一种扫描仪自主获取矿山坐标系下三维空间形态的方法

摘要

本发明公开了一种扫描仪自主获取矿山坐标系下三维空间形态的方法，包括：若三维激光扫描仪的扫描范围内存在两个在矿山坐标系下已知坐标的导线点，则获取两个导线点在三维激光扫描仪坐标系下的坐标，并结合三维激光扫描仪坐标系原点坐标解算出三维激光扫描仪坐标系原点在矿山坐标系下的坐标以及方位角；此后，在三维激光扫描仪进行扫描时，根据解算出三维激光扫描仪坐标系原点在矿山坐标系下的坐标以及方位角对扫描获得三维空间形态中的所有数据点的坐标进行转换，从而获得在矿山坐标系下三维空间形态。采用本发明公开的方法，可大大简化矿山井下三维激光扫描仪的应用，进而提高矿山的生产效益。

说明书

技术领域

本发明涉及矿山技术领域，尤其涉及一种扫描仪自主获取矿山坐标系下三维空间形态 的方法。

背景技术

目前，三维激光扫描仪只具有三维扫描功能，其扫描获取的三维数据的坐标均处于 该三维激光扫描仪坐标系(属于相对坐标系)，如需获得矿山坐标系下的三维扫描结 果，就需要全站仪辅助配合，用全站仪打点获取三维激光扫描仪坐标原点在矿山坐标系 下的坐标和方位角。

然而，利用全站仪打点辅助获得三维激光扫描仪原点在矿山坐标系下的坐标以及方 位角，需要携带三维激光扫描仪和全站仪两样设备下井，需要更多的测量人员，应用起 来复杂繁琐。

发明内容

本发明的目的是提供一种扫描仪自主获取矿山坐标系下三维空间形态的方法，大大简 化了矿山井下三维激光扫描仪的应用，进而提高矿山的生产效益。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种扫描仪自主获取矿山坐标系下三维空间形态的方法，包括：

若三维激光扫描仪的扫描范围内存在两个在矿山坐标系下已知坐标的导线点，则获 取两个导线点在三维激光扫描仪坐标系下的坐标，并结合三维激光扫描仪坐标系原点坐 标解算出三维激光扫描仪坐标系原点在矿山坐标系下的坐标以及方位角；

此后，在三维激光扫描仪进行扫描时，根据解算出三维激光扫描仪坐标系原点在矿 山坐标系下的坐标以及方位角对扫描获得三维空间形态中的所有数据点的坐标进行转 换，从而获得在矿山坐标系下三维空间形态。

进一步的，所述若三维激光扫描仪的扫描范围内存在两个在矿山坐标系下已知坐标 的导线点，则获取两个导线点在三维激光扫描仪坐标系下的坐标，并结合三维激光扫描 仪坐标系原点坐标解算出三维激光扫描仪坐标系原点在矿山坐标系下的坐标以及方位角 包括：

假设两个在矿山坐标系下已知坐标的导线点的坐标分别为P₁(a₁b₁c₁)、 P₂(a₂b₂c₂)；

分别转动三维激光扫描仪的两轴电机，使得三维激光扫描仪分别对准两个导线点， 并获得两个导线点在三维激光扫描仪坐标系下的坐标：P₁'(x₁y₁z₁)、P₂'(x₂y₂z₂)；

三维激光扫描仪坐标系原点坐标记为O(mnt)，三维激光扫描仪坐标系相对于矿山 坐标系的位姿关系为：相对于矿山坐标系Z轴顺时针旋转角度α，则三维激光扫描仪坐标 系相对于矿山坐标系的齐次变换矩阵表示为：

$T=\left(\begin{array}{cccc}\cos \alpha & -\sin \alpha & 0& m\\ \sin \alpha & \cos \alpha & 0& n\\ 0& 0& 1& t\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right);$

则矿山坐标系下导线点的坐标P₁(a₁b₁c₁)、P₂(a₂b₂c₂)与三维激光扫描仪坐标 系下的坐标P₁'(x₁y₁z₁)、P₂'(x₂y₂z₂)有如下关系：

$\left(\begin{array}{cccc}\cos \alpha & -\sin \alpha & 0& m\\ \sin \alpha & \cos \alpha & 0& n\\ 0& 0& 1& t\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_3\\ y_3\\ z_3\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{a}_3\\ b_3\\ c_3\\ 1\end{array}\right);$

$\left(\begin{array}{cccc}\cos \alpha & -\sin \alpha & 0& m\\ \sin \alpha & \cos \alpha & 0& n\\ 0& 0& 1& t\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_3\\ y_3\\ z_3\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{a}_3\\ b_3\\ c_3\\ 1\end{array}\right);$

