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专利名称：一种矿用移动式巷道断面检测系统及检测方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111515259.6

专利申请（专利权）人：中煤科工集团沈阳研究院有限公司,中煤科工机器人开云优惠体育网页版入口有限公司
权利人地址：辽宁省抚顺市沈抚示范区滨河路11号

专利发明（设计）人：发明人:王雷,王新铭,张维娜,姜宇,许国峰,崔明明

专利摘要：本发明公开了一种矿用移动式巷道断面检测系统，包括主体机架、驱动电机、主动轴联轴器、主动轮组件、从动轮组件、回转机构、角位移传感器、横向支架、横向扫描仪、舵机组件、纵向扫描仪和控制箱，本发明同时公开了一种矿用移动式巷道断面系统的检测方法。本发明的检测系统能够搭载在矿车、猴车、绞车现有矿方设施上，组成行走式矿用巡检装置，通过绳索/矿车的牵引，完成检测系统的运动。同时，利用该检测方法可以对巷道形变进行智能监测，代替人工巡检，降低劳动强度，提高生产效率。

主权利要求：
1.一种矿用移动式巷道断面检测系统，其特征在于，该检测系统包括：主体机架；
驱动电机，所述驱动电机与减速机相连接，且所述驱动电机通过安装板安装在所述主体机架上；
主动轴联轴器，主动轴连接器的顶端与所述驱动电机输出轴相连接；
主动轮组件，与所述主动轴联轴器的底端相连接；
从动轮组件，通过皮带与所述主动轮组件相连接，所述驱动电机经由主动轴联轴器带动主动轮组件进行转动，主动轮组件通过皮带带动从动轮组件进行转动；
回转机构，通过回转机构支架安装在所述主体机架上，回转机构上方通过第一轴承组件与主体机架连接，回转机构下方通过第二轴承组件与从动轮组件连接，通过从动轮组件旋转带动第二轴承组件及回转机构旋转；
角位移传感器，安装在回转机构上方，同回转机构一同旋转，实时测量回转机构旋转角度；
横向支架，安装在所述回转机构前方；
横向扫描仪，安装在所述横向支架前方，回转机构转动从而带动横向支架及横向扫描仪沿水平圆周方向转动；
舵机组件，固定在横向支架背部，舵机组件与垂直摆臂连接，垂直摆臂另一端与纵向支架连接；
纵向扫描仪，固定安装在纵向支架前方，舵机组件驱动垂直摆臂沿纵向摆动，从而带动纵向支架和纵向扫描仪垂直方向转动；
控制箱，安装在主体机架内侧，在控制箱内部设有控制系统。
2.如权利要求1所述的一种矿用移动式巷道断面检测系统，其特征在于，在所述横向支架上还安装有环境补光环形光源，用于横向扫描仪和纵向扫描仪工作的辅助照明。
3.如权利要求1所述的一种矿用移动式巷道断面检测系统，其特征在于，在所述主体机架上设有主连接法兰。
4.如权利要求1所述的一种矿用移动式巷道断面检测系统，其特征在于，所述横向扫描仪和纵向扫描仪均采用矿用激光扫描仪。
5.如权利要求1所述的一种矿用移动式巷道断面检测系统，其特征在于，所述控制系统包括本安电源、ARM单片机、数据采集终端和无线传输端口；
所述ARM单片机分别采用I/O口电连接横向扫描仪、纵向扫描仪、数据采集终端和无线传输端口，通过ARM单片机分别控制横向扫描仪、纵向扫描仪、数据采集终端和无线传输端口的工作状态；
所述ARM单片机采用PWM1电连接舵机组件，控制舵机组件的旋转角度；
所述ARM单片机采用PWM2电连接驱动电机，控制驱动电机的旋转速度和方向；
所述ARM单片机采用RS232电连接角位移传感器，角位移传感器对回转机构旋转角度的信号采集；
所述横向扫描仪和纵向扫描仪采用RS485电连接数据采集终端，用于扫描数据的采集和存储；
所述数据采集终端采用RS232电连接无线传输端口，数据采集终端通过无线传输端口与地面监控中心无线连接，完成采集数据的无线传输；
