(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210465629.8 (22)申请日 2022.04.29 (71)申请人 中国煤炭科工集团太原研究院有限 公司 地址 030006 山西省太原市山西示范区科 技创新城科荟路1号 申请人 山西天地煤 机装备有限公司 　 煤炭科学研究总院 (72)发明人 高志强　郭治富　邓镓敏　阎志伟　 金江　刘伟立　赵永红　 (74)专利代理 机构 太原晋科知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 14110 专利代理师 任林芳　赵江艳 (51)Int.Cl. G06T 7/00(2017.01)G06T 7/10(2017.01) G06T 7/70(2017.01) G06V 10/762(2022.01) G06V 10/764(2022.01) G06K 9/62(2022.01) (54)发明名称 基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔 的定位方法和系统 (57)摘要 本发明属于锚杆机器人钻孔定位技术领域， 具体是一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢 带钻孔定位系统及方法， 方法包括以下步骤： S1、 通过激光扫描仪对巷道顶板钢带进行采样得到 采样云点信息； S2、 利用kd树法对采样云点信息 进行边界提取得到边界云点； S3、 根据欧式距离 聚类分割算法对边界云点进行分类后通过椭圆 拟合提取锚孔边界云点， 剔除钢带边界云点， 并 计算锚孔边界云点对应的拟合椭圆的中心坐标、 长轴和短轴； S4、 通过拟合椭圆的中心附近的云 点计算得到钻孔平面， 并将椭圆中心转化到钻孔 平面得到钻孔中心三维坐标； S5、 根据钻孔中心 三维坐标， 控制钻臂进行锚杆支护作业。 本发明 定位精度高， 可以实现锚护机 器人作业自动化。 权利要求书3页 说明书8页 附图5页 CN 114998212 A 2022.09.02 CN 114998212 A 1.一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法， 其特征在于， 包括以下步 骤： S1、 通过激光扫描仪对巷道 顶板钢带进行采样得到采样云点信息； S2、 利用kd树法对 采样云点信息进行边界提取 得到边界云点； S3、 根据欧式距离聚类分割算法对边界云点进行分类后通过椭圆拟合提取锚孔边界云 点， 剔除钢带边界云点， 并计算锚孔 边界云点对应的拟合椭圆的中心坐标、 长轴和短轴； S4、 通过拟合椭圆中心附近的云点确定钻孔平面， 并将椭圆中心转化到钻孔平面得到 钻孔中心三维坐标； S5、 根据钻孔中心三维坐标， 控制钻臂进行锚杆支护作业。 2.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法， 其 特征在于， 所述 步骤S2中， 进行边界提取的具体方法为： S201、 从采样 云点中选取一个云点 a， 设定k邻域， 找到云点 a周围最近的k个点的集合作 为第一邻域集合， 记为Nj(j＝0,1,2, …,k‑1)， 对点a和第一邻域集合Nj内的所有点云进行最 小二乘法拟合得到云点a的局部切平面； S202、 在云点a的局部切平面上建立平面坐标系， 以云点a到切平面投影a1为坐标原点， a1与N0在平面上的投影N0,1组成的向量为x轴， 局部切平面的法向量与x轴的叉乘为y轴建立 第一平面 坐标系， 将云点a和第一邻域 集合Nj内的点全部投影到第一平面 坐标系中； S203、 在第一平面坐标系中， 以云点a的投影a1为顶点， 向第一邻域集合Nj内的各个点在 第一平面坐标系中的投影作向量， 计 算任意相邻两个向量之间的夹角 θj， 若maxθj>θ， 则表示 云点a为边界点， 若max θj<θ， 则表示云点a不是边界， θ表示 最大夹角阈值； S204、 从采样云点中选取下一个点， 重复步骤S201～S203， 对所有云点进行判定， 得到 所有的边界云点 集合ai。 3.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法， 其 特征在于， 所述 步骤S203中， 最大夹角阈值的取值范围为： 4.