[發明專利]煤礦井下全工作面場景空間的數字化構建系統和方法

在審

• 申請號: 202011399540.3
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112612002A
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 南柄飛;王凱;郭志杰;榮耀;李首濱;李森;葉晨曦
• 申請（專利權）人: 北京天地瑪珂電液控制系統有限公司;北京煤科天瑪自動化科技有限公司
• 主分類號: G01S5/02
• 分類號: G01S5/02;G01V9/00;G07C1/20;H04W4/02;H04W4/30
• 代理公司: 北京信諾創成知識產權代理有限公司 11728
• 代理人: 任萬玲;楊仁波

1.一種煤礦井下全工作面場景空間的數字化構建系統，其特征在于，包括：

定點傳感器，設置于工作面機頭和機尾處的液壓支架頂板上，獲取定點空間數據；

巡檢傳感器，設置于巡檢行走機構上并沿巡檢行走機構的軌道行走，以獲取巡檢空間數據；

控制器，接收所述定點傳感器發送的定點空間數據和所述巡檢傳感器發送的巡檢空間數據，根據所述定點空間數據和所述巡檢空間數據得到全工作面場景空間的空間數據。

2.根據權利要求1所述的煤礦井下全工作面場景空間的數字化構建系統，其特征在于，還包括：

多個超寬帶基站，設置于工作面的不同位置處；

多個定位卡，設置在傳感器和地質測量設備中；

所述控制器，接收傳感器中的定位卡的位置坐標和地質測量設備中的定位卡的位置坐標，根據超寬帶定位技術對傳感器和地質測量設備的標定結果將空間數據和地質數據信息進行融合。

3.一種利用權利要求1或2所述的煤礦井下全工作面場景空間的數字化構建系統對煤礦井下全工作面場景空間進行構建的方法，其特征在于，包括如下步驟：

定點掃描數據獲取步驟：獲取定點傳感器掃描得到的工作面機頭和機尾處設定區域的空間數據；所述定點傳感器為安裝在工作面機頭和機尾處的傳感器；

巡檢掃描數據獲取步驟：獲取巡檢傳感器掃描得到的工作面中間區域的空間數據；所述巡檢傳感器為設置于巡檢行走機構上的傳感器，所述巡檢行走機構設置于所述工作面機頭和機尾之間；其中，所述巡檢傳感器行走至巡檢行走機構的軌道兩端時，自動將其掃描旋轉軸方向切換至與定點傳感器掃描旋轉軸平行的方向；

全工作面場景空間數據獲取步驟：在所述巡檢傳感器完成一個行程的工作面巡檢之后，將定點掃描數據獲取步驟得到的定點空間數據以及巡檢掃描數據獲取步驟得到的巡檢空間數據進行配準和拼接，以得到全工作面場景的空間數據。

4.根據權利要求3所述的煤礦井下全工作面場景空間的數字化構建方法，其特征在于，全工作面場景空間數據獲取步驟中，通過如下方式實現定點空間數據以及巡檢空間數據的配準：

獲取待配準的定點空間數據以及巡檢空間數據中所有點的表面法向量；其中，一個點的表面法向量是指該點所在正切平面的垂直向量；

檢測待配準的定點空間數據以及巡檢空間數據中的關鍵點；

獲取待配準的定點空間數據以及巡檢空間數據中每個關鍵點對應的特征描述子；其中，一個點的特征描述子是指該點鄰域內信息的高維度表示；

采用待配準的定點空間數據以及巡檢空間數據中每個關鍵點的特征描述子建立待配準的定點空間數據以及巡檢空間數據的關鍵點之間的匹配關系；

根據待配準的定點空間數據以及巡檢空間數據的關鍵點之間的匹配關系得到變換矩陣；

根據所述變換矩陣實現待配準的定點空間數據以及巡檢空間數據中所有點對的配準。

5.根據權利要求4所述的煤礦井下全工作面場景空間的數字化構建方法，其特征在于，根據所述變換矩陣實現待配準的定點空間數據以及巡檢空間數據中所有匹配點對的配準步驟包括：

步驟一：在原始數據坐標空間內建立轉換后的定點空間數據以及巡檢空間數據之間所有點對的匹配關系；

步驟二：針對轉換后的定點空間數據以及巡檢空間數據中所有匹配點對，建立匹配點對之間的誤差代價函數；

步驟三：使用優化求解器最小化誤差代價函數得到轉換后的定點空間數據以及巡檢空間數據中所有匹配點對之間的新變換矩陣；

步驟四：采用新變換矩陣將轉換后的定點空間數據進行更新，之后利用更新后的定點空間數據代入步驟一中繼續迭代，直至步驟二中誤差代價函數符合最小化誤差要求。

6.根據權利要求3-5任一項所述的煤礦井下全工作面場景空間的數字化構建方法，其特征在于，還包括如下步驟：

數據融合步驟：在工作面機頭和機尾設定區域處，應用超寬帶定位技術標定傳感器和地質測量設備，以實現全工作面場景空間數據和地質數據信息的融合。