煤礦巷道三維掃描技術(shù)現(xiàn)狀與探索

田偉琴，田原,2，索艷春，賈曲

1山西天地煤機(jī)裝備有限公司 山西太原 030006

2中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司 山西太原 030006

煤 礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的方向[1]。其中采掘智能化是煤礦智能化的重點(diǎn)，而環(huán)境感知、測距定位、掃描探測則是煤礦空間位置探測中不可或缺的部分。

空間位置探測即獲取礦井中的空間三維信息。早在 20 世紀(jì) 80 年代，國內(nèi)外就開始了對(duì)礦山三維地質(zhì)探測的研究，先后出現(xiàn)了 GoCAD、Datamine、Micromine、Surpac、3DMine、Longruan GIS 等眾多礦井三維建模軟件[2]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，三維可視化技術(shù)已經(jīng)成為智慧礦山建設(shè)必不可少的支撐技術(shù)。其中巷道三維信息的獲取是建立礦山空間三維可視化系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。傳統(tǒng)的測繪技術(shù)以經(jīng)緯儀、測距儀、全站儀及 GPS 為主，只能采集單點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)和信息，無法詳盡地反映出煤礦巷道內(nèi)的復(fù)雜情況，難免會(huì)丟失許多有用信息。

目前，在巷道空間探測中有學(xué)者提出利用測量機(jī)器人與雙目視覺相機(jī)結(jié)合，對(duì)巷道進(jìn)行 360°拍攝獲取巷道全景圖像實(shí)現(xiàn)三維重建。然而對(duì)于煤礦巷道而言，巷道多為光線不足、內(nèi)壁紋理稀疏的封閉或部分封閉空間，仍需要人工輔助測量，從而導(dǎo)致誤差增大，影響測量精度。

李梅等人[3-4]認(rèn)為在快速獲取巷道數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化應(yīng)用時(shí)，可考慮集成 TOF 相機(jī)、全景相機(jī)、慣導(dǎo)等技術(shù)于一體的三維數(shù)據(jù)采集設(shè)備，也可考慮設(shè)計(jì)全景相機(jī)結(jié)合防爆手持激光掃描儀等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)工作面進(jìn)行三維信息采集，并提出了基于BIM (Geographic Information System) 與 GIS (Building Information Modeling) 的三維建模技術(shù)進(jìn)行巷道建模。

在煤礦巷道空間位置探測中，三維巷道模型的建立基礎(chǔ)即是三維信息的獲取。目前，信息獲取主要包括測距及三維掃描 2 部分。測距是三維掃描的基礎(chǔ)，三維掃描是測距技術(shù)的延伸。筆者通過分析煤礦巷道空間位置探測的必要性，總結(jié)了三維掃描技術(shù)在煤礦中涉及的測距方法，并分析了其在煤巷應(yīng)用中的研究情況。通過對(duì)三維掃描技術(shù)的調(diào)研及探索，以求為煤礦巷道三維掃描提供范例和經(jīng)驗(yàn)借鑒，促進(jìn)煤礦智能化高效、快速發(fā)展。

1 煤礦巷道空間三維掃描的必要性

我國近 95% 的煤礦為井工煤礦，井下潮濕陰暗、能見度極差，在開采中會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，并且煤礦巷道封閉狹長、多轉(zhuǎn)角，部分巷道壁凹凸不平，井下設(shè)備實(shí)現(xiàn)自主定位導(dǎo)航需要適應(yīng)惡劣的作業(yè)和復(fù)雜電磁環(huán)境。目前，在井下仍有許多崗位需要人工操作，為了在采掘及安全運(yùn)輸中實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)和智能監(jiān)測，構(gòu)建實(shí)時(shí)、透明的煤礦智能化平臺(tái)，首先就要實(shí)現(xiàn)巷道空間位置信息可視化。因而，對(duì)煤礦巷道進(jìn)行空間位置探測，健全三維可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)透明工作面勘探及監(jiān)控技術(shù)，對(duì)智慧礦山的空間信息平臺(tái)建設(shè)至關(guān)重要。

2 井下測距技術(shù)現(xiàn)狀分析

由于井下空氣濕度大、浮塵雜質(zhì)含量高且電磁環(huán)境多變，WiFi、ZigBee、藍(lán)牙等測距定位精度并不理想，難以滿足煤礦工作面建設(shè)中對(duì)各類信息系統(tǒng)高精度定位的要求。目前，在井下應(yīng)用中主要有超聲波、激光、無線測距傳感器以及毫米波雷達(dá)等測距技術(shù)。

2.1 超聲波測距定位技術(shù)

超聲波測距是發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，接收器接收到遇障礙物返回的信號(hào)，記錄發(fā)射到接收的時(shí)間差，利用公式求解得到發(fā)射點(diǎn)到障礙物的距離