所述本安电源电连接舵机组件、驱动电机及减速机、角位移传感器、ARM单片机、横向扫描仪、纵向扫描仪、数据采集终端和无线传输端口。
6.如权利要求5所述的一种矿用移动式巷道断面检测系统，其特征在于，所述ARM单片机的型号为STM32F103。
7.如权利要求1?6中任意一项所述的一种矿用移动式巷道断面检测系统的检测方法，其特征在于，具体通过以下步骤实现：
1）数据采集
通过横向扫描仪和纵向扫描仪分别在巷道内进行横向和纵向两个方向扫描，其中纵向扫描仪，用于测量被测物体距离纵向扫描仪的激光发射器的距离；横向扫描仪用于确定矿用移动式巷道断面检测系统当前前进方向以及检测巷道内前进方向上主要特征点的标定；
控制箱内的数据采集终端实时采集纵向扫描仪和横向扫描仪的扫描数据；
2）数据处理及三维建模
巷道变形监测采用数据后处理方式实现，在矿用移动式巷道断面检测系统完成一次测量过程后返回机电硐室，控制箱内的数据采集终端通过无线传输端口将数据远程传输给地面监控中心；
将纵向扫描仪的采集数据定义为扫描信息数据，将横向发扫描仪的采集数据定义为位置信息数据，将上述两种数据按照时间标签进行匹配，形成巷道轮廓数据；
在进行巷道形变三维建模过程中，以矿用移动式巷道断面检测系统前进方向为Y轴，巷道宽度方向为X轴，巷道垂直方向为Z轴，其中，将纵向扫描仪采集到的扫描信息数据用(X,Z,Time)来表示，表示当前时间纵向扫描仪的激光中心点位置到巷道四周的位置信息；将横向扫描仪采集到的位置信息数据用（Y，TIME）来表示，表示当前时间横向扫描仪的激光中心点在巷道前进方向中的位置信息，建立坐标系；
通过将纵向扫描仪采集到的扫描信息数据以及横向扫描仪采集到的位置信息数据按照时间点匹配，形成当前矿用移动式巷道断面检测系统所在位置巷道轮廓的(X、Y、Z）数据；
通过将所有时间点位置轮廓数据进行统一三维建模处理，形成整个巷道的三维轮廓数据，通过对比不同扫描时间的巷道轮廓，结合巷道设计图纸，将不同扫描时间巷道内三维点云进行叠加处理；
通过对比不同时间段测量距离与巷道原始设计资料，将不同时间的巷道形变采用不同颜色表示形变距离进行巷道形变监控，对发生较大形变情况进行报警。
8.如权利要求7所述的一种矿用移动式巷道断面检测系统的检测方法，其特征在于，所述步骤1）中主要特征点具体为横向扫描仪和纵向扫描仪在巷道壁上水平扫描和垂直扫描的交叉点。 说明书 : 一种矿用移动式巷道断面检测系统及检测方法技术领域[0001] 本发明涉及矿井巷道巡检系统技术领域，特别涉及一种矿用移动式巷道断面检测系统及检测方法。背景技术[0002] 在矿井回风巷道中，由于受到邻近工作面的侧压以及本工作面采动超前支撑压力的叠加影响，巷道围岩剧烈变形，不仅影响矿井的正常生产，更严重则会造成煤矿安全事故，因此对回风巷道需要经常检测。[0003] 专利授权公告号CN210923957U提到一种全自动智能全断面检测系统，通过在固定三脚架上架设检测终端，其检测终端包括可编程逻辑控制器，用于实时现场采集数据，此数据经过无线通讯传输给控制终端。[0004] 专利授权公告号CN101975571B提到的一种巷道变形的自动实时监测方法，利用在断面设置固定标志点，固定架架设矿用摄像探头，观测开始后，摄像探头实时采集被测巷道段视频图像，上传至计算机监测中心，实时显示被测巷道段的图像。[0005] 上述检测手段及测量设备存在问题如下：[0006] (1)检测装备终端都是固定式，不能移动做到全面地长距离的断面检测。[0007] (2)通过对固定点粘贴固定标志，来识别巷道点位变化信息，数据量不足，缺乏对断面当前情况的精准判断。