Please wait a minute...
工程设计学报
工程设计学报  2023, Vol. 30 Issue (3): 306-314    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.034
机械设计理论与方法     
基于激光扫描和三维栅格地图的掘进巷道空间建模方法研究
刘少杰1(),李志海1,刘治翔2(),邹康3
1.山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司, 山西 太原 030000
2.辽宁工程技术大学 矿产资源开发利用技术及装备研究院, 辽宁 阜新 123000
3.辽宁工程技术大学 机械工程学院, 辽宁 阜新 123000
Research on spatial modeling method for excavation tunnels based on laser scanning and 3D grid map
Shaojie LIU1(),Zhihai LI1,Zhixiang LIU2(),Kang ZOU3
1.Shanxi Coking Coal Xishan Coal Electricity (Group) Co. , Ltd. , Taiyuan 030000, China
2.Research Institute of Mineral Resources Development and Utilization Technology and Equipment, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China
3.School of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China
 全文: PDF(4799 KB)   HTML
摘要：

采用常规煤矿巷道三维点云信息地图建模方法得到的点云数据庞大而繁杂，运算量很大，因此提出了基于激光扫描和三维栅格地图的掘进机截割成形三维扫描系统和掘进巷道空间建模方法。将点云数据与三维栅格进行映射，将巷道空间划分为有限个栅格，构成巷道空间三维栅格地图，并将三维栅格地图划分为多个功能区域。通过三维扫描激光雷达坐标系与巷道坐标系的转换，实现了将激光雷达获取的点云数据转换为巷道外轮廓数据，来分析掘进机截割的超挖和欠挖误差。实验表明，当三维栅格边长设定为10 cm时，采用由截割成形巷道三维栅格地图建模方法得到的栅格地图指导掘进机自主截割作业，相比采用常规点云地图可减少84.7%的数据处理量，极大减轻了截割控制系统处理器的负担。研究结果为基于激光雷达三维扫描的掘进机自主截割作业系统的设计及应用提供了依据。
关键词： 掘进机;  激光扫描;  三维栅格;  空间建模;  掘进巷道    
Abstract:

The point cloud data obtained by conventional 3D point cloud information map modeling method for coal mine tunnels is large and complex, with a large amount of computation. Therefore, a 3D scanning system and a spatial modeling method for excavation tunnel based on laser scanning and 3D grid map were proposed. The 3D grid map of the tunnel space was formed through mapping point cloud data to a 3D grid and dividing the tunnel space into a finite number of grids, and the map was divided into multiple functional areas. By converting the 3D scanning lidar coordinate system to the tunnel coordinate system, the point cloud data obtained by lidar was converted into the outer contour data of the tunnel, in order to analyze the over excavation and under excavation errors of the cutting of the roadheader. The experiment showed that with a 3D grid edge length of 10 cm, when the grid map obtained by the cutting formed tunnel 3D grid map modeling method guided the automatic cutting operation of the roadheader, the data processing load could be reduced by 84.7% compared with the conventional point cloud map, which greatly reduced the burden of the cutting control system processor. The research results provide a basis for the design and application of an autonomous cutting operation system of roadheader based on lidar 3D scanning.
Key words: roadheader    laser scanning    3D grid    spatial modeling    tunneling roadway
收稿日期: 2022-09-13 出版日期: 2023-07-06
CLC:  TP 028.8  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51904142);辽宁省应用基础研究计划项目青年专项(2023JH2/101600061)
通讯作者: 刘治翔     E-mail: 13835843872@139.com;380357369@qq.com
作者简介: 刘少杰（1980—），男，山西兴县人，高级工程师，硕士，从事煤矿装备机电一体化技术研究，E-mail: 13835843872@139.com
服务　　
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
RSS
作者相关文章　　
刘少杰
李志海
刘治翔
邹康

引用本文:

刘少杰,李志海,刘治翔,邹康. 基于激光扫描和三维栅格地图的掘进巷道空间建模方法研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(3): 306-314.

