基于三维点云的液压支架群空间直线度测量与调整方法技术

本发明专利技术涉及一种基于三维点云的液压支架群空间直线度测量与调整方法，首先对液压支架群的空间直线度进行了定义，采用三维激光雷达获取液压支架的点云，并采用点云处理相关算法提取了液压支架的关键点集，利用最小二乘拟合空间直线并计算距离误差的方法实现了对液压支架群的空间直线度测量，同时提出了当煤层起伏变化不大的情况下，液压支架群空间直线度测量以及状态调整方法，以及当煤层起伏变化大的情况下，如何进行分段直线度的测量及调整方法，据此可以实现液压支架群直线度的精准测量以及精确调整。以及精确调整。以及精确调整。

【技术实现步骤摘要】
基于三维点云的液压支架群空间直线度测量与调整方法


[0001]本专利技术涉及煤矿综采工作面中液压支架群的直线度测量与调整方法，尤其涉及一种基于三维点云的液压支架群空间直线度测量与调整方法。

技术介绍

[0002]液压支架作为综采工作面中保证作业空间和安全生产的重要设备，它不仅为采煤机、刮板输送机等设备提供安全运行空间，同时也为工作面的顺利推进提供动力。在综采工作面较为理想的工况条件下，综采工作面应该是三直一平的状态，液压支架群必须保持一定的直线度，液压支架必须不断跟随刮板输送机向前推进起到支护的作用，从端头位置向尾部位置看去，支架群的侧面投影应完全重合，这样才能保证刮板输送机呈直线，从而保证采煤机的行走轨迹平直，切出来的煤壁平直。
[0003]申请号为CN201310492654.6 的专利技术专利，公开了一种煤矿工作面液压支架调直系统和调直方法，采用激光对位的直线度控制方法，主要是在液压支架间安装激光收发器来进行液压支架相对直线位置的测量，但这种方法只能测量液压支架在推移过程中的前后位置关系，无法做到对液压支架直线度的精确测量；申请号为 CN201710442811.0的专利技术专利，公开了一种基于多图像序列的井下液压支架组位姿及直线度测量方法，该专利技术基于二维视觉测量的液压直线度测量方法，利用巡检机器人采集液压支架上标识靶的图像信息，实现了对液压支架位姿及直线度的测量，但是二维视觉测量容易受井下光线，粉尘等干扰，测量精度无法保障。
[0004]申请号为CN202011187016.X的专利技术专利，公开了一种采煤工作面直线度控制方法，该专利技术在液压支架推进杆上安装激光雷达，在液压支架推进板面向雷达的一侧安装角反射器，用于检测推进板是否在同一平面上，从而实现液压支架的自动调节，该方法仍然利用的激光对位测距的方式，而且一次只能检测两三台液压支架的直线度，需要在每台支架上安装角反射器，而且要控制雷达和与推进板在同一直线上，操作较为复杂。
[0005]根据以上现有技术的记载，它们的缺陷主要存在于：一是对液压支架群的直线度测量研究还处于一维或二维阶段，没有考虑到煤层的起伏对于液压支架直线度的影响；二是为了获取信息都需要安装接收装置，在井下受到粉尘、落煤影响，接收装置的位置很容易受到影响，安装也需要大量的人力物力，三是对于直线度的调整缺乏信息，只能调整某个方向的偏差。在井下由于煤层底板起伏不平，浮煤松软，液压支架呈现阶梯状，单独采用三维空间中某一个方向来描述液压支架群的直线度不够准确，对于指导液压支架的状态调整也缺乏信息。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于三维点云的液压支架群空间直线度测量与调整方法，至少达到进一步提高直线度测量准确度的目的。
[0007]为解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
