一种用于无人化采掘工作面的三维模型自动更新方法

摘要

本发明公开了一种用于无人化采掘工作面的三维模型自动更新方法，属于矿山无人化采掘工作面模型更新领域，本发明在针对工作面前方的煤层模型时，适时建立面向采煤机的参数化控制网格细分模型，可适应各种回采工作面(长臂采煤、短臂采煤、放顶煤、房式采煤、房柱式采煤等)采煤场景的动态变更；采煤机在割煤的过程中，获取工作面变化信息和采煤机的工作参数，通过切割点定位、移动切割点、计算切割点的纹理坐标，利用自动纹理映射技术、局部增量更新、边界缝合，完成工作面的动态适时更新。

说明书

技术领域

本发明属于矿山无人化采掘工作面模型更新领域，具体涉及一种用于无人化采掘工作面 的三维模型自动更新方法。

背景技术

无人化采掘工作面的三维模型自动更新是适时精准建模的重要环节，其自动动态更新的 效果直接影响到无人化采掘切割路径的控制。与采煤机切割相关的采掘工作面的三维模型自 动更新方法与技术在国内外很少有相关研究报导，已有的研究大都是与采煤机切割无关的地 质体可视化中三维模型更新或修正的技术与方法。其中与本方法最近似的实现方法是，“基于 采煤机滚筒位置的煤壁模型动态更新”和“采空区三维模型实时更新”：建立工作面前方的煤 层模型时,把煤壁面部分的网格进行细分，随着工作的推进、煤机滚筒位置和切割深度的信息 反馈,自动调整网格点的坐标,利用自动纹理映射技术,自动完成煤壁模型的实时更新；利用采 煤工作面的各种位置监测信息,结合矿山地理信息系统,就可以通过蓝光后台建模系统自动完 成采空区的二维填图和三维建模。

与采煤机切割无关的地质体可视化中三维模型更新或修正的技术与方法，由于没有考虑 采煤机的切割过程，不适用于采煤机切割过程中无人化采掘工作面的三维模型自动更新。“基 于采煤机滚筒位置的煤壁模型动态更新”和“采空区三维模型实时更新”，存在以下缺点：

1、该方法没有说明具体应用于哪种回采工作面。

2、该方法建立工作面前方的煤层模型时，建立的煤层网格细分模型，并没有考虑细分的 标准与采煤机的截深信息相结合。

3、该方法在进行煤壁模型实时更新时，自动调整网格点的坐标，没有考虑采煤机切割点 的计算问题。

4、该方法没有考虑局部增量更新和边界缝合问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种用于无人化采掘工作面的三维 模型自动更新方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的推广价值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于无人化采掘工作面的三维模型自动更新方法，按照如下步骤进行：

