基于机器视觉的矿井环境三维地图构建研究
发布时间：2021-02-09 05:09
随着煤炭开采深度的增加和开采环境的恶化,每年都会发生各类煤炭开采安全事故。为了提高事故救援的效率和安全性,研究人员研制了救援机器人可进入巷道参与救援行动。由于矿井巷道没有GPS信号,所以救援机器人在井下如何自主行走成为研究难点之一。自主导航和定位是实现机器人智能侦测和救援的关键技术,而巷道三维地图的构建又是自主导航和定位的基础,因此本文将SLAM（simultaneous localization and mapping）相关技术引入到井下巷道三维建图中,构建矿井巷道环境的三维地图,以保障机器人井下应急救援任务的顺利执行。高精度的点云是实现三维地图构建的基础。但是,点云地图的生成会因采集信息传感器的精度和外界噪声等原因造成较大的误差。点云配准的过程也会由于配准算法的精度和场景的增大而造成较大的累计误差。因描述太多细节,点云地图占据了较大的存储空间,且点云间是离散的,没有拓扑结构,以上原因导致点云地图难以满足救援机器人自主导航的需求。针对以上问题,本文采用可同时采集深度和彩色图像信息的RGB-D相机对外界环境信息进行采集,以更准确方便地获取点云信息。为了提高点云配准的精度和实时性,并考虑...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
煤矿巷道示意图
1绪论51.2.2矿井环境三维地图构建国内外研究现状传统的矿井三维地图构建是通过测量建模的方法实现的。这种方法先获取矿井的内部环境信息，然后交由专门的三维建模人员，他们通过数据的融合建立模型，并且对环境的细节进行映射刻画，这种方式类似于动漫人物的建模，巷道三维建模如图1-2所示[32]。图1-2巷道内部三维建模显示效果图Figure1-23Dmodelingofroadwayinteriordisplayeffectdiagram这种矿山三维地图建模是为了迎合矿山信息化的要求，这也是矿山最早的三维构建方式。矿井三维地图建模是在煤矿开采过程中，为了提高开采效率、提高管理水平和减少安全事故发展起来的一种技术，具有可以有效地预模拟煤矿井下通风、机电设备的安装，能够直观地向参观者展示地下巷道的走势等优点。其中国外比较出名的产品有英国MineralIndustriesComputingLimited(MICL)公司的Datamine、澳大利亚Maptek公司的Vulcan等，他们都提供了露天和地下的矿山三维构建的组件，大大提高了三维矿井环境的建模速度[32]。而国内的矿井环境三维建模发展的较晚，且大部分是引进国外的技术进行二次开发，其中应用比较多的有中国矿业大学吴立新教授团队在国外软件Titan基础上二次开发的GeoMo3D系统[33]，修改后适应了国内矿井的特殊情况。山东科技大学韩作振团队改进ARTP，提出了融合ARTP和TIN的巷道三维建模技术，并成功在阳煤集团新景矿应用[34]。但是这种方法不仅工作量大、对建模人员要求高，还无法满足救援机器人实时性要求，目前只能用于展示和教学。随着传感器技术的发展，研究拥有更多新型传感器设备对矿井环境进行地图构建。其中应用比较多的是激光雷达和RGB-D传感器。其中2003年美国卡梅隆大学的C.Baker等人研制的能够自主探测的矿井机器人Groundhog携带
工程硕士专业学位论文6术生成局部一致性地图[35]，如图1-3中(a)图所示。新南威尔士大学矿产与能源工程学院的S.Raval等人，提出一种便携式的矿井环境激光雷达三维地图构建系统[36]。为了应对矿井特征不明显和复杂特征情况，提高设备的扫描精度，S.Raval把IMU单元测量融入到激光雷达测量数据中。同时为了减少噪声的影响把统计离群点算法引入到系统中，减少离散点对建图精度的影响；利用时域子集减少IMU的累计误差，最终得到精度较高的三维点云地图，如图1-3中(b)图所示。(a)(b)图1-3激光雷达构建的三维点云地图Figure1-33Dpointcloudmapconstructedbylaserscanning北京矿冶研究总院在国家重点研发项目的支持下，针对煤矿采空区的问题，研发了基于三维激光雷达扫描的采空区三维激光扫描变形监测系统，该系统具有测量精度高、测量速度快、可远程控制且可以进行全面扫描等特点[37]。天河道云公司研制的手持式TDS100三维激光扫描仪，利用了SLAM技术与三维激光扫描技术，主要用于矿井的地图构建。与普通架站式扫描技术相比，此技术的工作效率是传统扫描仪的200倍，且具有可实现横向与纵向无死角扫描、重量轻等优点，该技术也运用在地下矿山无人机、机器人以及人工扫描等方面[38]。华中科技大学的杨彪在研究矿井巷道的三维重建时，根据煤矿巷道的特殊情况，团队把三维栅格法和点邻域统计滤波法相结合给三维点云数据滤波去噪。把PCL嵌入到文件管理系统中，能够对构建的三维矿井地图进行历史查询[39]。山东大学的王保岩把基于Kinect的矿井巷道三维构建与虚拟AR技术相结合，建立了一个矿井安全监测和实景漫游的系统，对于矿井的安全生产和教学有重大的意义[40]。1.3论文结构安排(Paperstructurearrangement)本文主要分为五章，各章