式中：v為超聲波在空氣中的傳播速度；Δt為計(jì)時(shí)器測得的發(fā)射波與反射回波的時(shí)間差。

李宗偉等人[5]利用電磁波與超聲波在煤礦井下聯(lián)合定位，根據(jù)超聲波的測距方法進(jìn)行巷道橫向測距，利用電磁波信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)數(shù)常態(tài)分布模型進(jìn)行巷道縱向測距，最終確定目標(biāo)的二維坐標(biāo)；付承彪等人[6]基于超聲波測距原理設(shè)計(jì)了適應(yīng)于煤礦井下輸送帶糾偏檢測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測輸送帶跑偏。

在煤礦井下，受粉塵、光照以及電磁信號(hào)的干擾，超聲波與紅外測距和激光測距技術(shù)相比優(yōu)勢明顯，且具有分辨率高、傳感器體積小、信息處理簡單的優(yōu)點(diǎn)。但是不足之處在于超聲波只適合近距離測距場合。

2.2 激光測距定位技術(shù)

激光測距一般有脈沖法和相位法。脈沖法測距與超聲波測距原理相同，且可以應(yīng)用于遠(yuǎn)距離測距。而相位法測距中，發(fā)射點(diǎn)到障礙物的距離

式中：φ為調(diào)制后的激光來往返距離上的相位差；f為脈沖頻率。

在相位法測距中需要注意的是，測相是測量調(diào)制在激光上面的信號(hào)相位，并不是測量激光的相位。這種激光測距方式通常應(yīng)用于精密測距中。

劉亞輝[7]在煤巷頂?shù)装迳习惭b了激光測距傳感器進(jìn)行移近量測量；牛永剛等人[8]設(shè)計(jì)了一種基于超寬帶 (UWB) 與激光測距的綜采工作面定位系統(tǒng)，采用礦用本安型激光測距傳感器測量定位基站之間的距離。

激光傳感器由于具有測距精確的優(yōu)點(diǎn)而在井下測量中大量使用，但其成本較高，且需要保證光學(xué)系統(tǒng)的潔凈度以實(shí)現(xiàn)精確測量。

2.3 無線測距定位技術(shù)

通常無線傳感器測距的方法有基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示 (RSSI)、到達(dá)時(shí)間 (TOA)、到達(dá)時(shí)間差 (TDOA)以及到達(dá)角度 (AOA) 測距。4 種無線測距方法對(duì)比如表 1 所列。

表1 4 種無線測距方式對(duì)比Tab.1 Comparison of four kinds of wireless ranging method

在井下無線測距多用 RSSI 測距，根據(jù)已知的節(jié)點(diǎn)信號(hào)發(fā)射功率和節(jié)點(diǎn)接收的信號(hào)功率，通過信號(hào)與距離之間的衰減模型，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的距離，信號(hào)強(qiáng)度

式中：n為信號(hào)傳播常數(shù)；d為發(fā)射端與接收端之間的距離；A為距離發(fā)射者 1 m 的信號(hào)強(qiáng)度。

李正東等人[9]利用RSSI 和 TOF 測距技術(shù)相結(jié)合的方式來獲取移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)間的距離信息，確定井下目標(biāo)精確定位。張傳偉等人[10]提出基于 RSSI算法的無線定位方法，對(duì)目前研究算法在煤礦井下巷道應(yīng)用中出現(xiàn)的誤差情況進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn) RSSI 算法在斜坡上的測距定位。

RSSI 測距技術(shù)不需要額外的硬件，就能夠分析處理復(fù)雜的信息，成本低廉，比較適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)。

2.4 毫米波雷達(dá)測距定位技術(shù)

毫米波指波長為 1～10 mm，工作頻率通常為30～300 GHz，介于紅外光波和微波頻段之間的電磁波，具備微波與紅外 光波的某些特征。毫米波波長介于厘米波和光波之間，因此兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。

毫米波雷達(dá)是一項(xiàng)非接觸技術(shù)，可用于檢測并提供物體的距離、速度和角度信息。其一般分為連續(xù)波和脈沖波 2 種工作體制。脈沖毫米波雷達(dá)測距原理與脈沖激光測距相同。

連續(xù)波測距原理：通過發(fā)射信號(hào)和回收信號(hào)，將接受到的信號(hào)頻率與自身的頻率對(duì)比，從而得出雷達(dá)與物體之間的相對(duì)距離。

式中：T為雷達(dá)掃描周期；ΔF為信號(hào)帶寬；Δf為混頻輸出頻率差。

作為一種高精度測距技術(shù)，毫米波雷達(dá)已在諸多領(lǐng)域中有所研究，然而可查詢到的關(guān)于礦井應(yīng)用研究的相關(guān)文獻(xiàn)極少，因此需要我們?nèi)ミM(jìn)一步探索。

3 井下三維掃描技術(shù)現(xiàn)狀分析

三維空間信息獲取是煤礦工作面建設(shè)中場景監(jiān)控與可視化支撐平臺(tái)的基礎(chǔ)組成部分。目前，煤礦井下的三維數(shù)據(jù)獲取及三維可視化平臺(tái)等核心技術(shù)正處于攻堅(jiān)階段，三維可視化還無法滿足作業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際需求，因此三維掃描技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。

3.1 三維超聲波掃描技術(shù)

