一种巷道测量装置及使用方法

技术领域

本发明涉及巷道测量技术领域，尤其涉及一种巷道测量装置及使用方法。

背景技术

煤矿开采过程中有许多复杂的技术问题需要巷道测量来解决，如主巷道的定向与测量，掘进时中、腰线的给定，井下巷道贯通，弯道设置、竖井联测，井下场地开拓，回采定水平，矿量计算等，处处都离不测量。如果不经过精确测量，就随意开挖，有可能造成大量巷道作废，而且影响生产甚至会产生安全事故。因煤矿中含有瓦斯、粉尘等有爆炸极限的物质，煤矿井下所有的电气装置必须经过第三方测试且并通过防爆认证的要求；消费类手机、激光雷达、相机等摄录产品不允许在煤矿井下使用。

对煤矿巷道进行测量并构建出巷道实体模型，可以将二维抽象的地质信息以三维可视化的图形效果直观形象地表达出来，建立逼真的空间立体地质模型，并任意剖切地质体、对地质体进行三维交互信息查询等。可更高效地描述各种地质信息，如巷道的走向、巷道变形等；直观有效地表达矿井上下对应关系，从而迅速提高专业技术人员对巷道及地质体的认识，提高工作效率，发挥巷道测量的最大价值。也为煤矿合理开采、开采过程中的巷道及地质的变化等提供技术和数据支撑。

因此现有的巷道测量手段是基于人工采用防爆相机、地质罗盘、皮尺、经纬仪进行测量、计算和标定；需要专业的技术人员进行现场拍照，使用地质罗盘、皮尺和经纬仪进行测量记录，上井后再经过计算，手工绘图，最终录入计算机的GIS系统中，对整个矿区的开挖情况进行汇总查找。整个过程中耗费大量的人力、物力和时间。单点测量总时间约6～8分钟，整个面需要8～10个点，测量位置较高的点人工测量时间更长，综合计算整个面的测量时间约1小时。因采用技术人员手工测量计算，难免因个人疏忽造成偏差、错误。巷道迎头掘进过程中随时都存在塌的可能，需要进行快速测量和快速巷道支护，传统的测量手段时间较长测量人员风险较大。

公开号为CN111980751A的发明专利申请公开了一种便携式矿用巷道多源传感器扫描装置及施工方法，其通过陀螺仪确定位置，通过三维激光雷达和全景摄像头获取图像和尺寸数据，由此实现巷道的自动测量，然而由于掘进巷道无任何照明设备，导致全景相机无法清晰成像，因此很难还原到巷道的真实场景中，且该装置只能对巷道长度方向进行全景扫描和测量，无法精确测量巷道四壁的面，另外激光雷达基于光反射原理进行距离的测量，是有一定测量范围和测量角度的，对正对面的物体响应很好，对侧面的巷道壁响应不好，在煤矿巷道中拍摄装置正前方是没有目标物的黑洞，只有侧面有目标物即巷道四周的巷道壁，因此其使用激光测距的效果也不理想，另外该方案只能用于巷道的测量，还需要单独进行巷道变形量观测、巷道裂隙观测等工作，导致需要对同一巷道进行多次观测，消耗人力过多。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够自动获取巷道全景图像和空间尺寸数据的巷道测量装置及使用方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种巷道测量装置，包括伺服电机，所述伺服电机的输出轴上固定有扫描单元，所述扫描单元包括激光雷达和摄像头，所述扫描单元能够跟随输出轴转动，所述伺服电机封装于密封壳体内，密封壳体上固定有一透明罩体，所述扫描单元处于透明罩体内。