Shaojie LIU,Zhihai LI,Zhixiang LIU,Kang ZOU. Research on spatial modeling method for excavation tunnels based on laser scanning and 3D grid map[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(3): 306-314.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.034    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I3/306

图1  掘进机截割误差示意
图2  掘进机三维扫描系统示意
图3  三维扫描激光雷达的距离分辨率
图4  巷道中各坐标系的设置
图5  激光雷达坐标系向巷道坐标系的转换
图6  巷道空间三维栅格地图示意
图7  巷道空间三维栅格地图建立过程示意
图8  激光雷达三维扫描系统测试装置
图9  激光雷达三维扫描实验现场
图10  激光雷达三维扫描实验流程
图11  模拟巷道环境的点云图
图12  截割成形巷道三维栅格地图
图13  栅格边长为200 mm时的截割成形巷道三维栅格地图
6 ZHANG X H， CHEN L， MA H W， et al. Virtual simulation and remote control system of mine driving robot［J］. Industrial and Mining Automation， 2016， 42 （12）： 78-83.
doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.017
7 杜雨馨，刘停，童敏明，等.基于机器视觉的悬臂式掘进机机身位姿检测系统［J］.煤炭学报，2016，41（11）：2897-2906.
DU Y X， LIU T， TONG M M， et al. Pose measurement system of boom-type roadheader based on machine vision［J］. Journal of China Coal Society， 2016， 41（11）： 2897-2906.
8 符世琛，成龙，陈慎金，等.面向掘进机的超宽带位姿协同检测方法［J］.煤炭学报，2018，43（10）：2918-2925.
FU S C， CHENG L， CHEN S J， et al. Ultra-wideband pose collaborative detection method of roadheader［J］. Journal of China Coal Society， 2018， 43（10）： 2918-2925.
9 杨林，马宏伟，王岩，等.煤矿巡检机器人同步定位与地图构建方法研究［J］.工矿自动化，2019，45（9）：18-24.
YANG L， MA H W， WANG Y， et al. Research on method of simultaneous localization and mapping of coal mine inspection robot［J］. Industrial Mining Automation， 2019， 45（9）： 18-24.
10 田慧卿，魏忠义.基于图像识别技术的煤岩识别研究与实现［J］. 西安工程大学学报，2012，26（5）：657-660. doi：10.3969/j.issn.1674-649X.2012.05.023
TIAN H Q， WEI Z Y. The research and implementation of coal and rock identification based on image recognition technology［J］. Journal of Xi'an University of Technology， 2012， 26（5）： 657-660.
doi: 10.3969/j.issn.1674-649X.2012.05.023
11 王苏彧，田劼，吴淼.纵轴式掘进机截割轨迹规划及边界控制方法研究［J］.煤炭科学技术，2016，44（4）：89-94，118.
WANG S Y， TIAN J， WU M. Study on cutting trace planning of longitudinal roadheader and boundary control method［J］. Coal Science and Technology， 2016， 44（4）： 89-94， 118.
12 伍小杰，孙新贺，刘贺，等.悬臂式掘进机远程监控系统设计［J］.煤 炭科学技术，2011，39（3）：87-90.
1 胡兴涛，朱涛，苏继敏，等.煤矿巷道智能化掘进感知关键技术［J］. 煤炭学报，2021，46（7）：2123-2135. doi：10.13225/j.cnki.jccs.JJ21.0583
HU X T， ZHU T， SU J M， et al. Key technology of intelligent drivage perception in coal mine roadway［J］. Journal of China Coal Society， 2021， 46（7）： 2123-2135.
doi: 10.13225/j.cnki.jccs.JJ21.0583
12 WU X J， SUN X H， LIU H， et al. Design on remote monitoring and control system of boom type mine roadheader［J］. Coal Science and Technology， 2011， 39（3）： 87-90.
13 田劼，王苏彧，穆晶，等.悬臂式掘进机空间位姿的运动学模型与仿真［J］.煤炭学报，2015，40（11）：2617-2622.
TIAN J， WANG S Y， MU J， et al. Spatial pose kinematics model and simulation of boom-type roadheader［J］. Journal of China Coal Society， 2015， 40（11）： 2617-2622.
14 刘治翔，谢苗，谢春雪，等.截割机构延迟特性对巷道断面成型精度影响分析［J］.煤炭学报，2020，45（3）：1195-1202.
LIU Z X， XIE M， XIE C X， et al. Effect of delay characteristics of cutting mechanism on forming accuracy of roadway section［J］. Journal of China Coal Society， 2020， 45（3）： 1195-1202.