一种基于三维点云的液压支架群空间直线度测量与调整方法，包括：步骤一，定义液压支架群空间直线度；在三维空间内，对每台液压支架上选取关键点，得到其三维坐标，使用最小二乘法对液压支架群的关键点集进行三维空间直线拟合，得到一条理想空间直线，以此直线为基准，计算每个关键点到该直线的垂直距离，以最大距离作为半径、理想直线为轴线画出一个理想圆柱，该理想圆柱的包容区域是所有关键点，液压支架群的空间直线度等于该理想圆柱的直径；步骤二，液压支架群关键点数据采集；规定绝对坐标系位置，井下巡检机器人搭载三维激光雷达在综采工作面电缆槽布置的巡检轨道上行走，对液压支架进行扫描，从刮板输送机机头走到机尾，获取到液压支架群的三维点云，选取液压支架的立柱作为特征部位，通过点云下采样、滤波和分割算法提取液压支架立柱部位后求取质心，以立柱质心点作为关键点，得到液压支架群的三维关键点集；步骤三，煤层起伏不大时的液压支架群空间直线度测量以及状态调整；对步骤二中方法得到的关键点集按照步骤一中方法进行理想空间直线拟合，求出每台支架关键点距离理想空间直线的偏差，计算出液压支架群的空间直线度，并将每个关键点距离理想空间直线的偏差分解到x
‑
y、x
‑
z、y
‑
z三个平面内，分别计算每台液压支架的关键点连线组成的空间直线方程，求出每条直线与最小二乘中线在x
‑
y、x
‑
z、y
‑
z三个平面的空间夹角，根据角度与距离偏差进行液压支架状态调整处理；步骤四，煤层起伏较大时的液压支架群空间直线度测量以及状态调整；当煤层起伏变化大时，制定空间直线度分段策略，对采集的关键点进行区间划分，对每个区间的液压支架做与步骤三相同的直线度测量和调整。
[0008]进一步地，步骤二中，所述规定绝对坐标系位置在巡检机器人运行的起始点，x轴正方向表示液压支架沿着煤层走向的排列方向，y轴正方向朝向液压支架沿着煤层的推进方向，z轴正方向表示煤层的起伏变化，符合右手法则。
[0009]进一步地，步骤二中，所述液压支架群关键点数据采集的方法包括以下步骤：使用PCL（point cloud library）库对获取的液压支架群点云进行处理，采用体素网格滤波的方法对点云进行下采样，然后采用点云直通滤波器对点云划定研究范围为液压支架群，去除多余的点；选择液压支架立柱为特征部位，对液压支架群采用RANSAC圆柱体分割算法，根据立柱半径尺寸设置圆柱模型的半径范围，进行液压支架立柱提取，再次进行滤波去除噪声点；以立柱质心作为代表液压支架的关键点，分别计算每台支架立柱的质心坐标，如果是四柱式液压支架，则再计算左边两立柱质心的平均坐标（x
Li
，y
Li
，z
Li
）和右边两立柱质心的平均坐标（x
Ri
，y
Ri
，z
Ri
）；两柱式液压支架则无需计算；最终得到液压支架群的三维关键点集；其中：L表示液压支架左立柱，R表示液压支架右立柱，i表示第i台液压支架。
[0010]进一步地，步骤三中，煤层起伏变化不大的情况下，液压支架群空间直线度测量以及状态调整方法包括以下步骤：
根据步骤一中的空间直线度的定义，得到液压支架群的关键点集后，根据最小二乘法，计算关键点集的最小二乘中线，以该直线作为度量直线度的理想直线p，分别计算各台支架立柱质心点到理想直线p的空间距离d，在评定任意方向上液压支架群的空间直线度误差时，其包容区域是所有关键点以最小二乘中线为轴线的一个理想圆柱面，空间直线度等于其直径；将每台液压支架的两个立柱质心点（x
Li
，y
Li
，z
Li
）和（x
Ri
，y
Ri
，z
Ri
）连线，求出每台支架的空间直线方程l
i
；将空间距离d分别投影到x
‑
y、x
‑
z、y
‑
z三个平面上的距离为d
x
‑
y
、d
x
‑
z