本发明通过激光雷达和摄像头可以获取视角内巷道四壁的图像和尺寸数据，通过伺服电机控制扫描单元转动完成巷道四壁一周的扫描，通过对一周扫描过程中装置不同姿态的不同角度扫描的图像和数据进行旋转合成能够获得当前位置一周的巷道数据，再通过对巷道分段进行扫描，可以完成巷道的测量工作，使用方便，精确度高，能够快速的完成巷道的测量，能够在2min内完成3m长度巷道断面测量，相比之前单个断面人工测量60min的时间，效率提高97％，而且操作简单，不需要专业测量人员，降低劳动时间和成本；通过密封壳体和透明罩体完成装置的封装，按照煤矿安全要求并控制电气性能，确保满足矿井产品的防爆要求；另外还能通过红外摄像头的图像获得巷道周边温度场的变化情况，发现隐伏的裂隙发育和瓦斯突出等情况，降低巷道的安全风险，还能根据摄像头和激光雷达图像的联合合成，能够连续观测同一测点位置巷道形态的变化，实现对巷道变形量的观测，不再需要单独观测变形量、裂隙、瓦斯泄漏等情况，降低工作量，保障施工安全。

优选的，所述扫描单元包括固定于输出轴上的安装架，所述安装架包括两个平行的安装板，所述安装板的法向与输出轴的轴向垂直，摄像头和激光雷达分别固定于两个安装板相互远离的侧面上，激光雷达的方向与摄像头相反。

优选的，前侧的所述安装板上还设置有补光灯。

优选的，所述摄像头包括至少一个红外摄像头和至少两个高清摄像头，所述补光灯能够提供红外光谱光源和可见光光源。

优选的，所述密封壳体具有可拆卸的盖板，所述盖板上设置有触控显示屏。

优选的，所述密封壳体内还设置有射频识别模块和电子罗盘，巷道内依次设置有记录位置的射频卡，所述射频识别模块能够读取射频卡的信息，所述电子罗盘能够识别自身的姿态信息。

优选的，所述密封壳体内还设置有煤安电池，所述煤安电池连接有主控制板，所述主控制板与用电器件电连接，所述扫描单元还设置有采集控制板。

优选的，所述密封壳体的底部设置有与巷道轨道配合的轨道轮。

优选的，所述轨道轮上设置有编码器，所述编码器的输入轴与轨道轮的轮轴配合。

优选的，所述红外摄像头的图像能够单独导出或上传。

本发明还提供了所述巷道测量装置的使用方法，包括

S1：设定伺服电机的单次旋转角度，以及旋转次数；

S2：待伺服电机测量完成后，上传激光雷达和摄像头的数据；

S3：将巷道测量装置移动到下一个测点，重复S1和S2，直到完成巷道的测量。

优选的，所述相邻测点沿巷道行进方向的距离满足：

L≤1.5*d*tan(FOV/2)

其中：L为相邻测点最大距离，d为巷道宽度，FOV为摄像头模组视场角。

优选的，摄像头和激光雷达固定于两个平行的安装板相互远离的一面上，安装板的法向与伺服电机的轴向垂直，固定摄像头的安装板上固定有补光灯，所述补光灯能够提供红外光谱和可见光光谱，所述摄像头包括红外摄像头和高清摄像头，红外光谱和可见光光谱间隔工作，红外摄像头与红外光谱同步工作，高清摄像头与可见光光谱同步工作。

优选的，还包括对巷道进行变形量观测的步骤：在巷道中设置起始位置标识点，使用巷道测量装置测量起始位置标识点的巷道三维数据，然后按照预设的间距沿巷道移动测量巷道内不同位置的三维数据，并进行记录，按预定周期进行持续观测，将相同位置的三维数据进行比对，如果巷道三维尺寸数据在预定时间内发生超限的变化，则认为存在超限的变形。

优选的，还包括通过红外摄像头进行巷道观测的步骤：提取每次测量中的红外摄像头数据，基于激光雷达构建巷道的温度场模型，分析每次观测中的温度场变化情况；

如果温度变化量处于预警阈值内，则正常观测；

如果温度场变化量超过预警阈值，低于极限阈值，则增加观测频率，如果连续多次测量均超过预警阈值，则对当前区域进行瓦斯泄漏检查；

如果温度场的变化量超过极限阈值，则对当前区域进行瓦斯泄漏检查。

本发明提供的巷道测量装置及使用方法的优点在于：通过激光雷达和摄像头可以获取视角内不同角度的巷道四壁的图像和尺寸数据，通过伺服电机控制扫描单元转动几次完成巷道一周的扫描，通过对装置姿态和不同角度的图像和尺寸数据进行叠加去重处理能够获得当前位置一周的巷道三维数据，再通过对巷道分段进行扫描，可以完成巷道的测量工作，使用方便，精确度高，能够快速的完成巷道的测量，能够在2min内完成3m长度巷道断面测量，相比之前单个断面人工测量60min的时间，效率提高97％，而且操作简单，不需要专业测量人员，降低劳动时间和成本；

