一种煤矿综采工作面地理特征采集系统及方法

技术领域

本发明涉及煤矿信息采集技术领域，具体为一种煤矿综采工作面地理特征采集系统及方法。

背景技术

煤矿对井下环境自动感知条件下的无人值守生产被煤炭生产企业所重视，各种环境数据检测传感器，如温度传感器、湿度传感器、瓦斯传感器、粉尘传感器等不断更新换代，体积与重量越来越轻便，能耗越来越低，近些年更是推出了由电池长期供电，并且带无线传输功能的各类型传感器。然而传感器以数据为载体提供的环境自动感知反馈与无人值守生产的对环境的要求，仍然存在较大的距离。

综采工作面是煤矿主要生产作业的场景，但是由于煤矿生产的特殊性，综采工作面又属于移动和临时性生产作业场景，处在地层以下。一直以来虽然煤炭生产企业高度重视生产安全，但由于作业现场的临时性，地质条件的复杂性、空间狭小、煤尘污染等不利因素影响，使得许多成熟的监控检测技术与装备不能在综采工作面使用，最终影响安全生产监控措施的落地落实环节。煤矿井下虽然已经在生产现场提供了全面的视频监控覆盖，但由于视频的呈现方式仍然以二维平面为主，缺乏对于煤矿井下环境的立体纵深的判断。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供了一种煤矿综采工作面地理特征采集系统及方法，采用基于UWB定位和陀螺仪运动定位的双重定位方法以及激光测距技术，通过可移动检测装置描绘图像的地理特征和截割煤壁特征，为煤矿安全生产在平面可视化基础上增加地理信息和三维距离信息，为煤矿工作面现场无人值守生产提供了所需完善安全生产的监控检测条件。

为实现上述目的，第一方面，本申请提供了一种煤矿综采工作面地理特征采集系统，包括设置在工作面沿线区域的检测装置和固定在工作面沿线区域的若干UWB定位基站，所述检测装置包括：

图像采集设备，用于采集工作面沿线区域的图像信息；

对称设置在所述图像采集设备两侧的水平旋转激光测距设备和垂直旋转激光测距设备，用于在图像信息范围内测量图像各处到检测装置的距离；

设置在检测装置中间位置的陀螺仪，用于在检测装置连续工作的条件下为检测装置提供定位数据；

对称设置在所述图像采集设备两侧的UWB定位设备，用于在检测装置连续工作的间隙为检测装置提供定位数据。

第二方面，本发明提供一种煤矿综采工作面地理特征采集方法，所述特征采集方法包括：

在工作面沿线区域放置全站仪，并全站仪为坐标原点建立坐标系；

测量若干UWB定位基站相对坐标原点的坐标P

计算两个UWB定位设备相对坐标原点的坐标；

计算检测装置在初始位置的姿态数据和初始位置坐标；

根据陀螺仪检测确定检测装置在连续工作时相对于初始位置的姿态变化数据和位置变化数据；

通过图像采集设备，拍摄工作面沿线区域的地理特征图像并生成图像信息，所述图像信息包括图像RGB信息、图像采集设备的位置坐标P(X，Y，Z)和陀螺仪的姿态θ(α，β，γ)；

通过水平旋转激光测距设备和垂直旋转激光测距设备测量检测装置在不同位置处与煤壁、顶板和底板的距离信息得到煤壁、底板与顶板的不同位置在坐标系中的坐标；

依据煤壁、底板与顶板的不同位置在坐标系中的坐标以及图像信息生成煤矿综采工作面地理特征图像和点云模型。

优选地，所述计算检测装置在初始位置的姿态数据和初始位置坐标包括根据两个UWB定位设备的初始位置坐标计算检测装置的初始位置坐标，以两个UWB定位设备的初始位置坐标连线与坐标系各轴的夹角作为检测装置在初始位置的姿态数据。

优选地，所述根据陀螺仪检测确定检测装置在连续工作时相对于初始位置的姿态变化数据和位置变化数据包括：根据陀螺仪的横滚角和俯仰角变化确定检测装置在连续工作时相对于初始位置的姿态变化数据；以及，根据陀螺仪的位移变化确定检测装置在连续工作时相对于初始位置的位置变化数据。