步骤1：依据设计阶段的数据，建立参数化控制网格细分的回采工作面模型，参数化控 制细分网格小于采煤机截深，并对参数化控制网格细分的回采工作面模型进行渲染；

步骤2：依据设计阶段的数据，建立网格细分分段掘进工作面及掘进巷道模型，并对网 格细分分段掘进工作面及掘进巷道模型进行渲染；

步骤3：判断回采工作面是否在开采施工；

若：判断结果是回采工作面在开采施工，则执行步骤4；

或判断结果是回采工作面没有开采施工，则执行步骤6；

步骤4：局部更新回采工作面模型；

在回采工作面网格细分模型的基础上，根据施工阶段的测量数据，局部更新回采工作面 模型，并对回采工作面模型进行渲染；按照如下步骤进行：

步骤4.1：对正在施工的回采工作面模型开始切割，具体包括：

步骤4.1.1：定位切割点；

步骤4.1.2：移动切割点；

步骤4.1.3：更新纹理坐标；

步骤4.2：判断是否割完一刀；

若：判断结果是割完一刀，对回采工作面模型更新并进行渲染；

或判断结果是没有割完一刀，则执行步骤4.1；

步骤5：建立采空区模型；

采煤机沿回采工作面割完一刀后，推进一个回采工作面截深，依据被切割的回采工作面 模型建立采空区模型，并对采空区模型进行渲染；

步骤6：判断掘进工作面是否在掘进施工；

若：判断结果是掘进工作面在掘进施工，则执行步骤7；

或判断结果是掘进工作面没有掘进施工，则执行步骤8；

步骤7：局部更新掘进工作面以及掘进巷道模型，具体包括：

步骤7.1：判断新掘进巷道与原掘进巷道是否连接；

若：判断结果是新掘进巷道与原掘进巷道连接，则执行步骤7.2；

或判断结果是没有新掘进巷道与原掘进巷道连接，则执行步骤7.5；

步骤7.2：建立新掘进巷道的三维模型；

步骤7.3：只对新掘进巷道中的交叉点进行更新，实现原掘进巷道与新掘进巷道的连接， 具体包括：

步骤7.3.1：读取新掘进巷道的点、连接关系以及属性信息，确定交叉点数为1的新掘 进巷道节点；

步骤7.3.2：判断新掘进巷道中交叉点数为1的节点是否与原掘进巷道的某点、某边相 连接或者与原掘进巷道不相连；

若：判断结果是新掘进巷道中交叉点数为1的节点与原掘进巷道中的某点相连接，则设 新掘进巷道的第i个节点与原掘进巷道的第j个节点相连，从新掘进巷道的高程点表中找到 第i个节点的交叉点号、独立巷道号、断面类型以及属性信息，从原掘进巷道的高程点表中 找到第j个节点的交叉点号、独立巷道号、断面类型以及属性信息，重新建立新交叉点三维 模型并渲染；

或判断结果是新掘进巷道中交叉点数为1的节点与原掘进巷道中的某边相接，则设新掘 进巷道的第i个节点与原掘进巷道的第k条边相连，从新掘进巷道的高程点表中找到第i个 节点的交叉点号、独立巷道号、断面类型以及属性信息，从原掘进巷道的边表中找到第k条 边的独立巷道号、断面类型以及属性等信息，把第i个节点加入到原掘进巷道中，生成一个 新交叉点三维模型，同时修改原掘进巷道的第k条边的巷道信息，并对新交叉点三维模型进 行渲染；

或判断结果是新掘进巷道中交叉点数为1的节点与原掘进巷道不相连，则将新掘进巷道 的三维模型与原掘进巷道的三维模型合并，实现巷道三维模型的整体缝合并渲染；

步骤7.4：转步骤8；

步骤7.5：对与掘进头相关联的巷道进行局部更新，具体包括：

步骤7.5.1：按掘进参数定位掘进点；

步骤7.5.2：移动掘进点，将移动后的掘进点设置为已移动标记；

步骤7.5.3：计算掘进点的纹理坐标，采用仿射变换技术重新计算移动点的纹理坐标；

步骤7.5.4：更新掘进巷道模型；

步骤7.5.5：利用自动纹理映射技术对掘进巷道模型重新进行渲染；

步骤8：判断掘进工作面模型更新是否结束；

若：判断结果是掘进工作面模型更新没有结束，则执行步骤3；

或判断结果是掘进工作面模型更新结束，则结束更新。

优选地，在步骤4.1.1中，具体包括：

步骤4.1.1.1：计算采煤机的滚筒位置坐标；

设采煤机的滚筒位置为点P1(x1,y1,z1)，采煤机的滚筒半径为r1，以点P1为圆心，以 r1为半径生成圆周，并记录圆周上点的坐标{C1,C2,…Cn}；

步骤4.1.1.2：将在圆周内的煤壁面网格点作为切割点并保存到切割点列表；

步骤4.1.1.3：根据采煤机的运行状态参数，计算切割点的移动向量及长度。

优选地，在步骤4.1.3中，具体包括：

步骤4.1.3.1：计算映射面的法向量

从切割点列表中取出切割点，判断这些切割点是否共面，如果这些切割点共面则计算共 面的法向量，并把切割点进行投影；如果这些切割点不共面，则使用最小二乘法算法拟合出 一个平面作为映射面，计算映射面的法向量并把切割点投影到映射面上；

步骤4.1.3.2：三角剖分

找到与切割列表中的切割点相邻接，且没有发生移动的网格上的点，对这些点进行三角 剖分；

步骤4.1.3.3：仿射变换

依次判断切割点列表中的所有切割点所在的三角形，通过仿射变换计算出三角形内的各 切割点的纹理坐标。

优选地，在步骤7.5.1中，具体包括：

步骤7.5.1.1：从原掘进巷道模型中确定正在掘进的巷道断面，删除断面点及面；

步骤7.5.1.2：根据掘进参数，确定在掘进机影响范围内的掘进点，记录这些掘进点并 保存到掘进点列表；

步骤7.5.1.3：根据掘进机的截深参数，计算掘进点的移动向量及长度。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出了一种用于无人化采掘工作面的三维模型自动更新方法，与现有技术相比， 一种用于无人化采掘工作面的三维模型自动更新方法，在针对工作面前方的煤层模型时，适 时建立面向采煤机的参数化控制网格细分模型，可适应各种回采工作面(长臂采煤、短臂采煤、 放顶煤、房式采煤、房柱式采煤等)采煤场景的动态变更；采煤机在割煤的过程中，获取工作 面变化信息和采煤机的工作参数，通过切割点定位、移动切割点、计算切割点的纹理坐标， 利用自动纹理映射技术、局部增量更新、边界缝合，完成工作面的动态适时更新。

