪坐标信息，包括：

16、操作掘进装备或调整扫描仪的角度，使其对准第一个定位标靶，启动扫描仪的测量功能，对第一个定位标靶进行三维坐标测量，记录下第一个定位标靶的测量数据；依次对准第二个和第三个定位标靶，重复上述测量过程，分别记录下对应的测量数据。

17、在扫描仪的控制界面中，找到标靶坐标数据输入的功能选项，依次手动输入先前通过全站仪测量得到的三个定位标靶的绝对坐标信息；

18、利用扫描仪内部的处理算法，结合手动输入的标靶坐标数据和扫描仪自身的测量数据，进行坐标系统的匹配和转换计算；通过在空间三个不同位置点的坐标信息，确定三维扫描仪在当前巷道坐标系中的准确位置和姿态。

19、进一步的，利用扫描仪内部的处理算法，结合手动输入的标靶坐标数据和扫描仪自身的测量数据，进行坐标系统的匹配和转换计算；通过在空间三个不同位置点的坐标信息，确定三维扫描仪在当前巷道坐标系中的准确位置和姿态，包括：

20、接收从全站仪传输的三个定位标靶的绝对坐标数据；

21、对三个定位标靶进行测量，获取每个标靶在扫描仪坐标系下的坐标数据，将每个测量的标靶数据与先前存储的绝对坐标数据进行比对，通过特征匹配算法自动配对，配对成功后，将每个标靶的测量数据与对应的绝对坐标数据关联起来，形成一个数据对；

22、利用配对的数据对作为输入，通过最小二乘法优化算法，计算扫描仪坐标系与巷道坐标系之间的变换关系，即求解旋转矩阵和平移向量；

23、使用变换关系中的平移向量作为扫描仪在巷道坐标系中的位置，从计算的旋转矩阵中提取出扫描仪的姿态信息；

24、通过欧拉角转换将旋转矩阵分解为俯仰角、偏航角和滚动角，俯仰角、偏航角和滚动角扫描仪相对于巷道坐标系的方向和倾斜状态。

25、进一步的，对三个定位标靶进行测量，获取每个标靶在扫描仪坐标系下的坐标数据，将每个测量的标靶数据与先前存储的绝对坐标数据进行比对，通过特征匹配算法自动配对，配对成功后，将每个标靶的测量数据与对应的绝对坐标数据关联起来，形成一个数据对，包括：

26、依次对准三个定位标靶，以使每个标靶都在扫描仪的测量范围内；

27、对每个标靶进行三维坐标测量，记录下每个标靶在扫描仪坐标系下的坐标数据(xs，ys，zs)，坐标数据(xs，ys，zs)包括标靶相对于扫描仪原点的三维位置信息；

28、读取获得的三个定位标靶的绝对坐标数据(xw，yw，zw)，绝对坐标数据(xw，yw，zw)表示标靶在巷道坐标系中的位置；

29、分析每个测量的标靶数据与所有存储的绝对坐标数据之间的特征，特征包括距离、角度或形状；

30、通过计算两组数据之间的相似度得分，以得到对应匹配的标靶对；

31、若配对成功，则将每个测量的标靶数据与对应的绝对坐标数据关联，即每个标靶在扫描仪坐标系下的坐标(xs，ys，zs)与其在巷道坐标系中的坐标(xw，yw，zw)之间建立对应关系。