通过对单独红外摄像头图像的合成，可以连续观测同一测点位置巷道周边温度场的变化，发现隐伏的瓦斯突出等重大隐患，降低了巷道施工的风险。通过对摄像头和激光雷达图像的联合合成，连续观测同一测点位置巷道形态的变化，可对巷道进行连续变化进行跟踪，及时发现巷道因应力和瓦斯突出导致的巷道变形及时的发现重大隐患，提高了煤矿生产作业的安全，而且不需要再单独针对裂隙发育和巷道变形进行观测，降低井下的作业量，提高生产效率。通过密封壳体和透明罩体完成装置的封装，确保满足矿井产品的防爆要求。通过补光灯为图像采集提供多光谱光线，通过射频识别定位，提高精度，通过电子罗盘获取装置姿态，不受摆放位置的影响；通过采集获取巷道的三维测量数据，为后期贯通，弯道设置、竖井联测、斜洞布设，井下场地开拓，回采定水平，矿量计算等提供了精确的指导，测量精度提高了可以节约成本，缩短建设和开采周期；采集的数据可以自动导入GIS系统或自动完成模型解析，减少了测量人员上井后再计算和手工录入GIS系统的工作量，提高了施工效率降低了成本；整个采集装置体积小巧，携带方便，适合矿井巷道使用；可以与其他矿用设备(如矿用智能综掘机、矿用智能钻机、矿用智能掘进机等)形成带有测量和开采自动控制的装置，大大扩展了应用方向。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的巷道测量装置的爆炸图；

图2为本发明的实施例提供的巷道测量装置的扫描单元的示意图；

图3为本发明的实施例提供的巷道测量装置在巷道内的使用状态示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种巷道测量装置，包括伺服电机1，所述伺服电机1的输出轴11上固定有扫描单元2，所述扫描单元2包括激光雷达21和摄像头22，所述扫描单元2能够跟随输出轴11转动，所述伺服电机1封装于密封壳体3内，密封壳体3上固定有一透明罩体4，所述扫描单元2处于透明罩体4内。

本实施例通过激光雷达21和摄像头22可以获取视角内巷道四壁的图像和尺寸数据，通过伺服电机1控制扫描单元2转动完成巷道一周的扫描，通过对旋转一周图像和尺寸数据进行旋转合成能够获得当前位置一周的巷道数据，再通过对巷道分段进行扫描，可以完成巷道的测量工作，使用方便，精确度高，能够快速的完成巷道的测量，能够在2min内完成3m长度巷道断面测量，相比之前单个断面人工测量60min的时间，效率提高97％，而且操作简单，不需要专业测量人员，降低劳动时间和成本；通过密封壳体3和透明罩体4完成装置的封装，确保满足矿井产品的防爆要求；另外还能通过红外摄像头的图像获得巷道周边温度场的变化情况，发现隐伏的裂隙发育和煤与瓦斯突出等情况，降低巷道的安全风险，还能根据摄像头和激光雷达图像的联合合成，能够连续观测同一测点位置巷道形态的变化，实现对巷道变形量的观测，不再需要单独观测变形量、裂隙、瓦斯泄漏等情况，降低工作量，保障施工安全。结合图2，所述扫描单元2还包括固定于输出轴11上的安装架23，所述安装架23包括两个平行的安装板231，所述安装板231的法向与输出轴11的轴向垂直，摄像头22和激光雷达21分别固定于两个安装板231相互远离的侧面上，激光雷达21的作用方向与摄像头22的视场方向相反，因此在后续的模型还原时需要对激光雷达21和摄像头22的数据进行角度匹配。前侧的安装板231上还设置有补光灯24，所述摄像头22包括至少一个红外摄像头和至少两个高清摄像头，所述补光灯24至少能够提供红外光谱光源和可见光光源。