附图说明

图1为本发明中无人化采掘工作面的三维模型自动更新的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

1、回采工作面模型

对于回采工作面前方的煤层三维模型，首先按照工程实施过程面向采煤机建立参数化控 制网格细分模型，参数化控制细分网格小于采煤机截深。

根据设计阶段的工作面盘区的地质勘探数据、两侧顺槽顶底板高度等信息，在后台生成 回采工作面的三维模型，并对回采工作面模型进行渲染，生成初始场景中的回采工作面模型。 主要分以下两步操作：

(1)回采工作面建模：由于在采煤机回采时，随着采煤机滚筒位置的实时变化，回采工 作面煤壁模型需要动态更新。为了实现回采工作面煤壁模型的动态更新，在设计阶段建立回 采工作面网格细分模型时，参数化控制细分网格小于采煤机截深。

(2)回采工作面渲染：工作面三维模型建立后自动对其进行渲染。

2、局部更新回采工作面模型

在施工阶段，采煤机在新采区的进刀方式可以有很多种(中部进刀法、始端进刀法等)， 不论选择哪种切割方式，随着采煤机在工作面上往复运动，工作面模型实时发生变化，需要 确定工作面上需要移动的点，对工作面模型进行局部实时更新。

采煤机沿工作面切割完一刀推进一个工作面，模型局部更新，以上过程不断往复完成工 作面的推进。采煤机在割煤的过程中，根据采区顶底板、煤层、煤质变化和刮板输送机载荷 的情况，依据采煤机的牵引速度与滚筒截割高度，实时调整旋转的滚筒在采区割出的形状和 位置的顶底面，实时更新回采工作面模型。

详细算法描述如下：

(1)定位切割点：在切割过程中，需要根据采煤机的运行状态参数(截割速度、滚筒位 置、滚筒直径和截深)等信息，定位切割煤壁面网格中的切割点，计算切割点的移动方向及 长度，把切割点的更新信息保存到切割点列表中，并把网格点中的切割点作移动标记。

Step1:计算滚筒位置坐标。设滚筒位置为点P1(x1,y1,z1)，滚筒半径为r1，以点 P1为圆心，以r1为半径生成圆周，并记录圆周上点的坐标{C1,C2,…Cn}。

Step2:判断煤壁面网格点哪些在圆周内的点，这些点记作切割点并保存到切割点列表。

Step3:根据采煤机截深等参数，计算切割点的移动向量及长度。

(2)移动切割点，从切割点列表中取出切割点的更新信息，根据切割点的移动方向和长 度，计算切割点的坐标，把移动后的切割点设置已移动标记。

(3)计算切割点的纹理坐标：切割点移动后其纹理坐标发生变化，采用仿射变换重新计 算移动点的纹理坐标，利用自动纹理映射技术，对局部更新的模型重新渲染。算法步骤如下:

Step1:计算映射面法向量：从切割点列表中取出切割点，判断这些点是否共面，如果共 面则计算面的法向量，并把切割点进行投影；如果不共面，则使用最小二乘法算法拟合一个 平面作为映射面，计算面的法向量并把切割点投影到映射面上。

Step2:三角剖分：找到与切割列表中的点相邻接，且没有发生移动的网格上的点，由于 这些点的坐标没有变化，其纹理坐标也不发生变化，对这些点进行三角剖分。

Step3:仿射变换：对于切割点列表中的所有的点，依次判断切割点所在的三角形，通过 仿射变换计算出三角形内的各切割点的纹理坐标。

3、采空区模型

采煤机沿工作面割完一刀后，推进一个工作面截深，依据被切割的回采工作面模型建立 采空区模型，通过后台系统自动完成采空区的三维建模并渲染。

4、掘进工作面及掘进巷道模型

为了实现掘进巷道模型的实时更新，巷道建模时按掘进机截深把掘进工作面分为多段， 细分分段掘进工作面模型并渲染。

根据设计阶段的勘探、测量等数据，在后台自动生成掘进巷道的三维模型，并对模型进 行渲染。

5、掘进工作面及掘进巷道模型的局部更新

掘进机沿掘进工作面切割，使掘进工作面模型发生变化，需局部更新掘进工作面模型； 掘进工作面推进，拓展掘进巷道，局部更新掘进巷道模型。以上过程不断地往复完成整个巷 道的掘进。

