隨著煤炭開采深度的增加和開采環(huán)境的惡化,每年都會發(fā)生各類煤炭開采安全事故。為了提高事故救援的效率和安全性,研究人員研制了救援機(jī)器人可進(jìn)入巷道參與救援行動。由于礦井巷道沒有GPS信號,所以救援機(jī)器人在井下如何自主行走成為研究難點之一。自主導(dǎo)航和定位是實現(xiàn)機(jī)器人智能偵測和救援的關(guān)鍵技術(shù),而巷道三維地圖的構(gòu)建又是自主導(dǎo)航和定位的基礎(chǔ),因此本文將SLAM（simultaneous localization and mapping）相關(guān)技術(shù)引入到井下巷道三維建圖中,構(gòu)建礦井巷道環(huán)境的三維地圖,以保障機(jī)器人井下應(yīng)急救援任務(wù)的順利執(zhí)行。高精度的點云是實現(xiàn)三維地圖構(gòu)建的基礎(chǔ)。但是,點云地圖的生成會因采集信息傳感器的精度和外界噪聲等原因造成較大的誤差。點云配準(zhǔn)的過程也會由于配準(zhǔn)算法的精度和場景的增大而造成較大的累計誤差。因描述太多細(xì)節(jié),點云地圖占據(jù)了較大的存儲空間,且點云間是離散的,沒有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以上原因?qū)е曼c云地圖難以滿足救援機(jī)器人自主導(dǎo)航的需求。針對以上問題,本文采用可同時采集深度和彩色圖像信息的RGB-D相機(jī)對外界環(huán)境信息進(jìn)行采集,以更準(zhǔn)確方便地獲取點云信息。為了提高點云配準(zhǔn)的精度和實時性,并考慮... 

【文章來源】：中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：88 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

煤礦巷道示意圖

1緒論51.2.2礦井環(huán)境三維地圖構(gòu)建國內(nèi)外研究現(xiàn)狀傳統(tǒng)的礦井三維地圖構(gòu)建是通過測量建模的方法實現(xiàn)的。這種方法先獲取礦井的內(nèi)部環(huán)境信息，然后交由專門的三維建模人員，他們通過數(shù)據(jù)的融合建立模型，并且對環(huán)境的細(xì)節(jié)進(jìn)行映射刻畫，這種方式類似于動漫人物的建模，巷道三維建模如圖1-2所示[32]。圖1-2巷道內(nèi)部三維建模顯示效果圖Figure1-23Dmodelingofroadwayinteriordisplayeffectdiagram這種礦山三維地圖建模是為了迎合礦山信息化的要求，這也是礦山最早的三維構(gòu)建方式。礦井三維地圖建模是在煤礦開采過程中，為了提高開采效率、提高管理水平和減少安全事故發(fā)展起來的一種技術(shù)，具有可以有效地預(yù)模擬煤礦井下通風(fēng)、機(jī)電設(shè)備的安裝，能夠直觀地向參觀者展示地下巷道的走勢等優(yōu)點。其中國外比較出名的產(chǎn)品有英國MineralIndustriesComputingLimited(MICL)公司的Datamine、澳大利亞Maptek公司的Vulcan等，他們都提供了露天和地下的礦山三維構(gòu)建的組件，大大提高了三維礦井環(huán)境的建模速度[32]。而國內(nèi)的礦井環(huán)境三維建模發(fā)展的較晚，且大部分是引進(jìn)國外的技術(shù)進(jìn)行二次開發(fā)，其中應(yīng)用比較多的有中國礦業(yè)大學(xué)吳立新教授團(tuán)隊在國外軟件Titan基礎(chǔ)上二次開發(fā)的GeoMo3D系統(tǒng)[33]，修改后適應(yīng)了國內(nèi)礦井的特殊情況。山東科技大學(xué)韓作振團(tuán)隊改進(jìn)ARTP，提出了融合ARTP和TIN的巷道三維建模技術(shù)，并成功在陽煤集團(tuán)新景礦應(yīng)用[34]。但是這種方法不僅工作量大、對建模人員要求高，還無法滿足救援機(jī)器人實時性要求，目前只能用于展示和教學(xué)。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，研究擁有更多新型傳感器設(shè)備對礦井環(huán)境進(jìn)行地圖構(gòu)建。其中應(yīng)用比較多的是激光雷達(dá)和RGB-D傳感器。其中2003年美國卡梅隆大學(xué)的C.Baker等人研制的能夠自主探測的礦井機(jī)器人Groundhog攜帶

工程碩士專業(yè)學(xué)位論文6術(shù)生成局部一致性地圖[35]，如圖1-3中(a)圖所示。新南威爾士大學(xué)礦產(chǎn)與能源工程學(xué)院的S.Raval等人，提出一種便攜式的礦井環(huán)境激光雷達(dá)三維地圖構(gòu)建系統(tǒng)[36]。為了應(yīng)對礦井特征不明顯和復(fù)雜特征情況，提高設(shè)備的掃描精度，S.Raval把IMU單元測量融入到激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)中。同時為了減少噪聲的影響把統(tǒng)計離群點算法引入到系統(tǒng)中，減少離散點對建圖精度的影響；利用時域子集減少IMU的累計誤差，最終得到精度較高的三維點云地圖，如圖1-3中(b)圖所示。(a)(b)圖1-3激光雷達(dá)構(gòu)建的三維點云地圖Figure1-33Dpointcloudmapconstructedbylaserscanning北京礦冶研究總院在國家重點研發(fā)項目的支持下，針對煤礦采空區(qū)的問題，研發(fā)了基于三維激光雷達(dá)掃描的采空區(qū)三維激光掃描變形監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有測量精度高、測量速度快、可遠(yuǎn)程控制且可以進(jìn)行全面掃描等特點[37]。天河道云公司研制的手持式TDS100三維激光掃描儀，利用了SLAM技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)，主要用于礦井的地圖構(gòu)建。與普通架站式掃描技術(shù)相比，此技術(shù)的工作效率是傳統(tǒng)掃描儀的200倍，且具有可實現(xiàn)橫向與縱向無死角掃描、重量輕等優(yōu)點，該技術(shù)也運(yùn)用在地下礦山無人機(jī)、機(jī)器人以及人工掃描等方面[38]。華中科技大學(xué)的楊彪在研究礦井巷道的三維重建時，根據(jù)煤礦巷道的特殊情況，團(tuán)隊把三維柵格法和點鄰域統(tǒng)計濾波法相結(jié)合給三維點云數(shù)據(jù)濾波去噪。把PCL嵌入到文件管理系統(tǒng)中，能夠?qū)?gòu)建的三維礦井地圖進(jìn)行歷史查詢[39]。山東大學(xué)的王保巖把基于Kinect的礦井巷道三維構(gòu)建與虛擬AR技術(shù)相結(jié)合，建立了一個礦井安全監(jiān)測和實景漫游的系統(tǒng)，對于礦井的安全生產(chǎn)和教學(xué)有重大的意義[40]。1.3論文結(jié)構(gòu)安排(Paperstructurearrangement)本文主要分為五章，各章


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