[0008] (3)现有的方法与仪器仍需人工干预，在灾害严重的巷道段观测时人员安全性差。发明内容[0009] 针对上述技术问题，本发明提出了一种矿用移动式巷道断面检测系统及检测方法。该检测系统能够搭载在矿车、猴车、绞车现有矿方设施上，组成行走式矿用巡检装置，通过绳索/矿车的牵引，完成检测系统的运动。同时，利用该检测方法可以对巷道形变进行智能监测，代替人工巡检，降低劳动强度，提高生产效率。[0010] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现：一种矿用移动式巷道断面检测系统，该检测系统包括：[0011] 主体机架；[0012] 驱动电机，所述驱动电机与减速机相连接，且所述驱动电机通过安装板安装在所述主体机架上；[0013] 主动轴联轴器，主动轴连接器的顶端与所述驱动电机输出轴相连接；[0014] 主动轮组件，与所述主动轴联轴器的底端相连接；[0015] 从动轮组件，通过皮带与所述主动轮组件相连接，所述驱动电机经由主动轴联轴器带动主动轮组件进行转动，主动轮组件通过皮带带动从动轮组件进行转动；[0016] 回转机构，通过回转机构支架安装在所述主体机架上，回转机构上方通过第一轴承组件与主体机架连接，回转机构下方通过第二轴承组件与从动轮组件连接，通过从动轮组件旋转带动第二轴承组件及回转机构旋转；[0017] 角位移传感器，安装在回转机构上方，同回转机构一同旋转，实时测量回转机构旋转角度；[0018] 横向支架，安装在所述回转机构前方；[0019] 横向扫描仪，安装在所述横向支架前方，回转机构转动从而带动横向支架及横向扫描仪沿水平圆周方向转动；[0020] 舵机组件，固定在横向支架背部，舵机组件与垂直摆臂连接，垂直摆臂另一端与纵向支架连接；[0021] 纵向扫描仪，固定安装在纵向支架前方，舵机组件驱动垂直摆臂沿纵向摆动，从而带动纵向支架和纵向扫描仪垂直方向转动；[0022] 控制箱，安装在主体机架内侧，在控制箱内部设有控制系统。[0023] 进一步地，在所述横向支架上还安装有环境补光环形光源，用于横向扫描仪和纵向扫描仪工作的辅助照明。[0024] 进一步地，在所述主体机架上设有主连接法兰。[0025] 进一步地，所述横向扫描仪和纵向扫描仪均采用矿用激光扫描仪。[0026] 进一步地，所述控制系统包括本安电源、ARM单片机、数据采集终端和无线传输端口；[0027] 所述ARM单片机分别采用I/O口电连接横向扫描仪、纵向扫描仪、数据采集终端和无线传输端口，通过ARM单片机分别控制横向扫描仪、纵向扫描仪、数据采集终端和无线传输端口的工作状态；[0028] 所述ARM单片机另外采用PWM1电连接舵机组件，控制舵机组件的旋转角度；[0029] 所述ARM单片机另外采用PWM2电连接驱动电机，控制驱动电机的旋转速度和方向；[0030] 所述ARM单片机另外采用RS232电连接角位移传感器，角位移传感器对回转机构旋转角度的信号采集；[0031] 所述横向扫描仪和纵向扫描仪采用RS485电连接数据采集终端，用于扫描数据的采集和存储；[0032] 所述数据采集终端采用RS232电连接无线传输端口，数据采集终端通过无线传输端口与地面监控中心无线连接，完成采集数据的无线传输；[0033] 所述本安电源电连接舵机组件、驱动电机及减速机、角位移传感器、ARM单片机、横向扫描仪、纵向扫描仪、数据采集终端和无线传输端口。[0034] 进一步地，所述ARM单片机的型号为STM32F103。