再参考图1，所述密封壳体3上具有可拆卸的盖板32，所述盖板32上设置有触控显示屏33，通过触控显示屏33能够设置、控制和显示整个测量装置的工作状态。

所述密封壳体3内还设置有电子罗盘31和射频识别模块34，所述电子罗盘31能够获得自身的姿态信息，所述姿态信息包括俯仰角、方位角和横滚角；从而记录每一帧图片的角度，在后期对图像进行处理时进行角度修正，得到巷道全景模型，沿巷道走向依次设置有记录位置的射频卡，所述射频识别模块34能够读取射频卡的信息，通过电子罗盘31和射频识别模块34，能够记录每一个数据对应的测量装置位姿和位置，方便后期还原巷道模型，通过射频技术记录测量装置相对巷道的位置，防止因地理定位器件的误差导致的测量误差，提高准确度。

本实施例对整个测量装置进行小型化设计，扫描单元2直接固定在伺服电机1上，由伺服电机1驱动旋转测量，再加上电子罗盘31记录的角度信息，能够记录每次测量的倾斜角，以将完整的一周数据还原到空间内，由此在使用时，可以直接手持伺服电机1进行工作，从而能够在条件恶劣的环境下使用，如地面积水等情况。

所述密封壳体3内还设置有煤安电池35，所述煤安电池35连接有主控制板36，所述主控制板36与测量装置内的用电器件电连接，所述扫描单元2还设置有采集控制板25。所述主控制板36负责获取电子罗盘31、射频识别模块34的数据，协调采集控制板25的工作，所述采集控制板25能够控制摄像头22获取图像，控制激光雷达21测量距离，控制补光灯24进行工作，控制伺服电机1转动。在当前位置采集完毕后，采集控制板25将数据发送给主控制板26存储，所述主控制板36储存的数据可以通过访问存储器查看和处理，通过人工处理数据完成巷道测量，或者将输入导入GIS(Geographic Information System，地理信息系统)系统自动完成巷道测量，也可以在主控板上集成相应的处理程序，直接输出测量结果。

实施例二

参考图3，实施例一提供的巷道测量装置的使用方法如下：将测量装置放置在巷道的待测量位置，射频识别模块34读取射频卡信息记录装置位置，并将数据发送给主控制板36，主控制板36发送指令到采集控制板25，采集控制板25控制各器件开始工作，先把测量装置在某一测量点快速旋转一周进行距离测量，根据对一周不同角度测量的距离数据和电子罗盘采集的设备姿态数据，结合设备摄像头和激光雷达传感器的视场角进行角度校正，设定测量装置每次测量的旋转角度，本实施例中设置为30°，设备在此测点按照旋转角度对巷道进行全空间测量；采集控制板25控制伺服电机1转动至初始位置，通过高清摄像头测量环境光强，通过采集控制板中预设的程序，根据环境光强控制补光灯24功率和强度，开启补光灯24、红外摄像头、高清摄像头、激光雷达21，在测量中，补光灯24和对应的摄像头22是间歇工作的，开红外的补光灯的时候对应红外摄像头拍摄，开可见光补光灯的时候高清摄像头工作，以防止红外光谱和可见光光谱相互干扰。对应补光灯的亮度参数可以在当次开始测量前摄像头自动获取也可以手动设置。第一个位置测量结束，采集控制板25将保存的电机位置、红外摄像头和高清摄像头摄录的图像，激光雷达21测量的数据发送给主控板36。然后控制伺服电机1旋转到下一个位置进行测量，本实施例中的电机旋转角度为30°，旋转12次即可完成该位置的测量，总共旋转一周以上即可，角度越小，采样次数越多，测量精度越高。第一个测量点结束后，人工搬运转移测量装置到下一个测量点。每个测量位置结束主控板36根据伺服电机1旋转一周采集的数据进行全空间拼接形成一个巷道断面的三维数字模型；最终将整个测量过程获得的巷道断面拼合得到整个巷道的三维数字模型。

