技术摘要：
本发明提供一种基于三维激光点云的割煤顶板线提取方法，涉及煤矿智能开采领域。利用激光扫描仪，实时感知获取煤矿井下综采工作面激光点云数据，采取点云滤波、切片和基于空间形态提取特征点等技术手段，提取激光点云综采工作面采煤机当前刀的割煤顶板线，为优化下一刀  全部
背景技术：
近年来，随着科学技术的发展以及煤矿安全生产要求的提高，煤矿生产正在朝着 自动化以及智能化方向发展，采煤机调高也逐渐由人工就地控制方式向采煤机自动截割控 制方式进行转变。 目前，煤矿生产中，控制采煤机自动截割轨迹的方法主要是根据反馈或记忆信息 来调整采煤机截割轨迹。通常为，司机操纵采煤机沿工作面煤层先割一刀，通过传感器获取 当前刀采煤机的位置、牵引方向、牵引速度、左截割摇臂位置、右截割摇臂位置、采煤机横向 倾角、采煤机纵向倾角等具体参数存入计算机，从而为下一刀或下几刀采煤机截割行程提 供数据依据。如煤层条件发生变化，则需要通过多种传感器监测和采集信号，进行数据融合 后得到煤岩界面信息，采煤机根据此信息自动调高，同时记忆调整过的设备运行参数，作为 下一刀或下几刀采煤机调高的依据。 激光扫描技术，作为监测采煤机截割轨迹的重要手段，因其非接触、精度高、受烟 尘影响小等特点日益受到国内外煤矿领域专家学者重视，但由于激光点云数据存在的海量 性、离散性、冗余多的特点，目前煤矿生产中，往往只能将激光扫描仪作为一种监测设备，远 程获取工作面三维场景信息，无法利用激光点云数据的空间特征直接提取采煤机割煤顶板 线，即无法提供当前刀采煤机截割轨迹的反馈信息。
技术实现要素：
基于上述技术问题，本发明充分利用激光扫描仪优势提出了一种基于三维激光点 云的割煤顶板线提取方法。利用本发明的割煤顶板线提取技术，基于三维激光点云数据生 成当前刀割煤顶板线，为优化下一刀或几刀的采煤机的截割线和自适应调高提供依据。 一种基于三维激光点云的割煤顶板线提取方法，包括以下步骤： 如图1所示，x轴为激光扫描仪沿工作面运动的方向(前进方向为正)；y轴沿水平方 向且垂直于x轴，左侧为正；z轴沿垂直方向且垂直于x轴，上为正；ABB′A′表示煤壁，AA′D′D 表示割煤顶板，AA′表示需要提取的割煤顶板线。 步骤1：利用激光扫描仪沿综采工作面方向获取当前刀工作面围岩三维激光点云 数据和激光扫描仪的运动轨迹数据； 步骤2：读取激光点云，利用体素法进行滤波，移除点云中明显的噪声点和冗余点， 保证工作面空间特征的前提下，精简点云数据； 步骤3：沿激光扫描仪运动方向，按照预设厚度对工作面点云进行切片，利用投影 法，将每个点云切片附近的点都投影到该点云切片上，得到一组反映工作面特征的切片集 合，从而将工作面三维激光点云数据转化为二维点云切片集合； 3 CN 111583302 A 说　明　书 2/3 页 步骤4：循环遍历每个二维点云切片。 1)根据约束条件，控制y轴、z轴方向上的阈值，剔除冗余点，从而减少计算量；2)循 环遍历二维点云切片每个点，求取该切片上距离激光扫描仪最远的点，即为该切片的特征 点； 步骤5：连接每个二维点云切片得到的特征点，拟合出相应的割煤顶板线； 步骤6：所获割煤顶板线，导入透明工作面地质模型生成截割曲线输入采煤机，实 现采煤机滚筒的自适应调高和智能化控制。 进一步地，步骤3沿激光扫描仪运动轨迹x轴方向，取一定的厚度xδ，对激光点云进 行切片，利用投影法，每个切片点云定义每层的中间位置为该层的投影参考面，按照如下公 式，将该层内所有的点投影至该平面。 xi＝xmin xδ·(2i-1)/2,i＝1,2,…,n 式中，xi(i＝1,2,…,n)是一组平行于yoz平面、法矢指向x轴正向的平面集，xi表示 第i切片的参考投影面，xmin表示激光扫描仪运动的起始位置，xδ表示预设厚度，得到一组反 映工作面特征的切片集合，从而实现三维到二维的降维处理，避免了在庞大的数据上进行 复杂的计算，并且将从空间和时间两方面简化后续的运算。 进一步地，步骤4为提取割煤顶板线，需在每个切片为xi的点集中提取Ai这一特征 点，原始切片的点云数据量大，每层切片点云在表示剖切面轮廓时呈现冗余密集的状态，为 减少数据冗余、提高运算效率，本发明基于空间形态逐层对切片点云进行约束： (1)循环遍历每个二维点云切片，由于激光扫描仪的导轨与工作面近似平行，设定 激光扫描仪距煤壁水平距离为y0，距顶板距离为z0，通过设定y轴yμ和z轴方向上的阈值zμ， 约束点云切片在yoz平面的范围，从而判断给定的阈值与点云坐标值大小决定点是被删除 或保留，进而达到减少数据冗余、提高运算效率的目的。 (2)循环遍历二维点云切片每个点，假设该二维点云切片上任意一点用Pj表示，dj 表示点Pj到激光扫描仪轨道在yoz平面上的距离。当dj取最大值dmax时，此时的点Pj＝＝Ai (Ai为二维点云切片xi与割煤顶板线交点)即为特征点，保留该点；当dj非最大值时，则认为 该点处非特征点，删除该点。最后，将所有保留的点Ai连接到一起，形成新的点集合，即为割 煤顶板线。 本发明的有益效果是： 1、本发明方法针对煤矿井下三维激光点云数据存在信息量大、数据离散、冗余多 的特点，对海量点云数据进行精简，减少运算量，加快运行效率； 2、从点云特征信息提取的角度出发，获取了割煤顶板线，为采煤机自适应调高和 控制提供基础数据。 附图说明 图1示出综采工作面当前刀的激光点云数据示意图； 图2示出了根据本发明的一个实施例的割煤顶板线提取的示意框图； 图3示出了沿综采工作面方向的二维点云切片示意图。 4 CN 111583302 A 说　明　书 3/3 页