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法， 其 特征在于， 所述 步骤S3中， 对边界云点进行分类的具体方法为： S301、 选取边界云点集合中的任意一点p放入聚类集Q1， 利用kd树找到边界云点集合ai 中距离云点p最近的k个点作为第二k邻域合集， 记作pi(i＝0,…,k‑1)； 计算云点p到第二k 邻域集合pi中的各个点的欧氏距离r， 将欧式距离小于聚类分割阈值rs的点放入聚类集 Q1； S302、 选取聚类集Qt中的一个云点q， 利用kd树找到边界云点集合ai的剩余云点中， 距离 云点q最近的k个点作为第三k邻域集合， 计算云点q到第三k邻域集合中的各个点的欧氏距 离， 将欧式距离小于聚类分割阈值的点 放入聚类集 Q1； S303、 选取聚类集 Q1中的下一个云点， 重复步骤S3 03， 直到聚类集 Q1中的点不再增加； S304、 在边界云点集合ai的剩余云点中继续选取任意一点放入聚类集Q2， 重复步骤S301 ～S304， 直到聚类集 Q2中的点不再增加； S305、 重复步骤S304、 直至所有边界云点都放入聚类集， 最终得到聚类集Q1、 Q2、……QT， T表示聚类集的个数。 5.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法， 其权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114998212 A 2特征在于， 所述 步骤S3中， 利用椭圆拟合 提取锚孔 边界， 剔除钢带边界的具体方法为： S306、 对其中一个聚类集Q1中的所有云点通过最小 二乘法拟合得到第一拟合平面， 以第 一拟合平面上任意一点为原点， 在原点任意向量作为坐标系x轴， 平面法向量与x轴叉乘作 为y轴建立第二平面坐标系， 将Qt中的所有云点投影到拟合平面上得到第二平面坐标系下 的坐标集 S307、 对坐标集 进行平面椭圆拟合， 计算拟合 误差G； S308、 对其它聚类集重复步骤S3 06～S307； S309、 判断各个聚类集Q1、 Q2、……QT是否为钻孔边界云点集， 判断依据为： 若 则 该聚类集 不是钻孔 边界云点 集， 剔除， 若 则该聚类集是钻孔 边界云点 集， 保留， 其中， G0表示拟合 误差阈值， N表示聚类集内的点云个数； S310、 对保留的聚类集， 通过拟合椭圆表达式计算拟合椭圆的椭圆中心、 长轴和短轴。 6.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法， 其 特征在于， 所述 步骤S307中， 拟合椭圆表达式为： A0x2+B0xy+C0y2+D0x+E0y+F0＝0； 式中， A0， B0， C0， D0， E0， F0为椭圆参数， 4A0C0‑B02>0， x， y分别表示横纵坐标； 拟合优化 函数表达式为： 拟合误差G的计算公式为： 其中， 表示坐标集 中第n个云点的坐标， N表示聚类集 Q1中的云点个数。 7.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法， 其 特征在于， 所述 步骤S4具体包括以下步骤： S401、 以拟合椭圆的中心为搜索中心， 以拟合椭圆长轴和短轴 的均值的m倍为搜索半 径， 利用kd树结构搜索 在此区域的云点 集ah(h＝1,2, …,H)， H表示ah内点的个数； S402、 由云点 集ah(h＝1,2, …,H)进行平面拟合得到钻孔平面， 拟合表达式为： 其中， A1， B1， C1， D1表示拟合平面参数， 拟合得到的钻孔平面方程为A1xh+B1yh+C1Zh+D1＝ 0； S403、 将步骤3中计算得到的椭圆中心坐标从椭圆拟合平面坐标系转化到钻孔平面坐 标系下， 得到钻孔中心坐标(x0， y0)， 钻孔平面坐标系以云点集ah(h＝1,2, …,H)中任意一点 为原点， 任意向量 为x轴， x轴与该平面法向量的叉乘为y轴； S404、 通过钻孔平面方程， 计算出钻孔中心三维坐标(x0， y0， z0)。 8.根据权利要求6所述的一种基于激光扫描仪的矿井巷道顶板钢带钻孔定位方法， 其 特征在于， 所述 步骤S403中， 坐标转 化的计算公式为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114998212 A 3