[0035] 本发明同时提供一种矿用移动式巷道断面检测系统的检测方法，具体通过以下步骤实现：[0036] 1)数据采集[0037] 通过横向扫描仪和纵向扫描仪分别在巷道内进行横向和纵向两个方向扫描，其中纵向扫描仪，用于测量被测物体距离纵向扫描仪的激光发射器的距离；横向扫描仪用于确定矿用移动式巷道断面检测系统当前前进方向以及检测巷道内前进方向上主要特征点的标定；控制箱内的数据采集终端实时采集纵向扫描仪和横向扫描仪的扫描数据；[0038] 2)数据处理及三维建模[0039] 巷道变形监测采用数据后处理方式实现，在矿用移动式巷道断面检测系统完成一次测量过程后返回机电硐室，控制箱内的数据采集终端通过无线传输端口将数据远程传输给地面监控中心；[0040] 将纵向扫描仪的采集数据定义为扫描信息数据，将横向发扫描仪的采集数据定义为位置信息数据，将上述两种数据按照时间标签进行匹配，形成巷道轮廓数据；[0041] 在进行巷道形变三维建模过程中，以矿用移动式巷道断面检测系统前进方向为Y轴，巷道宽度方向为X轴，巷道垂直方向为Z轴，其中，将纵向扫描仪采集到的扫描信息数据用(X,Z,Time)来表示，表示当前时间纵向扫描仪的激光中心点位置到巷道四周的位置信息；将横向扫描仪采集到的位置信息数据用(Y，TIME)来表示，表示当前时间横向扫描仪的激光中心点在巷道前进方向中的位置信息，建立坐标系；[0042] 通过将纵向扫描仪采集到的扫描信息数据以及横向扫描仪采集到的位置信息数据按照时间点匹配，形成当前矿用移动式巷道断面检测系统所在位置巷道轮廓的(X、Y、Z)数据；通过将所有时间点位置轮廓数据进行统一三维建模处理，形成整个巷道的三维轮廓数据，通过对比不同扫描时间的巷道轮廓，结合巷道设计图纸，将不同扫描时间巷道内三维点云进行叠加处理；[0043] 通过对比不同时间段测量距离与巷道原始设计资料，将不同时间的巷道形变采用不同颜色表示形变距离进行巷道形变监控，对发生较大形变情况进行报警。[0044] 进一步地，所述步骤1)中主要特征点具体为横向扫描仪和纵向扫描仪在巷道壁上水平扫描和垂直扫描的交叉点。[0045] 相对于现有的技术，本发明的有益效果为：[0046] 本发明的矿用移动式巷道断面检测系统及检测方法，在煤矿巷道内进行定期巡检，扫描其轮廓变化情况，形成巷道三维模型；通过对比不同时间的三维模型，当有较大形变产生时进行报警，为巷道安全生产提供保障。本发明在实际应用中，可以进行巷道形变监控，对较大形变报警。同时降低人工作业强度、提高安全保障。附图说明[0047] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。[0048] 图1为本发明矿用移动式巷道断面检测系统的结构示意图；[0049] 图2为本发明矿用移动式巷道断面检测系统中垂直摆臂转动至下方的示意图；[0050] 图3为本发明矿用移动式巷道断面检测系统的垂直摆臂转动至上方的示意图；[0051] 图4为本发明矿用移动式巷道断面检测系统的控制系统示意图；[0052] 图5为本发明巷道形变三维建模中以纵向扫描仪的激光中心点位置到巷道四周的位置信息以及横向扫描仪的激光中心点在巷道前进方向中的位置信息建立的坐标系；[0053] 图6为本发明矿用移动式巷道断面检测系统在巷道内的扫描示意图；[0054] 图7为本发明实施例二中通过将所有时间点位置轮廓数据进行统一三维建模处理，形成整个巷道的三维轮廓数据的示意图；[0055] 图8为本发明实施例二中的巷道设计图纸示意图；[0056] 图9为本发明实施例二中的不同扫描时间巷道内三维点云进行叠加处理的叠加效果示意图；[0057] 图10为本发明实施例二中将不同时间的巷道形变采用不同颜色表示形变距离进行巷道形变监控的示意图；[0058] 图中：1、主体机架；2、驱动电机；3、安装板；4、主动轴联轴器；5、主动轮组件；6、皮带；7、从动轮组件；8、回转机构；9、回转机构支架；10、第一轴承组件；11、第二轴承组件；12、角位移传感器；13、横向支架；14、横向扫描仪；15、舵机组件；16、垂直摆臂；17、纵向支架；18、纵向扫描仪；19、控制箱；20、环境补光环形光源；21、本安电源；22、ARM单片机；23、数据采集终端；24、无线传输端口；25、地面监控中心；26、主连接法兰。