当前测点测试完成后各数据独立保存上井后由计算机合成，可对激光雷达、摄像头、姿态、旋转角度等多种数据进行联合合成，也可单独对摄像头数据和激光雷达数据进行合成。

相邻测点的测试时需保证两次测点测试距离需满足：L≤1.5*d*tan(FOV/2)，其中：L为相邻测点最大距离，d为巷道宽度，FOV为摄像头模组视场角。

实施例三

所述巷道测量装置还可以用于巷道变形测量，具体如下：在巷道中设置起始位置标识点，先把巷道测量装置测量起始点位置和巷道中标识位置进行校对，确认测量起始点，然后按照实施例二叙述方法进行单点测量，接着往前移动一段距离L，进行第二个点测量，前近距离优选为1～3米，如此往复测量直至单个巷道测量完毕。测量完成后对本次测量所有测点的数据合成、保存形成单个巷道单次的三维数字模型，每周期对上述巷道进行测量、合成、保存形成不同时间的相同位置巷道的多次测量数据，对相同位置的巷道的多次测量的三维数据进行比对分析，确定巷道的空间位置变化情况，进而确定巷道在开采过程中的变形情况，如果巷道三维尺寸数据在预定时间内发生超限的变化，则认为存在超限的变形，需要对变形情况进行处理，变形的极限值根据经验确定，变形量可通过切割突出部分、增加支护梁等方式进行处理。做到早发现早治理减少煤矿生产过程中的安全隐患；测量周期根据经验确定，一般3-10天测量一次，在不同的地质活跃期和生产阶段，可以根据经验调整测量频率。

实施例四

所述巷道测量装置还能够用于巷道瓦斯泄漏的监测，对每个测量点单独合成并保存巷道红外摄像头的数据，把巷道中多个测量点的红外摄像头测量的数据进行单独合并拼接，形成单条巷道的不同空间位置的红外光谱的三维数据，通过每隔一段时间对相同位置的巷道进行红外光谱数据测量、分析，可发现巷道在开采过程温度场随开采时间的变化情况，进而确认巷道侧壁瓦斯突出的情况及时发现开采过程中的隐患。煤体对瓦斯气体的解吸过程是一个吸热过程，解吸过程也是热量变化的过程。随着煤体解吸的同时对外吸收热量，从而使煤体的温度下降，因煤体吸附的气体不同，解吸过程中由于气体膨胀吸热以及解吸吸热造成的煤体温度下降幅度也不相同，煤体吸附不同瓦斯气体时解吸造成的温度下降幅度大小顺序依次为：CO

如果温度变化量处于预警阈值内，则正常观测；如果温度场变化量超过预警阈值，低于极限阈值，则增加观测频率，如果连续多次测量均超过预警阈值，则对当前区域进行瓦斯泄漏检查；如果温度场的变化量超过极限阈值，则对当前区域进行瓦斯泄漏检查。

本实施例中，所述预警阈值为2℃，极限阈值为5℃；通过观察相同巷道的相同位置前后两次红外光谱的两次红外测量数据发现，如果巷道整体的温度变化相较于第一次测量2度以内波动，即认为巷道温度场正常，若某个空间位置温度降低超过5度，应对此位置进行重点监测，并结合其他方法对此区域进行联合研判，找出温度异常原因并及时排除危险。如果巷道整体的温度场变化在2～5度应加大测量的频次，如果连续3次均超过2度且持续性上升或下降，应结合其他方法对此巷道进行综合研判，找出温度异常原因并及时排除危险。

实施例五

本实施例与上述实施例一的区别在于所述密封壳体3的底部还设置有轨道轮(图未示)，所述轨道轮能够沿巷道轨道行进，从而方便在有轨道或底面平坦的巷道内直接推动测量装置行进改变位置，所述轨道轮配合固定有编码器，从而方便计算运动距离，所述编码器与轨道轮同轴固定，或者与轨道轮的转轴通过同步带等传动结构连接，使编码器的输入轴能够跟随轨道轮转动，通过轨道轮提高测量装置的稳定性，提高测量效率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。