15 吴廷，侯阳飞，鲍金.基于三维激光点云的隧道中轴线及断面连续提取［J］.测绘与空间地理信息，2018，41（11）：85-87. doi：10.3969/j.issn.1672-5867.2018.11.024
WU T， HOU Y F， BAO J. Continuous extraction of axis and section in tunnel based on 3D laser point cloud［J］. Geomatics & Spatial Information Technology， 2018， 41（11）： 85-87.
doi: 10.3969/j.issn.1672-5867.2018.11.024
16 韦武化.三维激光扫描技术运用于隧道断面变形测量［J］.北京测绘，2020，34（4）：561-565.
WEI W H. 3D laser scanning technique is applied to the measurement of tunnel section deformation［J］. Beijing Surveying and Mapping， 2020， 34（4）： 561-565.
17 虞伟家，王勇.基于移动三维激光扫描的盾构隧道监测技术［J］.交通科技与经济，2020，22（2）：77-80.
YU W J， WANG Y. Shield tunnel monitoring technology based on mobile 3D laser scanning［J］. Technology & Economy in Areas of Communications， 2020， 22（2）： 77-80.
18 万松.煤矿井下三维点云边缘检测及配准研究［D］.武汉：华中科技大学，2015：1-10.
WAN S. Research on edge detection and registration of 3D point cloud in coal mine ［D］. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2015： 1-10.
19 黄晓阳，栾元重，李雷，等.地面三维激光扫描技术应用于井架整体监测研究［J］.测绘地理信息，2012，37（5）：56-57.
HUANG X Y， LUAN Y C， LI L， et al. Whole monitoring of headframe using terrestrial 3D laser scanning technology［J］. Journal of Geomatics， 2012， 37（5）： 56-57.
20 陈强，胡士强，罗灵鲲，等.基于地面站辅助的无人机自主架线系统［J］.工程设计学报，2022，29（5）：634-642. doi：10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.076
CHEN Q， HU S Q， LUO L K， et al. UAV autonomous stringing system based on ground station assistance［J］. Chinese Journal of Engineering Design，2022， 29（5）： 634-642.
doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.076
2 张旭辉，杨文娟，薛旭升，等.煤矿远程智能掘进面临的挑战与研究进展［J］.煤炭学报，2022，47 （1）：579-597.
ZHANG X H， YANG W J， XUE X S， et al. Challenges and developing of the intelligent remote control on roadheaders in coal mine［J］. Journal of China Coal Society， 2022， 47（1）： 579-597.
3 毛君，董钰峰，卢进南，等.巷道掘进截割钻进先进技术研究现状及展望［J］.煤炭学报，2021，46（7）：2084-2099. doi：10.13225/j.cnki.jccs.JJ21.0887
MAO J， DONG Y F， LU J N， et al. Research status and prospect of advanced technology of roadway excavation cutting and drilling equipment［J］. Journal of China Coal Society， 2021， 46（7）： 2084-2099.
doi: 10.13225/j.cnki.jccs.JJ21.0887
4 刘志忠.突出软煤巷道掘进装备机器人化机构设计与分析研究［D］.沈阳：东北大学，2015：1-2.
LIU Z Z. Design and analysis of robotic mechanism of outburst soft coal roadway driving equipment［D］. Shenyang： Northeastern University， 2015： 1-2.
5 毛清华，陈磊，闫昱州，等.煤矿悬臂式掘进机截割头位置精确控制方法［J］.煤炭学报，2017，42（S2）：562-567.
MAO Q H， CHEN L， YAN Y Z， et al. Precise control method for cutting head position of coal mine cantilever roadheader［J］. Journal of China Coal Society， 2017， 42 （S2）： 562-567.
[1] 田立勇,孙业新,于宁,陈洪月,马春莹. 基于组合方式的掘进机导航系统研究[J]. 工程设计学报, 2022, 29(2): 254-262.
[2] 李晓豁, 史尚伟, 翁正洋, 钱亚森, 李岩, 杨梓嘉. 基于BP-GA的冲击破岩掘进机工作机构动态优化[J]. 工程设计学报, 2016, 23(4): 358-363.
[3] 毛 君,李 强,谢 苗,曹建南. 多目标优化软件开发及其应用[J]. 工程设计学报, 2015, 22(3): 262-268.
[4] 李祥松. TRIZ理论在掘进机截割头设计中的应用[J]. 工程设计学报, 2015, 22(3): 219-223.
[5] 李晓豁，郭娜，郑有山，王金兴，杨杰. 典型工况下冲击破岩掘进机工作机构力学特性研究[J]. 工程设计学报, 2014, 21(5): 439-443.
[6] 李晓豁, 何洋, 李婷, 杨婷婷. 纵轴式掘进机截割机构纵向随机振动的仿真研究[J]. 工程设计学报, 2013, 20(6): 495-500.
[7] 王想, 王清峰, 谭正生. 纵轴式截割头截齿布置对破岩载荷规律的影响[J]. 工程设计学报, 2012, 19(1): 39-42.
[8] 吴庆鸣, 李 勇, 周 超. 基于知识工程复杂产品开发过程的模型研究[J]. 工程设计学报, 2008, 15(5): 324-329.