本文编号：3025101
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
煤矿巷道示意图
1绪论51.2.2矿井环境三维地图构建国内外研究现状传统的矿井三维地图构建是通过测量建模的方法实现的。这种方法先获取矿井的内部环境信息，然后交由专门的三维建模人员，他们通过数据的融合建立模型，并且对环境的细节进行映射刻画，这种方式类似于动漫人物的建模，巷道三维建模如图1-2所示[32]。图1-2巷道内部三维建模显示效果图Figure1-23Dmodelingofroadwayinteriordisplayeffectdiagram这种矿山三维地图建模是为了迎合矿山信息化的要求，这也是矿山最早的三维构建方式。矿井三维地图建模是在煤矿开采过程中，为了提高开采效率、提高管理水平和减少安全事故发展起来的一种技术，具有可以有效地预模拟煤矿井下通风、机电设备的安装，能够直观地向参观者展示地下巷道的走势等优点。其中国外比较出名的产品有英国MineralIndustriesComputingLimited(MICL)公司的Datamine、澳大利亚Maptek公司的Vulcan等，他们都提供了露天和地下的矿山三维构建的组件，大大提高了三维矿井环境的建模速度[32]。而国内的矿井环境三维建模发展的较晚，且大部分是引进国外的技术进行二次开发，其中应用比较多的有中国矿业大学吴立新教授团队在国外软件Titan基础上二次开发的GeoMo3D系统[33]，修改后适应了国内矿井的特殊情况。山东科技大学韩作振团队改进ARTP，提出了融合ARTP和TIN的巷道三维建模技术，并成功在阳煤集团新景矿应用[34]。但是这种方法不仅工作量大、对建模人员要求高，还无法满足救援机器人实时性要求，目前只能用于展示和教学。随着传感器技术的发展，研究拥有更多新型传感器设备对矿井环境进行地图构建。其中应用比较多的是激光雷达和RGB-D传感器。其中2003年美国卡梅隆大学的C.Baker等人研制的能够自主探测的矿井机器人Groundhog携带
工程硕士专业学位论文6术生成局部一致性地图[35]，如图1-3中(a)图所示。新南威尔士大学矿产与能源工程学院的S.Raval等人，提出一种便携式的矿井环境激光雷达三维地图构建系统[36]。为了应对矿井特征不明显和复杂特征情况，提高设备的扫描精度，S.Raval把IMU单元测量融入到激光雷达测量数据中。同时为了减少噪声的影响把统计离群点算法引入到系统中，减少离散点对建图精度的影响；利用时域子集减少IMU的累计误差，最终得到精度较高的三维点云地图，如图1-3中(b)图所示。(a)(b)图1-3激光雷达构建的三维点云地图Figure1-33Dpointcloudmapconstructedbylaserscanning北京矿冶研究总院在国家重点研发项目的支持下，针对煤矿采空区的问题，研发了基于三维激光雷达扫描的采空区三维激光扫描变形监测系统，该系统具有测量精度高、测量速度快、可远程控制且可以进行全面扫描等特点[37]。天河道云公司研制的手持式TDS100三维激光扫描仪，利用了SLAM技术与三维激光扫描技术，主要用于矿井的地图构建。与普通架站式扫描技术相比，此技术的工作效率是传统扫描仪的200倍，且具有可实现横向与纵向无死角扫描、重量轻等优点，该技术也运用在地下矿山无人机、机器人以及人工扫描等方面[38]。华中科技大学的杨彪在研究矿井巷道的三维重建时，根据煤矿巷道的特殊情况，团队把三维栅格法和点邻域统计滤波法相结合给三维点云数据滤波去噪。把PCL嵌入到文件管理系统中，能够对构建的三维矿井地图进行历史查询[39]。山东大学的王保岩把基于Kinect的矿井巷道三维构建与虚拟AR技术相结合，建立了一个矿井安全监测和实景漫游的系统，对于矿井的安全生产和教学有重大的意义[40]。1.3论文结构安排(Paperstructurearrangement)本文主要分为五章，各章
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