优选地，所述通过水平旋转激光测距设备和垂直旋转激光测距设备测量检测装置在不同位置处与煤壁、顶板和底板的距离信息包括：当检测装置在垂直方向运动时，通过水平旋转激光测距设备测量检测装置到煤壁、顶板和底板的距离信息；

当检测装置在水平方向运动时，通过垂直旋转激光测距设备测量检测装置到煤壁、顶板和底板的距离信息。

优选地，所述煤壁、底板与顶板的不同位置在坐标系中的坐标的计算公式为：

优选地，所述测量若干UWB定位基站相对坐标原点的坐标P

优选地，所述计算两个UWB定位设备相对坐标原点的坐标包括：

测量检测装置上每个UWB定位设备与至少三个UWB定位基站之间的距离D；

以每个参与定位的UWB定位基站为球心，以D为半径绘制球面，则所有球面的交点即为检测装置上UWB定位设备的位置；

通过此交点到任意一个参与定位的UWB定位基站的距离D及与坐标系夹角θ(α，β，γ)，根据式P＝P

通过墙壁排除的逻辑，排除在煤矿未开采区域和待采区域的坐标，保留检测装置上UWB定位设备在工作面沿线区域的坐标；

如果检测装置上的每个UWB定位设备在工作面沿线区域的坐标信息仍不唯一，则检测装置改变位置重新定位，直到检测装置上的每个UWB定位设备在工作面沿线区域的坐标信息唯一。

优选地，所述计算检测装置在初始位置的姿态数据和初始位置坐标包括：

将两个UWB定位设备的初始坐标连线，与坐标系方向的夹角即为移动检测装置在初始状态下的姿态数据，两个初始坐标间连线中点的坐标即为移动检测装置在初始状态下的初始位置坐标。

优选地，所述依据煤壁、底板与顶板的不同位置在坐标系中的坐标以及图像信息生成煤矿综采工作面地理特征图像和点云模型包括依据全景图像算法和三维激光点云成像算法生成煤矿综采工作面地理特征图像和点云模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的煤矿综采工作面地理特征采集方法，采用基于UWB定位和陀螺仪运动定位的双重定位方法以及激光测距技术，通过可移动检测装置描绘图像的地理特征和截割煤壁特征，为煤矿安全生产在平面可视化基础上增加地理信息和三维距离信息，为煤矿工作面现场无人值守生产提供了所需完善安全生产的监控检测条件。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请了解本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明一种煤矿综采工作面地理特征采集系统结构示意图；

图2为本发明一种煤矿综采工作面地理特征采集方法的流程框图。

图中：1、UWB定位基站；2、光纤；3、检测装置；A、未开采区域；C、工作面沿线区域；D、待采区域。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

如图1所示，本发明提供的第一种实施例，第一方面，本申请提供了一种煤矿综采工作面地理特征采集系统，所述特征采集系统包括设置在工作面沿线区域C的检测装置3和固定在工作面沿线区域C的若干UWB定位基站1，其中，工作面沿线区域C位于煤矿未开采区域A和待采区域D之间，检测装置3可在综采工作面沿线内移动，若干UWB定位基站1之间通过光纤2进行连接，所述检测装置3包括：图像采集设备，用于采集工作面沿线区域C的图像信息；

对称设置在所述图像采集设备两侧的水平旋转激光测距设备和垂直旋转激光测距设备，用于在图像信息范围内测量图像各处到检测装置3的距离；

设置在检测装置3中间位置的陀螺仪，用于在检测装置3连续工作的条件下为检测装置3提供定位数据；

对称设置在所述图像采集设备两侧的UWB定位设备，用于在检测装置3连续工作的间隙为检测装置3提供定位数据。

具体的，检测装置3设备在水平方向从左至右分别布置有第一个UWB定位设备、水平旋转激光测距设备、图像采集设备、垂直旋转激光测距设备、第二个UWB定位设备；检测装置3设备在垂直方向从上至下分别布置陀螺仪和图像采集设备。

煤矿综采工作面地理特征采集系统综合低功耗传感器、激光雷达、陀螺仪、云台摄像机、UWB超宽带室内定位技术，实现了综采工作面无人值守生产所需的三维地理特征和截割煤壁可视化描述。