32、进一步的，扫描及点云数据处理，启动机载三维激光扫描仪，完成对后方已掘巷道的三维扫描，与扫描仪相连接的工控机，接受扫描仪传来的扫描数据，包括：

33、将扫描仪对准后方已掘巷道，以使扫描区域完全覆盖目标巷道，开始执行三维扫描；

34、当扫描仪完成扫描后，将数据通过无线网络传输到工控机；

35、工控机对点云数据进行预处理，以得到预处理后的点云数据；

36、对预处理后的点云数据进行分割、分类和识别操作，以提取巷道内部的特征和结构信息。

37、进一步的，通过对扫描数据处理，结合已有巷道设计数据，获得巷道超欠挖信息，将巷道超欠挖信息发送到掘进装备控制器，包括：

38、对点云数据进行配准和校准，并对点云数据进行三维重建，生成巷道的实际三维模型；

39、获取巷道的设计数据，包括巷道的理论形状、尺寸和位置；将设计数据与扫描得到的实际巷道三维模型进行对齐和比较，检测出巷道的超挖和欠挖区域；

40、对超欠挖区域进行量化分析，计算出超欠挖的体积、面积和具体位置；

41、将超欠挖的体积、面积和具体位置提取，以得到关键信息，关键信息包括超欠挖的位置、大小和严重程度；

42、将关键信息按照掘进装备控制器能接受的格式进行编码和打包，通过有线连接，将打包后的超欠挖信息发送到掘进装备控制器。

43、第二方面，一种基于三维激光扫描的掘进装备超欠挖控制系统，包括：

44、机载三维激光扫描子系统，用于对已掘巷道进行三维扫描，通过对所扫描点云数据处理、分析，结合巷道设计数据，获取已掘巷道的超欠挖信息；

45、掘进装备自动截割及超欠挖控制子系统，用于接收所述机载三维激光扫描子系统发送的超欠挖信息，并根据超欠挖信息调整控制策略，通过电磁阀组控制掘进装备进行自动截割；

46、远程三维成像显示子系统，用于远程显示所述机载三维激光扫描子系统扫描得到的巷道三维图像及超欠挖信息；

47、通讯模块，用于实现所述机载三维激光扫描子系统、掘进装备自动截割及超欠挖控制子系统和远程三维成像显示子系统之间的数据通讯。

48、进一步的，所述机载三维激光扫描子系统包括防爆机载三维激光扫描仪、防爆全站仪、定位标靶、工业控制计算机、显示屏、遥控接收器和遥控发射器；其中，所述防爆机载三维激光扫描仪固定安装于掘进装备较高平坦位置，朝向后方已掘巷道，用于对已掘巷道进行三维扫描，获取巷道的点云数据；所述工业控制计算机用于接收并处理所述防爆机载三维激光扫描仪扫描得到的点云数据，结合巷道设计数据，通过对比、分析，获取已掘巷道的超欠挖信息；

49、进一步的，所述掘进装备自动截割及超欠挖控制子系统包括控制器、超声波雷达、毫米波雷达、传感器系统、电磁阀组和自动截割控制软件；其中，所述控制器用于接收所述超声波雷达、毫米波雷达和传感器系统传来的位置及距离信息，以及接收所述机载三维激光扫描子系统传来的超欠挖信息，并根据超欠挖信息调整控制策略，通过电磁阀组控制掘进装备进行自动截割；

50、所述远程三维成像显示子系统包括集控室、防爆计算机、显示屏和操作面板；其中，所述防爆计算机用于接收并处理所述机载三维激光扫描子系统发送的巷道三维图像及超欠挖信息，并通过显示屏进行显示。

51、第三方面，一种计算设备，包括：

52、一个或多个处理器；

53、存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现所述的方法。

54、第四方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有程序，该程序被处理器执行时实现所述的方法。

55、本发明的上述方案至少包括以下有益效果。

56、通过将定位标靶固定在巷道顶部及侧帮的不同位置，并使用防爆全站仪进行测量，可以准确地获取这些标靶的绝对坐标信息。

57、利用机载三维激光扫描仪对定位标靶进行测量，并结合手动输入的标靶坐标数据，可以精确地确定扫描仪自身的坐标信息。这有助于将扫描结果准确地映射到巷道的实际空间中，从而实现对巷道形态的精确捕捉和分析。

58、启动机载三维激光扫描仪对后方已掘巷道进行三维扫描，可以快速地获取巷道表面的点云数据。这些数据能够详细地反映巷道的实际形态和特征，为后续的超欠挖分析提供了丰富的数据基础。同时，通过与工控机的连接，可以实时地处理和传输扫描数据，提高了数据处理的效率和准确性。

59、通过对扫描数据的处理，并结合巷道设计数据，可以准确地获取巷道的超欠挖信息。这些信息对于评估掘进质量、调整掘进策略具有重要意义。将超欠挖信息发送到掘进装备控制器，可以实现对掘进过程的实时监控和调整，从而提高掘进的精度和效率。

60、掘进装备控制器根据接收到的超欠挖信息，对原有控制策略进行调整，可以修正行走路径和截割方式，以实现更精准的截割。这有助于减少超挖和欠挖现象的发生，提高巷道的稳定性和安全性。同时，自动化控制还可以减少人为操作的干预，降低操作难度和劳动强度。

61、通过集控中心接收并处理三维扫描系统发来的点云数据，可以实现对已掘巷道的三维实景成像，这有助于远程监控和管理人员直观地了解巷道的实际状况。

62、在完成一定距离的掘进后，重新启动三维扫描仪进行新一轮的扫描，可以持续监控巷道的形态变化。当扫描仪距离定位标靶超过一定距离时，及时将标靶前移并重新定位其绝对坐标，可以确保扫描的连续性和准确性。这有助于及时发现并处理掘进过程中的问题，保障工程的顺利进行。