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于三维点云的液压支架群空间直线度测量与调整方法，其特征在于，包括：步骤一，定义液压支架群空间直线度；在三维空间内，对每台液压支架上选取关键点，得到其三维坐标，使用最小二乘法对液压支架群的关键点集进行三维空间直线拟合，得到一条理想空间直线，以此直线为基准，计算每个关键点到该直线的垂直距离，以最大距离作为半径、理想直线为轴线画出一个理想圆柱，该理想圆柱的包容区域是所有关键点，液压支架群的空间直线度等于该理想圆柱的直径；步骤二，液压支架群关键点数据采集；规定绝对坐标系位置，井下巡检机器人搭载三维激光雷达在综采工作面电缆槽布置的巡检轨道上行走，对液压支架进行扫描，从刮板输送机机头走到机尾，获取到液压支架群的三维点云，选取液压支架的立柱作为特征部位，通过点云下采样、滤波和分割算法提取液压支架立柱部位后求取质心，以立柱质心点作为关键点，得到液压支架群的三维关键点集；步骤三，煤层起伏不大时的液压支架群空间直线度测量以及状态调整；对步骤二中方法得到的关键点集按照步骤一中方法进行理想空间直线拟合，求出每台支架关键点距离理想空间直线的偏差，计算出液压支架群的空间直线度，并将每个关键点距离理想空间直线的偏差分解到x
‑
y、x
‑
z、y
‑
z三个平面内；分别计算每台液压支架的关键点连线组成的空间直线方程，求出每条直线与最小二乘中线在x
‑
y、x
‑
z、y
‑
z三个平面的空间夹角，根据角度与距离偏差进行液压支架状态调整处理；步骤四，煤层起伏较大时的液压支架群空间直线度测量以及状态调整；当煤层起伏变化大时，制定空间直线度分段策略，对采集的关键点进行区间划分，对每个区间的液压支架做与步骤三相同的直线度测量和调整。2.根据权利要求1所述的基于三维点云的液压支架群空间直线度测量与调整方法，其特征在于：步骤二中，所述规定绝对坐标系位置在巡检机器人运行的起始点，x轴正方向表示液压支架沿着煤层走向的排列方向，y轴正方向朝向液压支架沿着煤层的推进方向，z轴正方向表示煤层的起伏变化，符合右手法则。3.根据权利要求2所述的基于三维点云的液压支架群空间直线度测量与调整方法，其特征在于：步骤二中，所述液压支架群关键点数据采集的方法包括以下步骤：使用PCL（point cloud library）库对获取的液压支架群点云进行处理，采用体素网格滤波的方法对点云进行下采样，然后采用点云直通滤波器对点云划定研究范围为液压支架群，去除多余的点；选择液压支架立柱为特征部位，对液压支架群采用RANSAC圆柱体分割算法，根据立柱半径尺寸设置圆柱模型的半径范围，进行液压支架立柱提取，再次进行滤波去除噪声点；以立柱质心作为代表液压支架的关键点，分别计算每台支架立柱的质心坐标，如果是四柱式液压支架，则再计算左边两立柱质心的平均坐标（x
Li
，y
Li
，z
Li
）和右边两立柱质心的平均坐标（x
Ri
，y
Ri
，z
Ri
）；两柱式液压支架则无需计算；最终得到液压支架群的三维关键点集；其中：L表示液压支架左立柱，R表示液压支架右立柱，i表示第i台液压支架。4.根据权利要求1、2或3所述的基于三维点云的液压支架群空间直线度测量与调整方
法，其特征在于：步骤三中，煤层起伏变化不大的情况下，液压支架群空间直线度测量以及状态调整方法包括以下步骤：根据步骤一中的空间直线度的定义，得到液压支架群的关键点集后，根据最小二乘法，计算关键点集的最小二乘中线，以该直线作为度量直线度的理想直线p，分别计算各台支架立柱质心点到理想直线p的空间距离d，在评定任意方向上液压支架群的空间直线度误差时，其包容区...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢嘉成，王彬彬，王学文，冯昭，李素华，郝梓翔，闫泽文，葛福祥，孟浩，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：