具体实施方式[0059] 下面结合附图及具体实施例进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。[0060] 实施例一[0061] 参照图1?图3，一种矿用移动式巷道断面检测系统，该检测系统包括：[0062] 主体机架1；[0063] 驱动电机2，所述驱动电机2上安装有减速机，且驱动电机2通过安装板3安装在所述主体机架1上；[0064] 主动轴联轴器4，其顶端与所述驱动电机2输出轴相连接；[0065] 主动轮组件5，与所述主动轴联轴器4的底端相连接；[0066] 从动轮组件7，通过皮带6与所述主动轮组件5相连接，所述驱动电机2经由主动轴联轴器4带动主动轮组件5进行转动，主动轮组件5通过皮带6带动从动轮组件7进行转动；[0067] 回转机构8，通过回转机构支架9安装在所述主体机架1上，回转机构8上方通过第一轴承组件10与主体机架1连接，回转机构8下方通过第二轴承组件11与从动轮组件7连接，从动轮组件7旋转，通过第二轴承组件11带动回转机构8旋转；[0068] 角位移传感器12，安装在回转机构8上方，同回转机构8一同旋转，实时测量回转机构8旋转角度；[0069] 横向支架13，安装在所述回转机构8前方；[0070] 横向扫描仪14，安装在所述横向支架13前方，回转机构8转动从而带动横向支架13及横向扫描仪14沿水平圆周方向转动；[0071] 舵机组件15，固定在横向支架13背部，舵机组件15与垂直摆臂16连接，垂直摆臂16另一端与纵向支架17连接；[0072] 纵向扫描仪18，固定安装在纵向支架17前方，舵机组件15驱动垂直摆臂16沿纵向摆动，从而带动纵向支架17和纵向扫描仪18垂直方向转动；[0073] 控制箱19，安装在主体机架1内侧，在控制箱19内部设有控制系统。[0074] 在所述横向支架13上还安装有环境补光环形光源20，用于横向扫描仪14和纵向扫描仪18工作的辅助照明。[0075] 在所述主体机架1上设有主连接法兰26。检测系统通过主连接法兰26可以在工字钢、钢丝绳以及圆钢轨道上运行，不受限于轨道选择方式。[0076] 所述横向扫描仪14和纵向扫描仪18均采用矿用激光扫描仪。[0077] 参照图4，所述控制系统包括本安电源21、ARM单片机22、数据采集终端23和无线传输端口24；[0078] 所述ARM单片机22分别采用I/O口电连接横向扫描仪14、纵向扫描仪18、数据采集终端23和无线传输端口24，通过ARM单片机22分别控制横向扫描仪14、纵向扫描仪18、数据采集终端23和无线传输端口24的工作状态；[0079] 所述ARM单片机22另外采用PWM1电连接舵机组件15，控制舵机组件15的旋转角度；[0080] 所述ARM单片机22另外采用PWM2电连接驱动电机2，控制驱动电机2的旋转速度和方向；[0081] 所述ARM单片机22另外采用RS232电连接角位移传感器12，角位移传感器12对回转机构8旋转角度的信号采集；[0082] 所述横向扫描仪14和纵向扫描仪18采用RS485电连接数据采集终端23，用于扫描数据的采集和存储；[0083] 所述数据采集终端23采用RS232电连接无线传输端口24，数据采集终端23通过无线传输端口24与地面监控中心25无线连接，完成采集数据的无线传输；[0084] 所述本安电源21电连接舵机组件15、驱动电机2、减速机、角位移传感器12、ARM单片机22、横向扫描仪14、纵向扫描仪18、数据采集终端23和无线传输端口24，用于向各设备提供电源。