分两种情况进行掘进工作面及掘进巷道模型的局部更新。

(1)新掘进巷道与原掘进巷道的连接。

由于掘进工作的进行，实现了新掘进巷道与原掘进巷道的贯通。此过程，只需对新掘进 巷道的交叉点进行更新，从而实现新掘进巷道与原掘进巷道无缝连接。算法步骤如下：

①调用巷道三维模型自动生成算法生成新掘进巷道的三维模型。

②读取新掘进巷道的点、连接关系及巷道属性信息，确定交叉点数为1的巷道节点。

③实现新掘进巷道与原掘进巷道的无缝连接。判断新掘进巷道中交叉点数为1的节点是 否与新掘进巷道的连接，主要包括与原掘进巷道某点相连、与原掘进巷道某边相连和与原掘 进巷道不相连这三种情况。

i：与原掘进巷道某点相连：设新掘进巷道第i个节点与原掘进巷道第j个节点相连，从 新掘进巷道高程点表中找到第i个节点的交叉点号、独立巷道号、断面类型、巷道属性等信 息，从原掘进巷道高程点表中找到第j个节点的交叉点号、独立巷道号、断面类型、巷道属 性等信息，重新建立新交叉点三维模型。

ii：与原掘进巷道某边相连：设新掘进巷道第i个节点与原掘进巷道第k条边相连，从 新掘进巷道高程点表中找到第i个节点的交叉点号、独立巷道号、断面类型、巷道属性等信 息，从原掘进巷道边表中找到第k条边的独立巷道号、断面类型、巷道属性等信息，把节点 i加入到原掘进巷道中，生成一个新交叉点三维模型，同时修改原掘进巷道第k条边的巷道 信息。

iii：与原掘进巷道不相连：这种情况没有交叉点，不存在交叉点的列新，只需要把新掘 进巷道三维模型与原掘进巷道三维模型合并，就能实现巷道三维模型整体缝合。

(2)对与掘进头相关联的巷道进行局部更新。

掘进机沿掘进工作面切割，掘进机在掘进工作面上往复运动，使掘进工作面模型发生变 化，局部更新掘进工作面及掘进巷道模型。计算掘进巷道需要移动的点，对掘进巷道模型进 行局部实时更新。掘进机切割头截齿按空间的螺旋线运动或者按摆线轨迹运动向掘进工作面 推进时，掘进巷道模型局部更新，以上过程不断往复完成掘进工作面的推进。

具体算法描述如下：

i定位掘进点：根据掘进机的运行状态参数，定位掘进面掘进点的坐标，计算掘进点的 移动方向及长度，并对掘进点作上移动标记。

Step1:从原掘进巷道模型中确定正在掘进行的巷道断面，删除断面点及面。

Step2:根据掘进机参数，确定掘进机影响范围内的点，记录这些掘进点并保存到掘进点 列表。

Step3:根据掘进机截深等参数，计算切割点的移动向量及长度。

ii移动掘进点，把移动后的点设置已移动标记。

iii计算掘进点的纹理坐标：采用仿射变换技术重新计算移动点的纹理坐标，对局部更 新的模型重新渲染。

掘进机沿掘进工作面切割的过程，就是对掘进巷道进行局部更新的过程。以上过程不断 地往复完成整个巷道的掘进。

一种用于无人化采掘工作面的三维模型自动更新方法，在针对工作面前方的煤层模型时， 适时建立面向采煤机的参数化控制网格细分模型，可适应各种回采工作面(长臂采煤、短臂采 煤、放顶煤、房式采煤、房柱式采煤等)采煤场景的动态变更；采煤机在割煤的过程中，获取 工作面变化信息和采煤机的工作参数，通过切割点定位、移动切割点、计算切割点的纹理坐 标，利用自动纹理映射技术、局部增量更新、边界缝合，完成工作面的动态适时更新。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的 技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护 范围。