第二方面，本发明提供一种煤矿综采工作面地理特征采集方法，所述特征采集方法包括：

S1、在工作面沿线区域放置全站仪，并全站仪为坐标原点建立坐标系；

S2、测量若干UWB定位基站1相对坐标原点的坐标P

S3、计算两个UWB定位设备相对坐标原点的坐标；

S4、计算检测装置3在初始位置的姿态数据和初始位置坐标；

S5、根据陀螺仪检测确定检测装置3在连续工作时相对于初始位置的姿态变化数据和位置变化数据；

S6、通过图像采集设备，拍摄工作面沿线区域C的地理特征图像并生成图像信息，所述图像信息包括图像RGB信息、图像采集设备的位置坐标P(X，Y，Z)和陀螺仪的姿态θ(α，β，γ)；

S7、通过水平旋转激光测距设备和垂直旋转激光测距设备测量检测装置3在不同位置处与煤壁、顶板和底板的距离信息得到煤壁、底板与顶板的不同位置在坐标系中的坐标；

S8、依据煤壁、底板与顶板的不同位置在坐标系中的坐标以及图像信息生成煤矿综采工作面地理特征图像和点云模型。其中，所述计算检测装置3在初始位置的姿态数据和初始位置坐标包括根据两个UWB定位设备的初始位置坐标计算检测装置3的初始位置坐标，以两个UWB定位设备的初始位置坐标连线与坐标系各轴的夹角作为检测装置3在初始位置的姿态数据。所述根据陀螺仪检测确定检测装置3在连续工作时相对于初始位置的姿态变化数据和位置变化数据包括：根据陀螺仪的横滚角和俯仰角变化确定检测装置3在连续工作时相对于初始位置的姿态变化数据；以及，根据陀螺仪的位移变化确定检测装置3在连续工作时相对于初始位置的位置变化数据。所述通过水平旋转激光测距设备和垂直旋转激光测距设备测量检测装置3在不同位置处与煤壁、顶板和底板的距离信息包括：当检测装置3在垂直方向运动时，通过水平旋转激光测距设备测量检测装置3到煤壁、顶板和底板的距离信息；

当检测装置3在水平方向运动时，通过垂直旋转激光测距设备测量检测装置3到煤壁、顶板和底板的距离信息。

优选地，所述煤壁、底板与顶板的不同位置在坐标系中的坐标的计算公式为：

优选地，所述测量若干UWB定位基站1相对坐标原点的坐标P

优选地，所述计算两个UWB定位设备相对坐标原点的坐标包括：测量检测装置3上每个UWB定位设备与至少三个UWB定位基站之间的距离D；以每个参与定位的UWB定位基站1为球心，以D为半径绘制球面，则所有球面的交点即为检测装置3上UWB定位设备的位置；通过此交点到任意一个参与定位的UWB定位基站1的距离D及与坐标系夹角θ(α，β，γ)，根据式P＝P

优选地，所述计算检测装置3在初始位置的姿态数据和初始位置坐标包括：将两个UWB定位设备的初始坐标连线，与坐标系方向的夹角即为移动检测装置3在初始状态下的姿态数据，两个初始坐标间连线中点的坐标即为移动检测装置3在初始状态下的初始位置坐标。

优选地，所述依据煤壁、底板与顶板的不同位置在坐标系中的坐标以及图像信息生成煤矿综采工作面地理特征图像和点云模型包括依据目前公开的全景图像算法和三维激光点云成像算法生成煤矿综采工作面地理特征图像和点云模型。

工作原理：本发明提供的煤矿综采工作面地理特征采集方法采用基于UWB定位和陀螺仪运动定位的双重定位方法以及激光测距技术，通过可移动检测装置3描绘图像的地理特征和截割煤壁特征，为煤矿安全生产在平面可视化基础上增加地理信息和三维距离信息，为煤矿工作面现场无人值守生产提供了所需完善安全生产的监控检测条件。

在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。其中，存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(Static RandomAccess Memory,简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory,简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(ErasableProgrammable Read Only Memory,简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Red-Only Memory,简称PROM)，只读存储器(Read-OnlyMemory,简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。