[0085] 所述ARM单片机22的型号为STM32F103。所述ARM单片机22控制舵机组件15在垂直方向的旋转角度在0?180度之间。角位移传感器12将采集的回转机构8旋转角度信号发送至ARM单片机22，ARM单片机22控制驱动电机2旋转，驱动电机2带动回转机构8转动，回转机构8的旋转角度设置在0?270度之间。[0086] 实施例二[0087] 本发明同时提供一种矿用移动式巷道断面检测系统的检测方法，具体通过以下步骤实现：[0088] 1)数据采集[0089] 通过横向扫描仪14和纵向扫描仪18分别在巷道内进行横向和纵向两个方向扫描，其中纵向扫描仪18，用于测量被测物体距离纵向扫描仪18的激光发射器的距离；横向扫描仪14用于确定矿用移动式巷道断面检测系统当前前进方向以及检测巷道内前进方向上主要特征点的标定，主要特征点的标定用于后期位置校准；控制箱19内的数据采集终端23实时采集纵向扫描仪18和横向扫描仪14的扫描数据；[0090] 2)数据处理及三维建模[0091] 巷道变形监测采用数据后处理方式实现，在矿用移动式巷道断面检测系统完成一次测量过程后返回机电硐室，控制箱19内的数据采集终端23通过无线传输端口24将数据远程传输给地面监控中心25；[0092] 在地面监控中心25的上位机上将纵向扫描仪18的采集数据定义为扫描信息数据，将横向扫描仪14的采集数据定义为位置信息数据，将上述两种数据按照时间标签进行匹配，形成巷道轮廓数据；[0093] 在进行巷道形变三维建模过程中，以矿用移动式巷道断面检测系统前进方向(纵向扫描仪18前进的方向为矿用移动式巷道断面检测系统的前进方向)为Y轴，巷道宽度方向为X轴，巷道垂直方向为Z轴，其中，将纵向扫描仪18采集到的扫描信息数据用(X，Z，Time)来表示，表示当前时间纵向扫描仪18的激光中心点位置到巷道四周的位置信息；将横向扫描仪14采集到的位置信息数据用(Y，Time)来表示，表示当前时间横向扫描仪14的激光中心点在巷道前进方向中的位置信息，建立坐标系，如图5所示。[0094] 通过将纵向扫描仪18采集到的扫描信息数据以及横向扫描仪14采集到的位置信息数据按照时间点匹配，形成当前矿用移动式巷道断面检测系统所在位置巷道轮廓的(X、Y、Z)数据；通过将所有时间点位置轮廓数据进行统一三维建模处理，形成整个巷道的三维轮廓数据，扫描效果如图6?图7所示，通过对比不同扫描时间的巷道轮廓，结合巷道设计图纸(如图8所示)，将不同扫描时间巷道内三维点云通过正态分布变换(NDT)算法进行叠加处理，叠加效果如图9所示。[0095] 通过正态分布变换(NDT)算法对比不同时间段测量距离与巷道原始设计资料，将不同时间的巷道形变采用不同颜色表示形变距离进行巷道形变监控，对发生较大形变情况进行报警，正态分布变换(NDT)算法软件效果如图10所示。[0096] 所述步骤1)中主要特征点具体为横向扫描仪14和纵向扫描仪18在巷道壁上水平扫描和垂直扫描的交叉点。[0097] 本发明的检测系统在煤矿巷道内进行定期巡检，扫描其轮廓变化情况，形成巷道三维模型；通过对比不同时间的三维模型，当有较大形变产生时进行报警，为巷道安全生产提供保障，可代替人工巡检，降低劳动强度，提高生产效率。[0098] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

专利地区：辽宁

专利申请日期：2021-12-13

专利公开日期：2024-10-11

专利公告号：CN114252052B