超聲波是一種機(jī)械波，通過介質(zhì)中分子的振動(dòng)進(jìn)行傳播，介質(zhì)的密度越大，超聲波傳播速度越快，衰減越少。超聲波掃描是利用超聲波測距的原理，加裝掃描裝置進(jìn)行掃描。其主要應(yīng)用于掃描顯微鏡、B超、彩超 (四維)、金屬探傷以及聲納探測中。其在煤礦巷道中使用時(shí)，由于在空氣中傳播的超聲波信號(hào)衰減嚴(yán)重，難以實(shí)現(xiàn)有效的掃描探測。

3.2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描是根據(jù)測距原理，利用傳動(dòng)裝置的掃描運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)物體的全方位掃描，通過一系列處理獲取目標(biāo)物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到被測對(duì)象的三維坐標(biāo)信息，從而建立起物體的三維影像模型。

TomáKot 等人[11]提出了一種煤礦 3D 點(diǎn)云掃描的可視化方法，通過創(chuàng)建獨(dú)立 3D 掃描得到點(diǎn)云，之后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，對(duì)速度進(jìn)行渲染優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了煤礦工作面的測量定位；付忠敏[12]設(shè)計(jì)了面向礦山環(huán)境的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，基于激光掃描原理提出了基于二維激光掃描采集輪廓點(diǎn)云和隨機(jī)抽樣一致性算法擬合直線的掘進(jìn)窗口快速測量方法，可實(shí)現(xiàn)井下空間的快速探測。

目前，激光掃描設(shè)備受能見度以及黑色表面探測影響較大，在礦井下進(jìn)行大范圍推廣仍難以實(shí)現(xiàn)。另外，點(diǎn)云分辨率和數(shù)據(jù)采集效率難以同時(shí)提高，需進(jìn)一步研究。

3.3 三維無線傳感器掃描技術(shù)

基于測距定位的無線傳感技術(shù)屬于靜態(tài)測距，需要依靠自身傳感器與移動(dòng)的定位輔助裝置進(jìn)行三維掃描，主要應(yīng)用于防空雷達(dá)及航空設(shè)備等遠(yuǎn)距離掃描中。但是無線傳感器掃描受基站數(shù)量以及距離限制，存在信號(hào)衰減的問題，且由于傳感器節(jié)點(diǎn)的通信和計(jì)算能力有限，實(shí)現(xiàn)三維定位的算法仍不夠成熟，在煤礦中尚無法實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)用。

3.4 三維毫米波雷達(dá)掃描技術(shù)

毫米波雷達(dá)掃描方式一般有旋轉(zhuǎn)掃描和相控陣列掃描，旋轉(zhuǎn)掃描是將毫米波雷達(dá)固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)得到三維成像數(shù)據(jù)；相控陣列掃描是通過現(xiàn)有的射頻芯片，采用相控陣天線原理，利用x、y、z平面不同射頻天線的回波相位差實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)掃描。

相比于激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)掃描具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)以及三維點(diǎn)云數(shù)量少 1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)的特點(diǎn)，使得毫米波雷達(dá)在地下、3D 成像和視覺SLAM 領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注[13]。傳感器探測方法性能對(duì)比如表 2 所列。

表2 傳感器探測方法性能對(duì)比Tab.2 Comparison of various sensing detection methods in performance

目前毫米波雷達(dá)已在汽車電子 (如汽車防撞、自適應(yīng)巡航、自動(dòng)啟停、盲點(diǎn)監(jiān)測、行人檢測、自動(dòng)駕駛)、智慧交通 (如交通卡口、可移動(dòng)信號(hào)燈)、軍事(如導(dǎo)彈制導(dǎo)) 以及人像檢測等領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用，但卻極少在相關(guān)資料中找到毫米波雷達(dá)在煤礦井下三維掃描中的應(yīng)用。

毫米波雷達(dá)具有魯棒性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)粉塵煙霧穿透能力強(qiáng)、精度高，可全天時(shí)、全天候使用的特點(diǎn)，環(huán)境適應(yīng)性及處理能力均優(yōu)于其他探測方法，適合作為煤礦井下工作面主動(dòng)式探測傳感器。

隨著煤礦智能化的推進(jìn)，毫米波環(huán)境感知高度集成技術(shù)會(huì)逐漸發(fā)展成熟，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。但是，許多理論和技術(shù)仍然需要進(jìn)一步的研究和探討。

4 結(jié)語

通過對(duì)煤礦巷道空間位置探測的必要性分析，總結(jié)歸納了當(dāng)前三維掃描技術(shù)涉及的井下測距技術(shù)，分析了各類三維掃描技術(shù)在煤礦巷道中的應(yīng)用現(xiàn)狀。從查閱到的相關(guān)資料分析，認(rèn)為毫米波雷達(dá)在理論上會(huì)更適合井下空間位置特征探測，但目前卻極少查找到該項(xiàng)技術(shù)在礦井中的使用。因此，需要加強(qiáng)毫米波雷達(dá)對(duì)煤礦井下進(jìn)行測距及掃描的技術(shù)研究。