解算上述关系式，获得三维激光扫描仪坐标系原点相对于矿山坐标系Z轴顺时针旋转 角度α，即方位角：

$\alpha =arccos\left[\frac{(b_1-b_2)(y_1-y_2)+(a_1-a_2)(x_1-x_2)}{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2}\right]$

以及，三维激光扫描仪坐标系原点在矿山坐标系下的坐标：

m＝a₁+y₁sinα-x₁cosα；

n＝b₁-y₁cosα-x₁sinα；

t＝c₁-z₁。

进一步的，根据解算出三维激光扫描仪坐标系原点在矿山坐标系下的坐标以及方位 角对扫描获得三维空间形态中的所有数据点的坐标进行转换包括：

对于三维空间形态中的任一数据点的坐标P_n'(x_ny_nz_n)均进行如下转换，获得在矿 山坐标系下的坐标P_n(a_nb_nc_n)：

a_n＝x_ncosα-y_nsinα+m；

b_n＝x_nsinα+y_ncosα+n；

c_n＝z_n+t。

进一步的，若三维激光扫描仪的扫描范围内没有已知坐标的导线点，则利用三维激 光扫描仪建立新的导线点；

记新的导线点在矿山坐标系下的坐标为P₃(a₃b₃c₃)，所述新的导线点在三维激光 扫描仪坐标系下的坐标为P₃'(x₃y₃z₃)，则有如下关系式：

$\left(\begin{array}{cccc}\cos \alpha & -\sin \alpha & 0& m\\ \sin \alpha & \cos \alpha & 0& n\\ 0& 0& 1& t\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_3\\ y_3\\ z_3\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{a}_3\\ b_3\\ c_3\\ 1\end{array}\right);$

求解上述，获得新的导线点P₃(a₃b₃c₃)坐标：

a₃＝x₃cosα-y₃sinα+m；

b₃＝x₃sinα+y₃cosα+n；

c₃＝z₃+t。

进一步的，所述三维激光扫描仪采用开环控制的方式获取两个导线点在三维激光扫 描仪坐标系下的坐标：三维激光扫描仪中第一轴电机与第二轴电机联动调节，依次将末 端激光器移动至导线点上，获得两个导线点在三维激光扫描仪坐标系下的坐标表示；或 者经过扫描后，自动识别导线点所在位置，从而获得两个导线点在三维激光扫描仪坐标 系下的坐标表示。

进一步的，第一轴电机与第二轴电机联动调节末端激光器时，第一轴电机顺时针旋 转，在0°～180°范围内得到两个导线点在三维激光扫描仪坐标系下的坐标；然后，第一 轴电机再逆时针旋转，在0°～-180°范围内得到两个导线点在三维激光扫描仪坐标系下 的坐标；再结合两次扫描结果求取平均值，获得最终的两个导线点在三维激光扫描仪坐 标系下的坐标。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明使得扫描仪可以直接利用矿山井下导 线点，进而可以自主的获得矿山坐标系的三维空间形态，摆脱了对全站仪的依赖，大大 简化了矿山井下三维激光扫描仪的应用，进而提高矿山的生产效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种扫描仪自主获取矿山坐标系下三维空间形态的方法的 流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种扫描仪自主获取矿山坐标系下三维空间形态的方法，如图1所 示，其主要包括如下步骤：

步骤11、若三维激光扫描仪的扫描范围内存在两个在矿山坐标系下已知坐标的导线 点，则获取两个导线点在三维激光扫描仪坐标系下的坐标，并结合三维激光扫描仪坐标 系原点坐标解算出三维激光扫描仪坐标系原点在矿山坐标系下的坐标以及方位角。

每个矿山都有一个大的矿山坐标系，矿山井下环境复杂，具有众多巷道、硐室、采 场等；同时，矿山井下坐标获取不能通过GPS，只能通过导线点间接获得；矿山井下具 有众多导线点，一般相隔30～50米，导线点在矿山坐标系的坐标为已知。

本步骤具体过程如下：

假设两个在矿山坐标系下已知坐标的导线点的坐标分别为P₁(a₁b₁c₁)、 P₂(a₂b₂c₂)；

分别转动三维激光扫描仪的两轴电机，使得三维激光扫描仪分别对准两个导线点， 并获得两个导线点在三维激光扫描仪坐标系下的坐标：P₁'(x₁y₁z₁)、P₂'(x₂y₂z₂)；

三维激光扫描仪坐标系原点坐标记为O(mnt)，三维激光扫描仪坐标系相对于矿山 坐标系的位姿关系为：相对于矿山坐标系Z轴顺时针旋转角度α，则三维激光扫描仪坐标 系相对于矿山坐标系的齐次变换矩阵表示为：

$T=\left(\begin{array}{cccc}\cos \alpha & -\sin \alpha & 0& m\\ \sin \alpha & \cos \alpha & 0& n\\ 0& 0& 1& t\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right);$

则矿山坐标系下导线点的坐标P₁(a₁b₁c₁)、P₂(a₂b₂c₂)与三维激光扫描仪坐标 系下的坐标P₁'(x₁y₁z₁)、P₂'(x₂y₂z₂)有如下关系：

$\left(\begin{array}{cccc}\cos \alpha & -\sin \alpha & 0& m\\ \sin \alpha & \cos \alpha & 0& n\\ 0& 0& 1& t\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_3\\ y_3\\ z_3\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{a}_3\\ b_3\\ c_3\\ 1\end{array}\right);$

$\left(\begin{array}{cccc}\cos \alpha & -\sin \alpha & 0& m\\ \sin \alpha & \cos \alpha & 0& n\\ 0& 0& 1& t\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_3\\ y_3\\ z_3\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{a}_3\\ b_3\\ c_3\\ 1\end{array}\right);$

解算上述关系式，获得三维激光扫描仪坐标系原点相对于矿山坐标系Z轴顺时针旋转 角度α，即方位角：

$\alpha =arccos\left[\frac{(b_1-b_2)(y_1-y_2)+(a_1-a_2)(x_1-x_2)}{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2}\right]$

以及，三维激光扫描仪坐标系原点在矿山坐标系下的坐标：

m＝a₁+y₁sinα-x₁cosα；

n＝b₁-y₁cosα-x₁sinα；

t＝c₁-z₁。

本发明实施例中，三维激光扫描仪扫描导线点(打点)时，需要用开环控制的方 式。具体为：三维激光扫描仪中第一轴电机与第二轴电机联动调节，依次将末端激光器 移动至导线点上，获得导线点在三维激光扫描仪坐标系下的坐标表示；或者经过扫描 后，自动识别导线点所在位置。注意不能用手转动末端激光器直接调节，否则会损毁扫 描仪。

进一步的，第一轴电机与第二轴电机联动调节末端激光器时，第一轴电机顺时针旋 转，在0°～180°范围内得到两个导线点在三维激光扫描仪坐标系下的坐标；然后，第一 轴电机再逆时针旋转，在0°～-180°范围内得到两个导线点在三维激光扫描仪坐标系下 的坐标；再结合两次扫描结果求取平均值，获得最终的两个导线点在三维激光扫描仪坐 标系下的坐标。用这样的方法消除人为误差和一部分系统误差，提高扫描仪打点的精 度。

步骤12、在三维激光扫描仪进行扫描时，根据解算出三维激光扫描仪坐标系原点在 矿山坐标系下的坐标以及方位角，对扫描获得三维空间形态中的所有数据点的坐标进行 转换，从而获得在矿山坐标系下三维空间形态。

对于三维空间形态中的任一数据点的坐标P_n'(x_ny_nz_n)均进行如下转换，获得在矿 山坐标系下的坐标P_n(a_nb_nc_n)：

a_n＝x_ncosα-y_nsinα+m；

b_n＝x_nsinα+y_ncosα+n；

c_n＝z_n+t。

另外，当基于上述步骤11～步骤12对矿山进行扫描时，若某一扫描范围没有导线点， 则可在前文的方案的基础上建立新的导线点。

具体过程如下：

记新的导线点在矿山坐标系下的坐标为P₃(a₃b₃c₃)，所述新的导线点在三维激光 扫描仪坐标系下的坐标为P₃'(x₃y₃z₃)，则有如下关系式：

$\left(\begin{array}{cccc}\cos \alpha & -\sin \alpha & 0& m\\ \sin \alpha & \cos \alpha & 0& n\\ 0& 0& 1& t\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_3\\ y_3\\ z_3\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{a}_3\\ b_3\\ c_3\\ 1\end{array}\right);$

求解上述，获得新的导线点P₃(a₃b₃c₃)坐标：

a₃＝x₃cosα-y₃sinα+m；

b₃＝x₃sinα+y₃cosα+n；

c₃＝z₃+t。

本发明实施例的上述方案，可以自主的获得矿山坐标系下的三维空间形态，从而摆脱 了对全站仪的依赖，大大简化了矿山井下三维激光扫描仪的应用，进而提高矿山的生产 效益。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以 通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理 解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一 个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得 一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施 例所述的方法。

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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。